利用扁铲侧胀C值消散试验测定饱和软黏土水平固结系数的方法与流程

本发明涉及岩土工程勘察领域，具体地指一种利用扁铲侧胀c值消散试验测定饱和软黏土水平固结系数的方法。

背景技术：

在我国，物理力学性质差的软土分布广泛，如沿海的海相软土、长江流域的河漫滩相软土、各种湖泊的湖积相软土等，这些地区往往经济发展较快，市政、道路、铁路等基础设施建设日新月异，对岩土工程勘察提出了更高的要求。固结系数是进行土体固结沉降计算的控制性指标，土的固结系数越大，土体内孔隙水排出越快，土层固结就越快，它们之间的关系很密切。因此土体的固结系数是准确计算土体固结沉降速率及其发展过程的关键参数。

目前在原位测试试验中，可通过孔压静探消散试验测定土的水平向固结系数，但孔压探头的孔压过滤器存在涂抹效应、难完全饱和、堵塞等问题，这些问题增加了孔压消散试验的操作难度和降低了获取水平固结系数的准确性。

扁铲侧胀试验是一种先进的原位测试技术，在国内外得到广泛的应用，适用于软土、饱和黏性土、松散～中密砂类土及粉土等，可用于判定土层名称与状态、确定饱和黏性土的不排水杨氏模量、静止侧压力系数、水平基床系数等。扁铲侧胀试验不存在涂抹效应、难完全饱和、堵塞等问题，而且根据国内外的研究成果，在饱和软黏土中，扁铲侧胀试验测试的c值就是测试的孔隙水压力。然而，目前并没有利用c值的消散试验测定土体的水平固结系数的深入研究。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用扁铲侧胀c值消散试验测试饱和软黏土水平固结系数的方法。

为实现上述目的，本发明一种利用扁铲侧胀c值消散试验测定饱和软黏土水平固结系数的方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：

1)进行扁铲侧胀c值消散试验，采集试验时间内的若干个扁铲侧胀ct值，其中下标t表示时间；

2)根据所采集数据绘制消散曲线；

3)根据所述曲线确定初始状态值c0与稳定状态值c100；

4)确定扁铲侧胀c值消散试验消散50％的时间t50-c；

5)计算水平固结系数ch：

式中：t50-c——扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间；

t^*50-c——扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数；

r——扁铲侧胀仪探头的等效半径；

ir——土体的刚度指数ir＝g/su，g为土的不排水剪切模量，su为土的不排水抗剪强度。

优选地，所述步骤1)中扁铲侧胀c值消散试验结束的判断标准为：

式中：c1——扁铲侧胀c值消散试验起始采集时刻读取的c值；

ct——扁铲侧胀c值消散试验t时刻读取的c值；

δa——空气中扁铲侧胀仪探头标定值；

uw——试验场地的静止水压力。

优选地，所述步骤3)中初始状态值c0的确定方法为：将消散曲线前端直线段延伸，与表示时间t的纵坐标相交，交点对应的横坐标值即为初始状态值c0。

优选地，所述步骤3)中稳定状态值c100的确定方法为通过试验场地的静止水压力uw计算：

c100＝uw-δa。

式中：δa——空气中扁铲侧胀仪探头标定值；

uw——试验场地的静止水压力。

优选地，所述步骤4)中扁铲侧胀c值消散试验消散50％的时间t50-c的确定方法为：计算扁铲侧胀c值消散试验消散50％的c值c50＝(c0+c100)/2，在消散曲线中与c50对应的时间即为t50-c。

优选地，所述步骤5)中扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数t^*50-c的取值为0.2570。

优选地，所述方法的适用条件为饱和软黏土。

本发明解决的关键技术是：1、确定扁铲侧胀c值消散试验方法。2、建立扁铲侧胀c值消散试验计算水平固结系数的方法。3、扁铲侧胀c值消散试验计算水平固结系数的方法中关键参数的确定方法。4、通过对比试验确定扁铲侧胀c值消散试验计算水平固结系数方法中的关键参数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：不存在孔压过滤器的相关问题，如涂抹效应、难完全饱和、堵塞等问题，降低了试验的操作难度和提高了获取水平固结系数的准确性。本发明在不增加测试技术手段的前提下，解决了利用扁铲侧胀试验直接测试饱和软黏土水平固结系数的问题，拓展了扁铲侧胀试验的应用功能，节约了勘察成本，提高了效率，效果明显。

附图说明

图1为消散曲线。

图2为孔压消散理论曲线图。

图3扁铲侧胀c值消散实测曲线与孔压消散理论曲线典型拟合图。

图4a地区扁铲侧胀c值消散时间t50-c与u2型孔压消散时间t50-u2线性回归分析图。

图5b地区扁铲侧胀c值消散时间t50-c与u1型孔压消散时间t50-u1线性回归分析图。

图6c地区扁铲侧胀c值消散时间t50-c与u1型孔压消散时间t50-u1线性回归分析图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明一种利用扁铲侧胀c值消散试验测定饱和软黏土水平固结系数的方法，包括如下步骤：

1)进行扁铲侧胀c值消散试验，采集试验时间内的若干个扁铲侧胀ct值，其中下标t表示时间；

2)根据所采集数据绘制消散曲线；

3)根据所述曲线确定初始状态值c0与稳定状态值c100；

4)确定扁铲侧胀c值消散试验消散50％的时间t50-c；

5)计算水平固结系数ch：

式中：t50-c——扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间；

t^*50-c——扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数；

r——扁铲侧胀仪探头的等效半径；

ir——土体的刚度指数ir＝g/su，g为土的不排水剪切模量，su为土的不排水抗剪强度。

本发明在试验场地实施的具体过程如下：

(1)安装设备：平整试验场地，安装扁铲侧胀试验贯入设备，对设备进行调平，保证在贯入过程中探杆的垂直度符合要求。

(2)扁铲侧胀仪探头标定。

①在空气中大气压力下，扁铲侧胀仪探头、标定气压计与扁铲侧胀试验测控箱相连。

②关闭扁铲侧胀试验测控箱排气阀，用标定气压计对扁铲侧胀仪探头抽气，待测控箱蜂鸣器响起时停止抽气，然后用标定气压计缓慢加压，直至蜂鸣器响声停止时，读取测控箱压力表压力值，记为δa。

(3)进行扁铲侧胀c值消散试验。

①扁铲侧胀仪探头贯入到试验深度后，启动秒表开始计时，并开始按扁铲侧胀试验操作方法读取c值。在读取c值时，要记下读数时的时间t。在时间t读取c值之前需对扁铲侧胀试验测控箱压力表调零。为了获取光滑的c值消散曲线，排气速率应均匀且较缓慢。

②在不同时间(0.5、1、2、4、8、15、30、60……min)重复上述操作读取不同时间段的c值ct。

③试验结束判断标准：

式中：c1——扁铲侧胀c值消散试验起始采集时刻读取的c值；

ct——扁铲侧胀c值消散试验t时刻读取的c值；

δa——空气中扁铲侧胀仪探头标定值；

uw——试验场地的静止水压力。

(4)绘制扁铲侧胀c值消散曲线：根据扁铲侧胀c值消散试验测试数据绘制曲线(见图1)。

(5)确定扁铲侧胀c值消散曲线初始状态值c0与稳定状态值c100。

①由于消散曲线的前端具有线性特征，将消散曲线前端的直线段向外延伸，与表示时间t的纵坐标相交，交点t＝0处对应的横坐标值即为初始状态值c0，通过消散前期的数据点连一条直线就可以实现了(见图1)；

②通过静止水压力uw来计算消散曲线的稳定值c100＝uw-δa。

(6)确定消散50％的时间t50-c：从扁铲侧胀c值消散曲线读取c100＝(c1+c100)/2对应的时间即为t50-c。

(7)计算水平固结系数ch：

式中：t50-c——扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间；

t^*50-c——扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数；

r——扁铲侧胀仪探头的等效半径，r²＝6cm²；

ir——土体的刚度指数ir＝g/su，g是土的不排水剪切模量，su是土的不排水抗剪强度。

(8)确定适用条件：式(2)适用于饱和软黏土。

扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数t^*50-c参数研究

通过开展扁铲侧胀c值消散试验与孔压消散试验的对比试验确定时间因数t^*50-c参数：

①通过扁铲侧胀c值消散试验实测消散曲线分别与孔压消散理论4条理论曲线(见表1与图2)进行拟合，选择一条近似程度最高的孔压消散理论曲线对应的时间因数t^*50-u计算扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数t^*50-c。

表1孔压消散4条理论曲线时间因数t^*表

②时间因数t^*50-c按下式计算：

式中：t50-u——与实测扁铲侧胀c值消散曲线近似程度最高的孔压消散理论曲线对应的孔压消散试验消散50％对应的时间；

t^*50-u——与孔压消散试验的消散时间t50-u对应的时间因数，通过查表1得到；

r——扁铲侧胀仪探头的等效半径(r²＝6cm²)；

r0——孔压静力触探探头半径(对于截面为10cm²的探头，)。

从式(3)中可以看出，r、r0及t^*50-u是已知的，只要通过对比试验得出的比值，就可以求出t^*50-c。

③依托高速铁路工程勘察，分别选择a地区、b地区、c地区的饱和软黏土层开展扁铲侧胀c值消散试验与孔压消散试验的对比试验。a地区对比试验14组，b地区对比试验11组，c地区对比试验8组。

根据3个试验场地33组实测数据发现：扁铲侧胀c值实测消散曲线与u2型孔压消散理论曲线拟合相似程度最高，其次是u1型孔压消散理论曲线(见图3)，因此可以采用u2型孔压消散理论曲线(或可采用u1型孔压消散理论曲线)对应的时间因数通过对比试验确定扁铲侧胀c值消散曲线的时间因数t^*50-c。

a地区扁铲侧胀c值消散试验与u2型孔压消散试验对比试验14组，t50-c＝1.9808t50-u2，相关系数r²＝0.895，相关性良好(见图4)，按公式(3)计算得t^*50-c＝0.2575；b地区扁铲侧胀c值消散试验与u1型孔压消散试验对比试验11组，t50-c＝4.160t50-u1，相关系数r²＝0.883，相关性良好(见图5)，按公式(3)计算得t^*50-c＝0.2604；c地区扁铲侧胀c值消散试验与u1型孔压消散试验对比试验8组，t50-c＝4.047t50-u1，相关系数r²＝0.973，相关性良好(见图6)，按公式(3)计算得t^*50-c＝0.2533。

从上述数据可知，三个试验场地对比试验计算得到的t^*50-c基本一致，可取其平均值作为公式(2)计算水平固结系数的t^*50-c参数，即t^*50-c＝(0.2575+0.2604+0.2533)/3＝0.2570。从而确定扁铲侧胀c值消散试验消散50％对应的时间因数t^*50-c的取值为0.2570。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以设计出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。