一种基于孔压静力触探试验的黏性土不排水抗剪强度估算方法与流程

本发明涉及一种估算方法，具体为一种基于孔压静力触探试验的黏性土不排水抗剪强度估算方法，属于岩土工程勘察中岩土参数评价领域。

背景技术：

1、黏性土的不排水抗剪强度是海上风电工程设计中重要的力学参数之一，抗剪强度指标不仅与土的种类有关，还与土样的结构性，试验时的排水条件等因素相关，因此如何较为精确地估算土体的不排水抗剪强度已成为亟待解决的问题。常用的确定土体不排水抗剪强度方法为室内土工试验，该方法无法避免取样对土样的扰动，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不排水抗剪强度，对土样的扰动性小，该方法缺点在于无法直接测得黏土强度，需要依赖cptu解译获取相应的黏土强度。已有规范对于不排水抗剪强度提供了估算公式，但实际应用过程中估算公式往往与地区经验相关，因此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可以较为准确地得到土体的不排水抗剪强度，能够为当地海域的海洋工程项目提供依据和技术支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于孔压静力触探试验的黏性土不排水抗剪强度估算方法，能够较准确的估算黏性土不排水抗剪强度。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于孔压静力触探试验的黏性土不排水抗剪强度估算方法，包括以下步骤：

3、s1、导入静探数据贯入深度h、孔压静力触探qc、探头面积比系数α以及三轴固结不排水压缩cu试验值，判定土体类别，基于上述数据确定修正锥尖阻力qt、上覆土体总应力σv、上覆有效应力σ′v以及孔压参数比bq；

4、s2、基于国内外学者推荐方法以及推荐的经验参数，利用上环节数据进行初步计算黏性土不排水抗剪强度，利用初始计算的土体不排水抗剪强度值形成带平滑线的散点图，并根据土工试验实测值绘制散点图；

5、s3、对数据进行预处理，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；

6、s4、考虑剪胀效应的影响，将不合适用于预测黏性土不排水抗剪强度的方法剔除，对余下公式进行修正，得到修正过的估算黏性土不排水抗剪强度关系式，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不排水抗剪强度的估算。

7、优选的，为了快速的得到静探数据，所述步骤s1中静探数据由以下静探试验设备所得：

8、本次研究针对5个不同风机机位处的钻探孔，孔压静力触探试验孔编号依次为jt5、jt21、jt27、jt56、jt62，孔的间距一般在6.0m内,勘察采用了从荷兰进口的范登堡静力触探试验系统，探头型号共有3种，分别为i-cfxyp20-15、i-cfxyp100-15、i-c2xfxyp100-10，探头面积比系数α为0.75。

9、优选的，为了快速估算剪切位置的应力，进行三轴cu试验时，取主应力差(σ1-σ3)与轴向应变(ε1)关系曲线上峰值及轴向应变为15％对应的值二者中的较小值作为剪切破坏点，剪切强度su试验值取为主应力差(σ1-σ3)的50％。

10、优选的，为了对黏性土的不排水抗剪强度进行快速的初步计算，所述步骤s2包括：根据步骤s1中所得初始数据，根据以下公式计算黏性土不排水抗剪强度su：

11、

12、式中，nkt为经验圆锥系数，nkt为与土的塑性指数ip密切相关，通常某一地区的nkt值应被确定为一常数，并给出上下限值，robertson建议nkt取值范围为10～18，国内东南大学cptu课题组的研究取值范围为11～19，mayne和peuchen等人提出按以下公式计算经验圆锥系数：

13、nkt＝10.5-4.6·ln(bq+0.1)

14、上述方法称为修正锥尖阻力法，初次计算中，nkt分别以取值25以及mayne和peuchen公式进行计算；

15、

16、式中，待定参数a为正常固结土不排水抗剪强度与有效竖向应力比值，一般可取0.25～0.33；b为反映超固结比ocr对黏土不排水强度影响的经验参数，一般可取0.65～1.0；k为经验参数，对于正常固结土，变化范围通常为0.2～0.5之间，平均值约0.3，可通过土工试验与静探数据拟合而得；

17、上述方法称为应力历史法，经验系数a、b在不同区域有较大差异，需事先采用室内模型试验或通过未扰动土样的三轴不排水试验标定，初次计算中参数取值如下：a＝0.30，b＝0.69，k＝0.13；

18、基于初次计算的不排水抗剪强度值以及土工试验实测值，绘制滨海场地不排水抗剪强度su与贯入深度h的关系示意图。

19、优选的，为了对数据进行预处理，所述步骤s3具体为：对计算公式选用以下评价因子进行误差分析：

20、均方根偏差

21、

22、相关系数

23、

24、纳什效率系数

25、

26、决定系数

27、

28、对于本工程实例，xi为三轴cu试验值，yi为经验公式的拟合值，评价原则如下：

29、a1、rmsd因子的取值范围为(0，+∞)，若rmsd计算结果接近0，代表此经验公式拟合效果好，反之拟合效果差；

30、a2、rxy因子的取值范围为(-1,1)，若rxy计算结果接近0，说明经验公式拟合值与土工试验报告值相关性小；若rxy计算结果接近1，说明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)；

31、a3、nse因子的取值范围为(-∞,1)，若nse接近1，表示模型可信度高；若nse接近0，表示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；

32、评判主要依据nse值，并通过rmsd、rxy(r2)辅助判断，即当nse接近1，该方法为最优方法，其计算结果与三轴cu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。

33、优选的，为了塑造修正预测模型，所述步骤s4包括修正参数a、b、k以及nkt如以下子步骤所示：

34、n1、目标单元格选择构建的目标函数nse所在单元格($ch$2)，目标选择设置到最大值；

35、n2、选择可变单元格选择待定系数a、b、k所在单元格($aw$1,$aw$2,$aw$3)；

36、n3、设定可变单元格的约束条件所示；

37、n4、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；

38、n5、求解得a、b、k值、停止求解；

39、n6、目标单元格选择构建的目标函数nse所在单元格($ax$2)，目标选择设置到最大值；

40、n7、选择可变单元格选择待定系数nkt所在单元格($au$1)；

41、n8、设定可变单元格的约束条件；

42、n9、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；

43、n10、求解得nkt值、停止求解。

44、上述子步骤将拟合目标值设定为三轴cu试验值，通过改变经验公式中的经验系数，如修正锥尖阻力法中的nkt值，及应力历史法中的a、b、k值，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；

45、考虑到剪胀效应的存在，mayne和peuchen公式中孔压参数比bq部分小于-0.1，不符合实际情况，因此该方法在实际工程中不应优先予以使用，在此舍去；

46、在新预测公式的基础上，绘制净锥尖阻力qnet与不排水抗剪强度su的关系示意图以及21#风机地段不排水抗剪强度su与贯入深度h的关系示意图。

47、优选的，为了提高模型规划效率，所述步骤s4后还包括步骤s5，针对黏性土，通过规划求解数学方法，提出基于孔压静力触探试验的基于孔压静力触探试验的黏性土不排水抗剪强度估算方法，所述步骤s5如下：

48、对于修正锥尖阻力法

49、，

50、不排水抗剪强度估算公式经验系数为：nkt＝11.97，推荐nkt上下限值分别取14、10；

51、对于应力历史法

52、

53、，不排水抗剪强度估算公式经验系数为：a＝0.21,b＝1.20,k＝0.35。

54、本发明的有益效果是：本发明基于常规的孔压静力触探试验，能够较为便捷地测量出黏性土不排水抗剪强度，方便实际工程使用；本发明通过对比三轴固结不排水cu试验结果，使测量黏性土不排水抗剪强度的精确度明显提高。