CN102943458A - 基于电阻率孔压静力触探的装置及饱和砂土剪胀性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于电阻率孔压静力触探的装置及饱和砂土剪胀性评价方法，该方法基于电阻率孔压静力触探装置，该装置的顶部为电源同轴电缆（1），电源同轴电缆（1）下方为绝缘材料（2）与环形电极（3）组成的电阻率传感器，在该电阻率孔压静力触探装置的下半部自上而下顺序连接有摩擦筒（4）和孔隙水压力传感器（5），在摩擦筒（4）的下方连接有孔压过滤环（7）和锥形探头（6）。该基于电阻率孔压静力触探的新方法具有原位、准确、方便、经济等特点，为岩土工程勘察与地基处理效果评估实践提供强有力的检测、评价工具。

Description

基于电阻率孔压静力触探的装置及饱和砂土剪胀性评价方法

技术领域

本发明涉及一种基于电阻率孔压静力触探评价饱和砂土剪胀性的新方法，属于岩土工程领域中一种能够直接、原位测试饱和砂土剪胀系数的静力触探装置。

背景技术

静力触探技术是指利用压力装置将带有触探头的触探杆压入试验土层，通过量测系统测试土的锥尖阻力、侧壁摩阻力等，可确定土的某些基本物理力学特性，如土的变形模量、土的容许承载力等。静力触探技术至今已有80多年的历史。国际上广泛应用静力触探，部分或全部代替了工程勘察中的钻探和取样。我国于1965年首先研制成功电测式静力触探并应用于勘察。近几年随着传感器技术的快速发展，出现了很多新的静力触探技术，这些技术能够快速、准确地获得土层的电阻率、孔隙水压力、地震波、污染物性状、温度等。目前准确评价砂土特性仍具有许多困难，尤其是对剪胀性的评价。室内试验难以取得典型无扰动试样、地下水取样测试耗时、耗力，这就使得对饱和砂土剪胀性的测试依赖于现场原位试验。电阻率孔压静力触探技术(RCPTU)就是常用的有效方法之一。电阻率孔压静力触探技术是在原有孔压静力触探技术(CPTU)基础上改进起来的，虽然RCPTU能够对土层的许多岩土工程特性进行详细的描述和评估，但是对饱和砂土的体积变化特性，如剪胀性评价，仍未得到较好的定义。

本发明基于电阻率孔压静力触探技术，提出了一种无需室内试验和地下水取样测试，快速、准确、方便评价饱和砂土剪胀性的新方法，为岩土工程勘察与地基处理效果评估实践提供了强有力的检测和评价手段。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对国内无法进行饱和砂土剪胀性的原位测试评价，提出一种基于电阻率孔压静力触探测试技术，可用于岩土工程领域评价饱和砂土剪胀性的基于电阻率孔压静力触探的装置及饱和砂土剪胀性评价方法。

技术方案：本发明的基于电阻率孔压静力触探的装置，其电阻率孔压静力触探装置顶端设有电源同轴电缆，在电源同轴电缆下方采用绝缘材料和环形电极组成的电阻率传感器，在该电阻率孔压静力触探装置的下半部自上而下顺序连接有摩擦筒和孔隙水压力传感器，在摩擦筒的下方连接有孔压过滤环和锥形探头。锥形探头规格符合国际标准。

本发明基于电阻率孔压静力触探的装置的顶部设有电源同轴电缆；在该电阻率孔压静力触探装置中部自上而下顺序设有绝缘材料和环形电极组成电阻传感器；电阻率孔压静力触探装置的下部设有侧壁摩擦筒，侧壁摩擦筒上设有孔隙水压力传感器，在孔隙水压力传感器下方连接有孔压过滤环，孔压过滤环的下部设有圆锥探头。

所述的孔压过滤环厚度为5mm，圆锥探头不等端面积比为0.8。

所述的圆锥探头的锥角为60°，锥底横截面直径35.7mm，锥底截面积为10cm²。

所述的侧壁摩擦筒的长度为133.7mm，表面积150cm²。

所述的环形电极的数量为5个，厚度为1.5mm，宽度为5mm，排列间距自上而下分别为30mm、19mm、40mm、30mm，分布于电阻率孔压静力触探装置的总长度为119mm。

本发明基于电阻率孔压静力触探的装置的饱和砂土剪胀性评价方法包括：假设土体为各向同性介质，根据土体电阻率与电阻的关系，得到土体电阻率ρ为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{A}{L}R=\mathrm{KR}=K\frac{V}{I}$

式中，V为两电极间电压（V），I为电路电流（A）；A为测试土体横截面积（m²），L为土体长度（m），K为与电极几何特性有关的标定系数，可以由室内恒温模型标定试验直接获得；

为了定量评价孔压静力触探贯入时饱和砂土的剪胀特性，需要建立一个与剪胀大小相关的参数，定义的剪胀系数D可表示为：

$D=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{b019}}{{\mathrm{\ρ}}_{b119}}$

式中，ρ_b019为间距19mm的两电极间即近势场测得的饱和砂土电阻率，ρ_b119为间距119mm的两电极间即远势场测得的饱和砂土电阻率；

$D={\left[\frac{n_{119}}{n_{019}}\right]}^m=f\left[\frac{{\left(\mathrm{Porosity}\right)}_{\mathrm{und}}}{{\left(\mathrm{Porosity}\right)}_{\mathrm{rem}}}\right]$

式中，n₀₁₉为间距19mm的两电极间即近势场的饱和砂土孔隙率，n₁₁₉为间距119mm的两电极间即远势场的饱和砂土孔隙率，(Porosity)_und为远势场中未扰动土体的孔隙率，(Porosity)_rem为近势场中重塑土体的孔隙率；

当D<1时，未扰动饱和砂土的孔隙率小于重塑饱和砂土的孔隙率，则表现为剪胀；当D>1时，未扰动饱和砂土的孔隙率大于重塑饱和砂土的孔隙率，则表现为剪缩。

有益效果：剪胀性是饱和砂土的重要基本特性之一。评价饱和砂土剪胀性的常用方法是室内试验，然而室内试验受取样技术的局限，难以获得典型的非扰动土样，试验结果的精确度和可靠度很难得到保证。因此，工程师们将注意力转向现场原位测试，电阻率孔压静力触探技术就是其中之一。虽然电阻率孔压静力触探技术解决了传统方法评价饱和砂土剪胀性的一些不足，但目前尚无根据静力触探测试结果对饱和砂土剪胀性评价的统一定义。

本发明基于电阻率孔压静力触探技术，提出了一种原位评价饱和砂土剪胀性的新方法，解决了国内现有评价方法的一些缺陷，能够原位、准确、方便、经济的评价饱和砂土的剪胀特性。使得电阻率孔压静力触探技术能够更全面的服务于岩土工程与环境岩土工程领域。

附图说明

图1是本发明的元件装置图；

其中有：电源同轴电缆1，绝缘材料2，环形电极3，摩擦筒4，孔隙水压力传感器5，锥形探头6，孔压过滤环7。

具体实施方式

如图1所示为本发明基于电阻率孔压静力触探的装置的结构图。顶部设有电源同轴电缆1；在该电阻率孔压静力触探装置中部自上而下顺序设有绝缘材料2和环形电极3组成电阻传感器；电阻率孔压静力触探装置的下部设有侧壁摩擦筒4，侧壁摩擦筒4上设有孔隙水压力传感器5，在孔隙水压力传感器5下方连接有孔压过滤环7，孔压过滤环7的下部设有圆锥探头6。

所述的环形电极3的数量为5个，厚度为1.5mm，宽度为5mm，排列间距自上而下分别为30mm、19mm、40mm、30mm。

所述的环形电极3分布于电阻率孔压静力触探装置的总长度为119mm。

通过电阻率传感器和内部电路系统，测试不同电极间的电压和电路电流，根据欧姆定律，得到土体的电阻R为：

$R=\frac{V}{I}---\left(1\right)$

式中，V为两电极间电压（V），I为电路电流（A）。

由于环形电极与土体的接触电阻较为复杂，为方便起见，假设土体为各向同性介质，根据土体电阻率与电阻的关系，得到土体电阻率ρ为：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{A}{L}R=\mathrm{KR}=K\frac{V}{I}---\left(2\right)$

式中，A为测试土体横截面积（m²），L为土体长度（m），K为与电极几何特性有关的标定系数，可以由室内恒温模型标定试验直接获得。

土体的电阻率由土骨架本身以及孔隙溶液的电阻率共同控制，对于饱和砂土而言，土体电阻率主要由孔隙中溶液的电阻率控制。根据Archie(1942)提出的电阻率结构因子F得到：

F＝ρ_b/ρ_f             (3)

式中，ρ_b为土体电阻率，ρ_f为孔隙液体电阻率。

将结构因子F转换成适用于饱和砂土且与土体孔隙率n相关的表达式为：

F＝An^-m                (4)

式中，A、m为相关常量，对于饱和砂土，A≈1，m≈1.5；对于细的粘性土，m可取1.8~3.0。

为了定量评价孔压静力触探贯入时饱和砂土的剪胀特性，需要建立一个与剪胀大小相关的参数，本发明定义的剪胀系数D可表示为：

$D=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{b019}}{{\mathrm{\&rho;}}_{b119}}---\left(5\right)$

式中，ρ_b019为间距19mm的两电极间（近势场）测得的饱和砂土电阻率，ρ_b119为间距119mm的两电极间（远势场）测得的饱和砂土电阻率。

由于环形电极与土体的接触电阻较为复杂，为方便起见，假设土体为各向同性介质，根据电阻率结构因子F的相关关系，联立（3）、（4）式，得到：

ρ_b＝ρ_f(An^-m)          (6)

将（6）式代入（5），则剪胀系数D可表示为：

$D=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{f}A{\left(n_{019}\right)}^{-m}}{{\mathrm{\&rho;}}_{f}A{\left(n_{119}\right)}^{-m}}---\left(7\right)$

进一步简化为：

$D={\left[\frac{n_{119}}{n_{019}}\right]}^m=f\left[\frac{{\left(\mathrm{Porosity}\right)}_{\mathrm{und}}}{{\left(\mathrm{Porosity}\right)}_{\mathrm{rem}}}\right]---\left(8\right)$

式中，n₀₁₉为间距19mm的两电极间（近势场）的饱和砂土孔隙率，n₁₁₉为间距119mm的两电极间（远势场）的饱和砂土孔隙率，(Porosity)_und为远势场中未扰动土体的孔隙率，(Porosity)_rem为近势场中重塑土体的孔隙率。

由（8）式可以得到：当D<1时，未扰动饱和砂土的孔隙率小于重塑饱和砂土的孔隙率，则表现为剪胀；当D>1时，未扰动饱和砂土的孔隙率大于重塑饱和砂土的孔隙率，则表现为剪缩。

上述剪胀系数D的定义与5个环形电极的间距密切相关。电阻率模型中，最小电极间距为19mm，最大间距为119mm。

剪胀系数D采用比值的形式，这就已经将饱和砂土的电阻率归一化。这种归一化剪胀系数D值在不同孔隙水介质中不受深度影响，因此，无需进行孔隙水取样测试。

Claims (6)

1.一种基于电阻率孔压静力触探的装置，其特征在于该装置的顶部设有电源同轴电缆（1）；在该电阻率孔压静力触探装置中部自上而下顺序设有绝缘材料（2）和环形电极（3）组成电阻传感器；电阻率孔压静力触探装置的下部设有侧壁摩擦筒（4），侧壁摩擦筒（4）上设有孔隙水压力传感器（5），在孔隙水压力传感器（5）下方连接有孔压过滤环（7），孔压过滤环（7）的下部设有圆锥探头（6）。

2.根据权利要求1所述的基于电阻率孔压静力触探的装置，其特征在于所述的孔压过滤环（7）厚度为5mm，圆锥探头（6）不等端面积比为0.8。

3.根据权利要求2所述的基于电阻率孔压静力触探的装置，其特征在于所述的圆锥探头（6）的锥角为60°，锥底横截面直径35.7mm，锥底截面积为10cm²。

4.根据权利要求3所述的基于电阻率孔压静力触探的装置，其特征在于所述的侧壁摩擦筒（4）的长度为133.7mm，表面积150cm²。

5.根据权利要求4所述的基于电阻率孔压静力触探的装置，其特征在于所述的环形电极（3）的数量为5个，厚度为1.5mm，宽度为5mm，排列间距自上而下分别为30mm、19mm、40mm、30mm，分布于电阻率孔压静力触探装置的总长度为119mm。

6.一种如权利要求5所述的基于电阻率孔压静力触探的装置的饱和砂土剪胀性评价方法，其特征在于该方法包括：

假设土体为各向同性介质，根据土体电阻率与电阻的关系，得到土体电阻率ρ为：

$\mathrm{\&rho;}=\frac{A}{L}R=\mathrm{KR}=K\frac{V}{I}$

式中，V为两电极间电压（V），I为电路电流（A）；A为测试土体横截面积（m²），L为土体长度（m），K为与电极几何特性有关的标定系数，可以由室内恒温模型标定试验直接获得；

为了定量评价孔压静力触探贯入时饱和砂土的剪胀特性，需要建立一个与剪胀大小相关的参数，定义的剪胀系数D可表示为：

$D=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{b019}}{{\mathrm{\&rho;}}_{b119}}$

式中，ρ_b019为间距19mm的两电极间即近势场测得的饱和砂土电阻率，ρ_b119为间距119mm的两电极间即远势场测得的饱和砂土电阻率；

$D={\left[\frac{n_{119}}{n_{019}}\right]}^m=f\left[\frac{{\left(\mathrm{Porosity}\right)}_{\mathrm{und}}}{{\left(\mathrm{Porosity}\right)}_{\mathrm{rem}}}\right]$

式中，n₀₁₉为间距19mm的两电极间即近势场的饱和砂土孔隙率，n₁₁₉为间距119mm的两电极间即远势场的饱和砂土孔隙率，(Porosity)_und为远势场中未扰动土体的孔隙率，(Porosity)_rem为近势场中重塑土体的孔隙率；

当D<1时，未扰动饱和砂土的孔隙率小于重塑饱和砂土的孔隙率，则表现为剪胀；当D>1时，未扰动饱和砂土的孔隙率大于重塑饱和砂土的孔隙率，则表现为剪缩。

Images