一种全流贯入仪承载力系数标定装置及方法

本发明涉及岩土工程，具体是一种全流贯入仪承载力系数标定装置及方法。

背景技术：

1、全流贯入仪（常用的包括t形贯入仪和球形贯入仪）由于能够获取软土贯入阻力随深度连续变化的规律，因此已经广泛应用于海底原位软土以及室内软土不排水抗剪强度的测试中。全流贯入仪的探头表面通常进行磨砂处理，保证接触面粗糙，增大贯入阻力，提高软土不排水抗剪强度测试精度。全流贯入仪能测试其在软土中连续贯入受到的贯入阻力随深度的变化，通常采用以下公式估算土体的不排水抗剪强度：

2、

3、其中，p表示探头贯入阻力，n 表示全流贯入仪承载力系数，a表示探头在贯入土体中的最大投影面积 ，表示不排水抗剪强度。

4、早期学者推荐采用randolph 和houlsby的水平受荷桩极限解答确定t形贯入仪的承载力系数，根据桩表面粗糙度的不同，其变化范围为9.1~11.9，两者相差31%。这是因为t形贯入仪在插入土体过程中周围土体的塑性流动与桩承受水平荷载时周围土体破坏机理一致，为简化计算，大多数学者采用承载力系数的平均值10.5进行估算，球形贯入仪也采用了t形贯入仪一样的承载力系数取值标准。由于没有考虑全流贯入仪探头表面粗糙度的影响，严重影响了土体不排水抗剪强度值的准确估算。因此有必要开展全流贯入仪承载力系数标定方法的研究。

5、目前，有关全流贯入仪承载力系数的标定方法尚未见报道。类似能够测试土体连续强度的cptu贯入仪的研究较多，根据《水运工程静力触探技术规程》（jts/t 242-2020）规定，可以采用室内直接快剪、固结快剪、三轴不固结不排水试验、无侧限抗压等室内试验以及现场十字板剪切试验结果来标定cptu的贯入承载力系数。但是以上室内试验所测试土体需要根据《土工试验规范标准》单独制备土样，然后在直接剪切仪、三轴压缩仪、无侧限仪等仪器开展剪切试验，与cptu测试的土样不一致，两者土样结构性差异较大导致标定的cptu承载力系数范围很大，最大值可以是最小值的2倍不止，由此导致的土体不排水强度的估算误差很大。现场十字板剪切试验较好的规避了这一问题，但是目前尚没有适合的室内标定方法。

6、随着海洋岩土工程的深入发展，学者们对全流贯入仪承载力系数的精度提出了更高的要求，因此提出一种能够在室内实现原位应力水平，快速、便捷的获得精确的全流贯入仪承载力系数的全流贯入仪承载力系数标定装置和方法很有必要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种全流贯入仪承载力系数标定装置及方法，能够在室内实现原位应力水平下全流贯入仪承载力系数的标定，能够快速、便捷的获得精确的全流贯入仪承载力系数。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种全流贯入仪承载力系数标定装置，包括模型箱，用于制备盛装土样；

4、加压组件，用于对模型箱内的土样进行固结；

5、强度测量组件，用于通过剪切试验测定模型箱内土样的不排水抗剪强度，以及采集全流贯入仪贯入土样过程中的贯入阻力数据；

6、计算机系统，用于控制强度测量组件和全流贯入仪的运转，并基于强度测量组件获取的土体的不排水抗剪强度和全流贯入仪贯入土样过程中的贯入阻力数据反推全流贯入仪承载力系数。

7、结合第一方面，进一步的，模型箱开设有试验口，试验口处设有工作平台，强度测量组件连接于工作平台上。

8、结合第一方面，进一步的，模型箱包括桶状本体，桶状本体靠近底部设置有排水阀，桶状本体底部铺设砂垫层，土样铺设于砂垫层上，砂垫层厚度高于排水阀的安装高度。

9、结合第一方面，进一步的，加压组件包括：外形与模型箱内部相匹配的加载板、用于驱动加载板对土样施加压力的第一驱动机构。

10、结合第一方面，进一步的，加载板上设有凸起部，加载板通过凸起部与第一驱动机构传动连接；加载板上环绕凸起部设有多个肋条。

11、结合第一方面，进一步的，强度测量组件包括十字板剪切仪、第二驱动机构、位移传感器和导向杆；

12、十字板剪切仪用于对土样进行剪切试验；

13、全流贯入仪能够在第二驱动机构的驱动下将探头贯入和拔出土样，位移传感器用于检测探头的实际贯入深度；

14、导向杆用于控制全流贯入仪贯入土样过程中的转动和偏向；

15、加载板上开设有多个开闭状态可控的试验孔，试验孔至少能够使十字剪切仪的十字板头和全流贯入仪的探头通过。

16、结合第一方面，进一步的，第二驱动机构包括液压缸、液压泵、伺服放大器和伺服阀，计算机系统将命令信号发送给伺服放大器，伺服放大器产生相应的理论位移信号，与位移传感器测量到的实际位移信号进行核对比较，伺服阀根据理论位移信号与位移传感器测量到的实际位移信号的偏差控制液压泵运作，液压泵将压力能转化为机械能驱动液压缸运动。

17、第二方面，本发明提供一种全流贯入仪承载力系数的标定方法，包括如下步骤：

18、对土样进行剪切试验，测定土样的不排水抗剪强度；

19、驱动全流贯入仪贯入土样采集全流贯入仪的贯入阻力数据；

20、基于剪切试验测定的土样的不排水抗剪强度和全流贯入仪贯入土样过程中采集的贯入阻力数据反推全流贯入仪承载力系数。

21、结合第二方面，进一步的，利用十字板剪切仪对土样进行剪切试验，获取土样的不排水抗剪强度，具体包括：

22、利用十字板剪切仪在土样若干个不同试验孔的同一深度进行剪切，获取若干个不同试验孔的同一深度处的土样的不排水抗剪强度，将若干个不同试验孔同一深度处的土样的不排水抗剪强度的平均值作为当前深度土样的不排水抗剪强度；

23、贯入阻力数据包括作用在全流贯入仪的探头上的探头贯入阻力。

24、结合第二方面，进一步的，驱动全流贯入仪贯入土样采集全流贯入仪的贯入阻力数据,具体包括：

25、利用全流贯入仪在若干不同试验孔处贯入土样至与剪切试验的同一深度，采集若干不同试验孔此深度处的全流贯入仪的探头贯入阻力；对若干个不同试验孔此深度处的全流贯入仪的探头贯入阻力取平均值，获取这一深度的全流贯入仪的探头贯入阻力；

26、所述方法还包括：

27、重复获取多组全流贯入仪承载力系数，取多组全流贯入仪承载力系数的平均值作为全流贯入仪最终标定的承载力系数。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、本发明提供的全流贯入仪承载力系数标定装置及方法，能够在室内实现原位应力水平下全流贯入仪承载力系数的标定，能够快速、便捷的获得精确的全流贯入仪承载力系数。

30、本发明提供的全流贯入仪承载力系数标定装置，通过模型箱制备盛装土样，通过加压组件方便对模型箱内的土样进行固结，在室内模拟原位应力水平条件下的土样，通过强度测量组件能够快速的测定需要的数据，通过计算机系统计算承载力系数，操作简单，通过加压组件的第一驱动机构能够对模型箱内的土样施加稳定持续的高压进行排水固结，工作效率高，控制灵敏度高、响应速度快，通过尺寸较大的模型箱可以制备大尺寸土样，对同一个土样进行多个试验孔处的试验，减小各试验孔间的扰动造成的干扰，通过模型箱底部铺设砂垫层、出水口连接排水阀，控制土样的排水固结情况，通过加载板上设有多个开闭状态可控的试验孔，能够在不卸除竖向固结应力的条件下开展试验；试验孔的开关对试样表面扰动小且不影响土样的正常固结，通过第二驱动机构能够精准的控制液压缸运动；

31、本发明提供的全流贯入仪承载力系数标定方法，通过土体不排水抗剪强度的计算公式以及土样在同一深度处的抗剪强度相同的条件，利用十字板剪切仪和全流贯入仪反馈的数据精准标定全流贯入仪承载力系数，通过对土样施加不同的应力，模拟不同原位应力水平下的土样，可标定多个应力水平下的全流贯入仪承载力系数，在同一个土样中进行试验，较好的规避了土体结构性差异对标定结果的影响，同一试样的多组实验的标定结果取均值能够获得更加真实可靠的全流贯入仪承载力系数。