CN102995616A

CN102995616A - 一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件

Info

Publication number: CN102995616A
Application number: CN2012105840425A
Authority: CN
Inventors: 蔡国军; 张涛; 刘松玉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2013-03-27

Abstract

本发明公布了一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，该元件的顶部为圆形空心轴杆（1），圆形空心轴杆（1）的下方依次设有四个相互间隔的新型侧壁摩擦套筒（2）（包括2.1、2.2、2.3、2.4四种表面粗糙度不同的侧壁摩擦筒），四个新型摩擦筒（2）的内壁均设有单独的荷载传感器（6），表面分布有不同数量和间距的菱形突起（7），新型侧壁摩擦筒（2）的下方依次为常规侧壁摩擦筒（3）、孔压过滤环（4）以及锥形探头（5）。该元件具有简单、可重复、易操作等特点，为深基础、摩擦桩、挡土墙等地下结构设计以及土体识别、土层分界面判定等提供强有力的检测工具。

Description

一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件

技术领域

本发明涉及一种多套筒CPT元件，属于岩土工程领域中一种能够原位、连续、准确、定量地测试岩土材料接触面摩阻力的静力触探装置。

背景技术

岩土工程领域内，有关岩土材料接触面摩阻力的研究变得越来越重要。准确、有效的预测岩土材料接触面间的摩阻力对于上部结构与下部土体之间的荷载传递机理研究十分重要，同时摩擦桩、深基础、挡土墙等众多岩土工程结构物的正常使用性能也与土体接触面间的摩阻力密切相关。严格意义的设计方法要求上部结构能够将荷载合理的传递至岩土工程材料中，但有关岩土材料接触面摩阻力的计算却缺少相关认识，目前有关岩土材料接触面摩阻力的确定方法主要依赖于室内试验，通过室内试验测定土体的相关特性，并加以一系列的修正系数估算岩土材料接触面摩阻力。这种方法是经验的且修正系数很大程度上依赖于一系列工程因素的正确判断，如地表下土体的变异性、应力状态、岩土材料表面粗糙度等，使得预测结果精确度较差，难以满足相关研究和设计需要。因此提高岩土材料接触面摩阻力预测的精确度是十分必要的。静力触探原位测试技术避免了取样扰动、土样运输保管以及一系列繁琐的室内试验的缺陷，具有快速、方便、准确、连续等特点，为岩土材料接触面摩阻力的准确预测提供了有效的途径。

本发明基于常规CPT探头，提出一种简单、可重复、易操作的多套筒元件，为岩土材料接触面摩阻力的原位测试和土体识别、土层分界面判定等提供准确有效的评价工具。

发明内容

技术问题：本发明要解决的技术问题是针对目前国内无法进行岩土材料接触面摩阻力的原位测试，提出一种可用于岩土工程领域的原位定量测试岩土材料接触面摩阻力的有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件。

技术方案：本发明的一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，该元件的上部为圆形空心轴杆，圆形空心轴杆的下方依次设有四个相互间隔的表面粗糙度不同的第一侧壁摩擦套筒、第二侧壁摩擦套筒、第三侧壁摩擦套筒、第四侧壁摩擦套筒，该四个侧壁摩擦套筒的内壁均设有单独的荷载传感器，该四个侧壁摩擦套筒的表面分布有不同数量和间距的菱形突起，第四侧壁摩擦套筒的下方依次为常规侧壁摩擦筒、孔压过滤环以及锥形探头。

圆形空心轴杆的直径为43.7mm。

第一侧壁摩擦套筒、第二侧壁摩擦套筒、第三侧壁摩擦套筒、第四侧壁摩擦套筒的表面粗糙度自第一侧壁摩擦套筒至侧壁摩擦套筒逐渐递增，各侧壁摩擦套筒的长度均为110mm，两侧壁摩擦套筒的间距均为40mm，表面积均为150cm²。

所述第一侧壁摩擦套筒、第二侧壁摩擦套筒、第三侧壁摩擦套筒、第四侧壁摩擦套筒均为金属合金材料，表面分布有菱形突起，根据菱形突起的数量和间距，调整不同的表面粗糙度。

圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为15cm²，常规侧壁摩擦筒位于圆形空心轴杆中的长度为164mm，表面积为225cm²。

该多套筒元件总长度为1090mm。

有益效果：岩土工程实践中，岩土材料接触面摩阻力的评价非常重要。如摩擦桩的设计，由于传统光滑的侧壁摩擦筒难以真实反映桩与土体间的相互作用，一般采用锥尖阻力来确定桩体的设计承载力，这就大大降低了设计的经济性。现有岩土材料接触面摩阻力的测试方法主要局限于室内试验，然而受土体扰动、试验方法、经验修正系数等因素的影响，使得测试过程繁琐且精确度较差。本发明基于现有CPT测试装置，提出了一种多套筒CPT元件，解决了国内现有原位测试技术难以准确、定量、连续的测试岩土材料接触面摩阻力的缺陷，使得CPT原位测试技术能够更好的服务于岩土工程实践。

附图说明

图1是本发明的元件总体结构示意图；

图2是本发明单一侧壁摩擦筒的结构示意图；

图3是本发明侧壁摩擦筒表面的结构示意图；

其中有：圆形空心轴杆1、第一侧壁摩擦套筒2.1、第二侧壁摩擦套筒2.2、第三侧壁摩擦套筒2.3、第四侧壁摩擦套筒2.4、常规侧壁摩擦筒3、孔压过滤环4、锥形探头5、荷载传感器6、菱形突起7。

具体实施方式

本发明的可有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒CPT元件，该元件的顶部为圆形空心轴杆，圆形空心轴杆的下方依次设有四个相互间隔的新型侧壁摩擦套筒（包括四个表面粗糙度不同的新型侧壁摩擦筒），四个新型摩擦筒的内壁均设有单独的荷载传感器，表面分布有不同数量和间距的菱形突起，新型侧壁摩擦筒的下方为标准CPT探头，从上至下依次设置有圆形空心轴杆、常规侧壁摩擦筒、孔压过滤环以及锥形探头。

所述的新型侧壁摩擦筒类型为4种，数量为4个，高度为110mm，间距为40mm。

所述的圆形空心轴杆的直径为43.7mm，圆锥探头的锥角为60°，锥底截面积为15cm²，侧壁摩擦筒的高度为164mm、表面积为225cm²。

新型侧壁摩擦套筒表面粗糙度对于岩土材料接触面摩阻力的测试至关重要。常用定义粗糙度的参数为R_a，其表达式为：

R_{a} = \frac{1}{L} {&Integral;}_{0}^{L} | z | dx

式中，L为测试材料的长度，z为剖面以平均线为基准的绝对高度。

Uesugi和Kishida(1986)提出了一个归一化粗糙度指标R_n，计算式为：

R_{n} = \frac{R_{\max}}{D_{50}}

式中，D₅₀为平均粒径大小，R_max为测试材料长度L等于D₅₀剖面上最高点与最低点的绝对垂直距离。

采用归一化粗糙度指标R_n时，岩土材料表面粗糙度与摩阻力成双线性关系并存在一“临界粗糙度”。当表面粗糙度低于“临界粗糙度”时，接触面摩阻力随粗糙度的增加线性增加；当表面粗糙度高于“临界粗糙度”时，摩阻力逐渐传递至底部土体中，直至摩阻力降低至内部摩擦角大小或接触土体内摩擦强度。

现场原位测试按照美国试验与材料学会（ASTM）D5778-12标准，每1cm采集一次测试数据。数据分析通常采用多项式趋势函数法进行分析，一般采用计算机编程，使得计算过程简洁、计算结果直观。

Claims

1.一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，其特征在于该元件的上部为圆形空心轴杆（1），圆形空心轴杆（1）的下方依次设有四个相互间隔的表面粗糙度不同的第一侧壁摩擦套筒（2.1）、第二侧壁摩擦套筒（2.2）、第三侧壁摩擦套筒（2.3）、第四侧壁摩擦套筒（2.4），该四个侧壁摩擦套筒的内壁均设有单独的荷载传感器（6），该四个侧壁摩擦套筒的表面分布有不同数量和间距的菱形突起（7），第四侧壁摩擦套筒（2.4）的下方依次为常规侧壁摩擦筒（3）、孔压过滤环（4）以及锥形探头（5）。

2.根据权利要求1所述的一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，其特征在于圆形空心轴杆（1）的直径为43.7mm。

3.根据权利要求1所述的一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，其特征在于第一侧壁摩擦套筒（2.1）、第二侧壁摩擦套筒（2.2）、第三侧壁摩擦套筒（2.3）、第四侧壁摩擦套筒（2.4）的表面粗糙度自第一侧壁摩擦套筒（2.1）至侧壁摩擦套筒（2.4）逐渐递增，各侧壁摩擦套筒的长度均为110mm，两侧壁摩擦套筒的间距均为40mm，表面积均为150cm²。

4.根据权利要求1所述的一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，其特征在于所述第一侧壁摩擦套筒（2.1）、第二侧壁摩擦套筒（2.2）、第三侧壁摩擦套筒（2.3）、第四侧壁摩擦套筒（2.4）均为金属合金材料，表面分布有菱形突起，根据菱形突起的数量和间距，调整不同的表面粗糙度。

5.根据权利要求1所述的一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，其特征在于圆锥探头（5）的锥角为60°，锥底截面积为15cm²，常规侧壁摩擦筒（3）位于圆形空心轴杆（1）中的长度为164mm，表面积为225cm²。

6.根据权利要求1所述的一种有效识别岩土材料接触面摩阻力的多套筒静力触探元件，其特征在于该多套筒元件总长度为1090mm。