CN109680670A - 基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，包括：获取静力触探的若干已知测试分量；根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体的内摩擦角；根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论，以及所述静力触探的若干基本参数和所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；根据临界状态土力学理论以及上述土体的内摩擦角和超固结比，获取所述土体的不固结不排水强度。与现有技术相比，上述方法增加了土工参数的解释种类，丰富了静力触探的使用范围，且消除了现有方法对经验系数的严重依赖，显著提高了土工参数的可靠性和准确性，可广泛应用于海洋工程领域。

Description

基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法及系统

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其是基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法及系统。

背景技术

CPT：Cone Penetrometer Testing，静力触探；

海洋工程开发需要获取海床土体客观的工程特性。但是，在海洋工程中特别是深水工程，由于高围压的释放、后续的土样运输和操作，土样的扰动是不可避免的。如何减少扰动对所测土工参数的影响，是海洋工程勘察有别于陆上工程的关键问题，而原位测试技术则是克服上述问题的重要手段，其中，静力触探是海洋工程勘察最为重要的原位测试技术。

现有传统的CPT解释方法中，采用经验公式Su＝q_net/N_kt进行土体不固结不排水强度Su的解释，由于N_kt为一无量纲经验系数，且N_kt具有较大的变化范围，导致经验方法得到的土体不固结不排水强度具有显著的不确定性，严重影响在海洋工程中的应用。

发明内容

本发明旨在较大程度上解决相关环节的关键技术。为此，本发明的一个目的是提供一种可靠、准确的计算土体不固结不排水强度的方法及系统。

本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，所述方法包括：

获取静力触探的若干已知测试分量；

根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；

根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体内摩擦角；

根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；

根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。

优选的，所述静力触探的若干已知测试分量，包括：

锥尖阻力q_c、侧摩阻力f_s和超孔隙压力u₂。

优选的，所述静力触探的若干基本参数，包括：

一定深度处土体的上覆总压力σ_vo、一定深度处土体的上覆有效压力σ'_v0、所述静力触探的总锥尖阻力q_t、所述静力触探的净探头阻力q_net，所述静力触探的阻力系数N_m、相对于海床面土体中的静水压力u₀，土体超孔隙水压力系数B_q及土体刚度系数I_r。

进一步地，获取所述土体的内摩擦角Ф’，其中，所述内摩擦角Ф’可根据以下公式获得：

土体强度的截距α'＝c'·cotΦ'；

孔隙水承压因子N_u＝6·tanΦ'·(1+tanΦ')；

端承因子N_q＝tan²(45+Φ'/2)·exp[(π-2β)·tanΦ']；

归一化锥尖阻力因子

通过调整土体的内摩擦角Ф’进行迭代计算，当所述归一化锥尖阻力因子N_m与所述静力触探的阻力系数相一致时，可得到所述土体的内摩擦角Ф’，其中，β为土体的剪胀角。

进一步地，所述土体强度的固结度

M是土体临界斜率，可表示为：

M＝6·sinΦ'/(3-sinΦ')

其中，A为土体的塑性体应变比。

进一步地，所述土体不固结不排水强度Su可表示为：

另一方面，本发明还提供一种基于静力触探的土体不固结不排水强度计算系统，所述系统包括：

测试分量获取模块，用于获取静力触探的若干已知测试分量；

基本参数获取模块，用于根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；

内摩擦角获取模块,根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体的内摩擦角；

超固结比获取模块，用于根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；

不固结不排水强度获取模块，用于根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法及系统，通过首先获取静力触探的若干已知测试分量，根据所述已知测试分量,获取所述静力触探的基本参数，然后根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体的内摩擦角，进一步根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比，最后根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。采用上述手段，解决了现有技术中得到的土体不固结不排水强度高度依赖经验系数参数N_kt的问题，进而解决了获取到的土体不固结不排水强度具有较大的不确定性的问题；本方案在计算过程中避免了经验系数的出现，形成自满足的独立新型计算方法。

与现有技术相比，本方案增加了土工参数的解释种类，丰富了静力触探的使用范围，更重要的是，消除了现有方法对经验系数的依赖，提高了土工参数的可靠性和准确性，从而可以有效地用于海底基础设施(包括桩基、重力式基础、吸力锚、管线等)的设计及安装，提高工程效益并减少工程风险，可广泛应用于海洋油气、海洋风电等海洋工程领域。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例的流程示意图；

图2为本发明一实施例的示意图；

图3为本发明一实施例解释土体内摩擦角与高级土工试验结果的比较结果示意图；

图4为本发明一实施例解释土体超固结比与高级土工试验结果的比较结果示意图；

图5为本发明一实施例解释土体强度Su与高级和常规土工试验结果的比较结果示意图；

图6为本发明一实施例的系统示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本方案实施例提供的新算法，其通过小孔扩张理论和临界状态土力学理论的应用，在计算过程中避免了经验系数的出现，形成自满足的独立新型计算方法，可以获得土体内摩擦角(φ')、超固结比(OCR)，及不固结不排水强度(Su)等多个关键参数及次生参数的严谨解释。

如图1所示，本发明提供一种基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，所述方法包括：

获取静力触探的若干已知测试分量；

根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；

根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体内摩擦角；

根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；

根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。

其中，所述静力触探的若干已知测试分量，包括：

锥尖阻力q_c、侧摩阻力f_s和超孔隙压力u₂。

所述静力触探的若干基本参数，包括：

一定深度处土体的上覆总压力σ_vo、一定深度处土体的上覆有效压力σ'_v0、所述静力触探的总锥尖阻力q_t、所述静力触探的净探头阻力q_net，所述静力触探的阻力系数N_m、相对于海床面土体中的水压力u₀，土体超孔隙水压力系数B_q及土体刚度系数I_r。

进一步地，根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数之后，基于小孔扩张理论，获取以下关于土体的内摩擦角Ф’的计算：

获取所述土体的内摩擦角Ф’，其中，所述内摩擦角Ф’可根据以下公式获得：

土体强度的截距α'＝c'·cotΦ'；

孔隙水承压因子N_u＝6·tanΦ'·(1+tanΦ')；

端承因子N_q＝tan²(45+Φ'/2)·exp[(π-2β)·tanΦ']；

归一化锥尖阻力因子

通过调整土体的内摩擦角Ф’进行迭代计算，当所述归一化锥尖阻力因子N_m与所述静力触探的阻力系数相一致时，可得到所述土体的内摩擦角Ф’，其中，β为土体的剪胀角。

进一步地，根据所述静力触探的若干基本参数和前述的土体内摩擦角Ф’,基于临界状态土力学理论和小孔扩张理论，获取土体的超固结比(OCR),包括：

所述土体强度的固结度

M是土体临界斜率，可表示为：

M＝6·sinΦ'/(3-sinΦ')

其中，A为土体的塑性体应变比。

进一步地，根据临界状态土力学理论以及上述土体的内摩擦角和超固结比，所述土体不固结不排水强度Su可表示为：

具体地，其计算过程如下：

1、获取已知量

获取该计算方法的已知参数，其包括静力触探CPT的三个测试分量：如图2所示，锥尖阻力q_c、侧摩阻力f_s和超孔隙压力u₂，以及土体的总容重(γ)和有效容重(γ’)。这些已知量都是埋深z的变量。

此外，还有CPT的特征量α，及水的容重(γ_w),土体强度在p-q坐标系中的截距α’，土体的剪胀角β。

2、根据上述已知量,计算得到基本参数

根据已知量，计算基本参数：一定深度处土体的上覆总压力σ_vo,一定深度处土体的上覆有效压力σ'_v0，CPT的总锥尖阻力q_t，CPT的净探头阻力q_net，CPT阻力系数N_m、相对于海床面土体中的水压力u₀，土体超孔隙水压力系数B_q。上述计算如下：

一定深度处土体的上覆总压力为：

其中，γ为土体的总容重。

一定深度处土体的上覆有效压力：

其中，γ'为土体的总容重。

CPT的总锥尖阻力：

q_t＝q_c+u₂·(1-α)； (3)

CPT的净探头阻力：

q_net＝q_t-σ_v0； (4)

CPT阻力系数：

N_m＝Δ(q_t-σ_v0)/σ'_v0； (5)

相对于海床面土体中的水压力：

其中，γ_w为水容重。

土体超孔隙水压力系数：

B_q＝Δ(u₂-u₀)/Δ(q_t-σ_v0)； (7)

土体刚度系数I_r：

I_r＝Δ(q_t-σ_v0)/Δ(q_t-u₂)； (8)

其中，q_t和u₂分别是静力触探的探头阻力和土体超孔隙水压力；σ_vo是土体的竖向总压载，由总重度随埋深积分得到，u₀是土体内相对于海床表面的静止水压力，为水容重随埋深的积分。

3、计算土体内摩擦角

内摩擦角Ф’是定义土体强度的基本参数，在本实施例的计算中，可以假定土体的内摩擦角，进行以下计算：

土体强度在p-q坐标系中的截距α'＝c'·cotΦ'； (9)

孔隙水承压因子N_u＝6·tanΦ'·(1+tanΦ')； (10)

端承因子N_q＝tan²(45+Φ'/2)·exp[(π-2β)·tanΦ']； (11)

归一化锥尖阻力因子

其中,公式(12)是根据小孔扩张理论得到,上述通过迭代计算，调整Ф’值，根据上述公式(12)和公式(5)得到的N_m的数值大小一致时，则可得到土体真实的内摩擦角Ф’。

参照图3，图3为本发明一实施例解释土体内摩擦角与高级土工试验结果的比较结果示意图，由图3可知：基于本发明方法得到的土体内摩擦角随埋深变化与多种高级土工试验结果的吻合度较高。

4、计算土体的超固结比OCR

土体的超固结比OCR也是确定土体强度的重要参数，根据小孔扩张理论及临界状态土力学，OCR可以根据CPT的测试分量，依据以下公式计算得到：

由小孔扩张理论可得到:

q_t-σ_v0＝Su·[(lnIr+1)·4/3+1+π/2] (13)

Δu_out＝4/3·ln(Ir)·Su (14)

其中,Ir为土体的刚度指数，Δu_out为土体由于体积改变产生的孔隙水压力；

根据临界状态土力学理论，可以得到:

土体内由于剪切引起的孔隙水压力可表示为:

其中，A为土体的塑性体应变比，常用值为0.8，M是土体临界斜率，其可表示为:

M＝6·sinΦ'/(3-sinΦ') (17)

对于CPT的超孔隙压力u₂测试分量，存在以下关系:

u₂＝Δu_out+Δu_shear+u₀ (18)

根据上述公式进行推导计算,可得土体的固结度:

参照图4，图4为本发明一实施例解释土体超固结比与高级土工试验结果的比较结果示意图，由图4可知：基于本发明方法得到的土体超固结比随埋深的变化与高级土工试验结果的一致性较好。

5、计算土体不固结不排水强度Su

根据临界状态土力学理论，可计算土体不固结不排水强度Su：

参照图5，图5为本发明一实施例解释土体强度Su与高级和常规土工试验结果的比较结果示意，由图5可知：本发明方法得到的土体不固结不排水强度Su随埋深的变化与高级土工试验结果的一致性较好。相比而言，常规土工试验结果比较离散，且受土样扰动影响，数值偏低。上述比较凸显了本发明方法的优势。

本发明提供的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法及系统，通过首先获取静力触探的若干已知测试分量，根据所述已知测试分量,获取所述静力触探的基本参数，然后根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体的内摩擦角，进一步根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比，最后根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。采用上述手段，解决了现有技术中得到的土体不固结不排水强度高度依赖经验系数参数的问题，进而解决了获取到的土体不固结不排水强度具有较大的不确定性的问题；本方案在计算过程中避免了经验系数的出现，形成自满足的独立新型计算方法。

与现有技术相比，本方案增加了土工参数的解释种类，丰富了静力触探的使用范围，更重要的是，消除了现有方法对经验系数的严重依赖，显著提高了土工参数的可靠性和准确性，从而可以有效地用于海底基础设施(包括桩基、重力式基础、吸力锚、管线等)的设计及安装，提高工程效益并减少工程风险，可广泛应用于海洋油气、海洋风电等海洋工程领域。

另一方面，如图6所示，本发明还提供一种基于静力触探的土体不固结不排水强度计算系统，所述系统包括：

测试分量获取模块，用于获取静力触探的若干已知测试分量；

基本参数获取模块，用于根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；

内摩擦角获取模块,根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体的内摩擦角；

超固结比获取模块，用于根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；

不固结不排水强度获取模块，用于根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (7)

1.基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，其特征在于，所述方法包括：

获取静力触探的若干已知测试分量；

根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；

根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体内摩擦角；

根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；

根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。

2.根据权利要求1所述的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，其特征在于，所述静力触探的若干已知测试分量，包括：

锥尖阻力q_c、侧摩阻力f_s和超孔隙压力u₂。

3.根据权利要求2所述的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，其特征在于，所述静力触探的若干基本参数，包括：

一定深度处土体的上覆总压力σ_vo、一定深度处土体的上覆有效压力σ'_v0、所述静力触探的总锥尖阻力q_t、所述静力触探的净探头阻力q_net，所述静力触探的阻力系数N_m、相对于海床面土体中的静水压力u₀，土体超孔隙水压力系数B_q及土体刚度系数I_r。

4.根据权利要求3所述的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，其特征在于，所述根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体内摩擦角，包括：

获取所述土体的内摩擦角Ф’，其中，所述内摩擦角Ф’可根据以下公式获得：

土体强度的截距α'＝c'·cotΦ'；

孔隙水承压因子N_u＝6·tanΦ'·(1+tanΦ')；

端承因子N_q＝tan²(45+Φ'/2)·exp[(π-2β)·tanΦ']；

归一化锥尖阻力因子

其中，β为土体的剪胀角；

通过调整土体的内摩擦角Ф’进行迭代计算，当所述归一化锥尖阻力因子N_m与所述静力触探的阻力系数相一致时，可得到所述土体的内摩擦角Ф’。

5.根据权利要求4所述的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，其特征在于，所述土体的超固结比可表示为：

M是土体临界斜率，可表示为：

M＝6·sinΦ'/(3-sinΦ')

其中，A为土体的塑性体应变比。

6.根据权利要求5所述的基于静力触探的土体不固结不排水强度计算方法，其特征在于，所述土体的不固结不排水强度可表示为：

7.基于静力触探的土体不固结不排水强度计算系统，其特征在于，所述系统包括：

测试分量获取模块，用于获取静力触探的若干已知测试分量；

基本参数获取模块，用于根据所述若干已知测试分量,获取所述静力触探的若干基本参数；

内摩擦角获取模块,根据所述静力触探的若干基本参数,基于小孔扩张理论获取土体的内摩擦角；

超固结比获取模块，用于根据小孔扩张理论和临界状态土力学理论以及所述土体内摩擦角，获取土体的超固结比；

不固结不排水强度获取模块，用于根据临界状态土力学理论及所述土体的内摩擦角和超固结比,获取所述土体的不固结不排水强度。