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孔隙水压力静力触探(简称孔压静探)是上世纪七十年代发展起来的一项土体原位测试技术。这一技术是把测孔隙水压力的传感元件与标准静力触探组合在一起,能在测定锥尖阻力qc和侧壁摩阻力fs的同时,量测探头贯入时土体中的孔隙水压力u,以及能在探头停止贯入后,量测超孔隙水压力△u随时间的消散过程。
孔压静探有着其它勘测技术不可比拟的优势,它划分土层精度高,可修正孔压对qc和fs的影响,还能用来计算土层的渗透系数、固结系数以及超固结比等重要土性参数,也可进行有效应力分析等。它还具有快速、连续、直观、经济等众多优点。由于该项技术的这些突出优点,在国际上得到迅速的发展。
然而,至今对孔压静探测试结果的分析应用绝大部分还停留在经验、半经验公式基础上,其测试机理还不十分清楚,机理研究仍处于探索阶段,这必然会阻碍它在工程实践中的应用。只有理论才能解决本质问题,只有弄清测试机理,才能提高测试精度,从而求解到令人信服的参数,才能使孔压静探进一步发展。
论文首先介绍了孔压静力触探的发展过程,然后介绍了目前对孔压静力触探机理的研究。大部分已知的理论解是在饱和粘土中不排水贯入条件下或纯砂中排水条件下得到的。这些理论可归结为以下几类:①承载力理论;②孔穴扩张理论;③应变路径法;④应力路径法;⑤有限元法。
在前人研究成果的基础上,通过理论分析,从三维渗流固结轴对称课题的角度出发,建立物理模型,对孔压静探测试土层渗透系数的机理进行研究,从理论上探索孔压探头贯入土层时产生的超孔隙水压力在贯入停止后的消散规律,及其与土层渗透系数之间的定量关系,探索利用孔压静探原位测试新技术直接求取粘性土层渗透系数的方法。
模型试验是本文的重点部分。本文在借鉴前人所做模型试验的基础上,结合目前的测试条件,以孔隙水压力元件和土压力盒作为量测的基本手段,以粘土作为填料,在室内进行了孔压静探测试机理的模型槽试验。通过模型槽试验,主要研究以下几个方面的内容:1)探头贯入过程中时,探头周围土体中超孔隙水压力的变化及分布;2)停止贯入后,超孔压消散过程中探头周围土体中的超孔压变化规律;3)探头贯入过程中,锥尖阻力和侧壁摩阻力随深度的变化.
根据模型槽试验中所取得的孔压数据,分析其随时间的变化规律,由超孔压的消散曲线来求取土的渗透系数,分析其影响因素;考虑到土的水平向和垂直向渗透系数的不同,在模型槽试验结束后分别取样进行室内渗透试验,并与孔压静探取得的结果相比较,研究它们之间的联系。
通过以上分析和研究,本文得出了以下结论:
1.孔压静力触探估算粘性土层渗透系数公式Kh=γw/2.3σv0·RR·Ch;
2.模型试验结果证实在粘土中不存在临界深度现象;
3.初始超孔压的大小与探头贯入速度有关,随贯入速度的增加而增大;
4.模型试验测得探头贯入产生的超孔压有一定的影响范围,其水平向影响半径为24~28cm,为孔压探头半径14~16倍;垂向影响半径在40cm附近,为孔压探头半径22~23倍;
5.由超孔压消散曲线得出,靠近探头的孔压元件的超孔压消散速率比远离探头的孔压元件消散速率大;
6.模型试验中,孔压探头和孔压元件都出现了明显的初始超孔压上升现象,这一现象与土体固结的Mandel-Cryer效应有关;
7.孔压探头所测数据求出的水平向渗透系数平均值大于孔压元件所测数据求出的水平向渗透系数平均值,前者为后者的1.57倍;
8.室内渗透试验求出的水平向渗透系数平均值大于垂向渗透系数平均值,前者为后者的1.62倍;
9.在本次试验中,孔压静探求出的水平向渗透系数要比室内渗透试验求出的水平向渗透系数大一个数量级。