基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法

本发明涉及基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，属于岩土工程勘察中岩土参数评价领域。

背景技术：

1、黏性土的超固结比是海上风电工程设计中重要的力学参数之一，土体超固结比ocr反映了土体沉积历史，是海上岩土工程设计中重要的力学参数，传统土工试验方法用标准固结试验确定土体先期固结压力，但采用应力路径法的标准固结试验比较耗时且测试结果易收到多种因素的干扰，如土样的扰动、对前期固结压力的解译方法等。

2、孔压静力触探测试(cptu)所提供的锥尖阻力、侧摩阻力以及孔隙水压力能够有效地反映土体的超固结比，对土样的扰动性小，该方法需要依赖cptu解译获取相应的黏土强度。已有规范对于超固结比提供了估算公式，但实际应用过程中估算公式往往与地区经验相关，并且在现有研究中，缺乏对不同计算公式的对比，因此无法判别在某一海域应该选用何种公式进行计算，利用默认的经验参数计算会导致计算结果误差较大。

3、已有规范对于超固结比提供了估算公式，但实际应用过程中估算公式往往与地区经验相关，并且在现有研究中，缺乏对不同计算公式的对比，因此无法判别在某一海域应该选用何种公式进行计算，利用利用默认的经验参数计算会导致计算结果误差较大，精确度欠佳，不能良好地运用于岩土工程建设中。

技术实现思路

1、本发明根据场地实际情况解译估算公式中的参数，对估算公式进行优化能够为当地海域的海洋工程项目提供依据和技术支撑。因此、提供了基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法。

2、本发明采用如下技术方案：

3、本发明基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，其步骤如下：

4、(1)、采用静探试验设备对土样进行静力触探试验，获得静探数据：孔压静力触探锥尖阻力qc、侧摩阻力fs，孔隙水压力u2，；通过对土样进行土工固结试验获得土体超固结比ocr，并判定土体类别；

5、利用以下公式确定上覆土体总应力σv、上覆有效应力σ′v

6、

7、

8、其中γi为第i层土体天然重度，hi为第i层土层厚度，γw为水的重度；并通过孔压静力触探锥尖阻力qc得到修正后锥尖阻力qt；

9、qt＝qc+u2(1-α)

10、式中，α为探头面积比系数；

11、(2)、定义初次计算的参数值，参数值为期望预固结锥尖因子：k1、k2、k3、k4、b、m；结合如下公式计算黏性土超固结比ocr：

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14、

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16、利用上述cptu预测计算公式进行初步计算的土体超固结比ocr，结合第(1)步骤中土工固结试验获得土体超固结比ocr，绘制曲线图；

17、(3)、选取评价因子对预测公式进行分析，评估各初始公式预测准确度、有效性，确定公式中经验参数的取值范围；

18、利用均方根偏差rmsd因子、纳什效率系数nse因子、决定系数r2因子进行误差分析，其表述公式如下：

19、均方根偏差

20、纳什效率系数

21、决定系数

22、相关系数

23、式中xi为土工试验值，yi为经验公式的拟合值；

24、(4)、通过excel电子表格软件规划求解令评价因子结果更优的方式进而对cptu计算ocr公式进行修正，得到修正过的估算超固结比关系式如下，比较修正前后评价因子，完成基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比的计算；

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26、

27、

28、

29、上述步骤将拟合目标值设定为固结试验值，通过改变经验公式中的经验系数，例如：使得nse值趋于1，最终得到更接近于土工试验结果的修正预测模型公式；

30、同理，设定rmsd、r2、rxy单元格并进行规划求解，改变不同的评价因子，代入修正预测公式，可解得不同的期望预固结锥尖因子，经过对比通过不同的期望预固结锥尖因子绘制的曲线，可以得出，相比于其他三个评价因子，通过调整评价因子nse，修正后cptu计算ocr公式更贴合土工试验实测值，因此优先采用评价因子nse对公式进行优化，并将其他的评价因子纳入对比考察。

31、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，步骤(3)中评价原则如下：

32、均方根偏差rmsd因子的取值范围为：(0，+∞)，

33、选用均方根偏差rmsd因子计算结果接近0的计算结果；代表此经验公式拟合效果好，反之拟合效果差；

34、相关系数rxy因子的取值范围为：(-1，1)，

35、若相关系数rxy值接近0，判断为：经验公式拟合值与土工试验报告值相关性小，经验公式可信度低；

36、若rxy计算结果接近1，判断为：经验公式拟合值与土工试验值相关性大，经验公式可信度高(r2接近1)；

37、纳什效率系数nse因子的取值范围为：(-∞,1)，

38、若纳什效率系数nse因子接近1，模型可信度高；

39、若纳什效率系数nse因子接近0，经验公式结果接近土工试验平均值水平，即总体结果可信，但过程模拟误差可能偏大。

40、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，通过excel电子表格软件对cptu计算ocr公式进行修正步骤如下：

41、基于步骤(1)、(2)中所获得的数据导入excel；

42、1)、在excel加载项中调用规划求解加载项菜单；

43、2)、在excel顶部数据栏中点击规划求解，构建目标函数(评价因子函数k1、k2、k3、k4、b、m)所在单元格，选择设置目标到最大值0；

44、3)、选择可变单元格选择待定期望预固结锥尖因子系数所在单元格；

45、4)、依据步骤2)中期望预固结锥尖因子系数k1、k2、k3、k4、b、m；默认值设定可变单元格初始约束条件；

46、5)、设定求解方法，采用非线性grg求解方法，并设定采用多初始点优化；

47、6)、求解得期望预固结锥尖因子值、停止求解，记录为第一次求解值；

48、7)、重复子步骤1至子步骤3，将子步骤4的约束条件上限值缩减0.05，例如k1约束条件改变为0＜k1＜0.95，再次进行求解，记录为第二次求解值；

49、8)、重复上述子步骤，依据子步骤7)更改约束条件，多次进行求解，当第n次重复子步骤7时，期望预固结锥尖因子求解值与第n-1次重复子步骤7时求解值相等，此时期望预固结锥尖因子求解值为修正后精确解。

50、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，依据为纳什效率系数nse因子进行评判，通过均方根偏差rmsd因子、决定系数r2因子、关系数rxy辅助评判。

51、即当纳什效率系数nse因子接近1，该方法为最优方法，其计算结果与固结试验值最接近，基于此初步判断各初始公式的预测准确度，并初步判断经验系数的合理取值范围。

52、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，第(1)步骤中的土体超固结比ocr为土的先期固结压力pc与上覆有效应力σ′v之比，其中土的先期固结压力由固结试验测得。

53、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，所述默认值设定可变单元格初始约束条件为：约束条件为0＜k1、k2、k3、m＜1；-1＜b＜1；0＜k4＜15；每次求解所更改的约束条件为：基于上一次约束条件缩减0.05。

54、有益效果：

55、1、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，基于常规的孔压静力触探试验，能够利用试验数据较为便捷地测量出黏性土超固结比，方便实际工程使用，研究内容和成果具有较高的应用和参考价值，在海上岩土勘察层面促进海上风电的降本增效。

56、2、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，因此根据场地实际情况解译估算公式中的参数，按照修正cptu计算公式能够准确地得到土体的超固结比，相较于土工试验或者原始cptu计算公式，计算精确度更高，参数更加准确，便于能够为当地海域的海洋工程项目提供依据和技术支撑。

57、3、本发明所述的基于孔压静力触探试验的黏性土超固结比计算方法，通过对比室内固结试验结果，基于不同的评价因子进行评价，利用规划求解的方法修正了原始公式，使测量超固结比的精确度明显提高。