CN114658043B - 基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于T‑bar的p‑y曲线的桩‑土水平静载相互作用分析方法，包括如下步骤：S100、进行静力触探试验；S200、进行贯入速率控制式T‑bar试验；S300、进行预埋式应力式控制的T‑bar贯入试验；以及S400、获取基于应力控制式T‑bar试验的p‑y曲线。本发明通过开展速率控制式T‑bar模型试验，并与CPT试验进行对比，对不同埋深进行应力控制式T‑bar试验，采用原位测试或室内模型试验直接建立p‑y曲线，是一种新的研究思路；对基于应力式控制获得的p‑y曲线进行应力状态归一化，与经验法p‑y曲线进行对比，在变化趋势上实测曲线与经验曲线具有较好的相似性，并与桩的水平静载试验结果有较好的一致性。
Description
技术领域
本发明属于桩-土水平相互作用试验技术领域，尤其涉及一种基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法。
背景技术
目前，桩-土水平相互作用分析中，p-y曲线的合理确定非常关键，基于经验的API规范法在海洋工程实践中存在一定的局限性与风险性。因此，亟需一种新的建立p-y曲线的方法。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有基于经验的API规范法是基于工程经验，如果土性存在较大差异，在工程实践中存在一定的风险性。
解决以上问题及缺陷的难度为：
因现场海洋环境恶劣，开展足尺试桩难度极大，费用高，周期长，且少量试桩难以保证测试精度，无法满足现有风机施工进度要求，因此，考虑一种新的基于室内外原位测试的分析方法，经过归一化研究，可满足目前工程实际应用。
解决以上问题及缺陷的意义为：海洋大直径钢管桩其水平荷载为主要控制因素，准确获取较为精确的P-Y曲线及其变化规律，应用意义重大。经过基于T-bar的P-Y曲线的桩-土水平静载相互作用分析，可有效解决钢管桩在小变形阶段的尺寸效应，指导工程实践。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法。
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
一种基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法，包括以下步骤：
S100、进行CPT试验；
S200、进行贯入速率控制式T-bar试验；
S300、进行预埋式应力式控制的T-bar贯入试验；
S400、获取基于应力控制式T-bar试验的p-y曲线。
进一步，S100中，CPT试验的装置为贯入速率控制式CPT试验采用的仪器，包括手摇式静力触探微型贯入系统，配套支架和模型箱。
(1)、手摇式静力触探微型贯入系统
所述手摇式静力触探微型贯入系统由手摇式微型贯入机，探头、探杆及电缆，数据采集仪，真空饱和仪组成；
手摇式微式贯入机：采用涡轮杆传动，带动特制摩擦轮从而实现连续标准贯入，用于室内模型槽静力触探贯入试验场合。摩擦轮夹持探杆的力度可在一定范围内自由调节，夹紧或松开探杆，适应不同强度的土层贯入测试，最大贯入力为300kg，满足室内模型槽试验需求；
探头：CPT试验所用的锥形探头为国际标准探头，按国际标准化组织ISO提出的规范，为直径35.7mm的60度锥形探头；
探杆及连接电缆：探杆为直径2cm，壁厚3mm的铁管制成，一共三根，每根长度为1m；电缆分为10芯的探头电缆和7芯的深度计电缆；
数据采集仪：所述数据采集仪具有探头的参数采集、贯入深度信号通信转换功能，测量分辨率可达0.01％；其中，所述参数包括锥尖阻力、侧壁摩擦力和孔隙水压力；
深度计：深度计安装在贯入仪侧边，通过电缆与电脑连接，通过更改软件配置文件中的参数设置，调整深度计的量程和精度。
所述微型静力触探贯入系统在贯入时由人工手动摇柄控制，同时通过电缆连接的数据采集仪自动化采集数据，借助电脑屏幕显示器可以显示即时的锥尖阻力，侧壁摩阻力和孔隙水压力，在应力式控制试验中，人工采集试验数据。
(2)、支架及模型箱
支架的设计需配合贯入仪尺寸，使贯入仪底座的预留孔能安装于支架上，所述支架采用角钢于槽钢设计。
CPT试验下水平方向上模型箱的最短边为8D，竖直方向上探头距离箱底的距离至少为3.5D。模型箱大于此尺寸即忽略边界效应。
静载试验时的水平面上的边界效应经验计算公式为(L-D)/2D≥3，其中L为模型箱短边长度，D为圆形桩的直径，D取4cm，即桩周到模型箱边的距离至少要大于等于三倍的桩直径；模型箱的短边最小值应取为15倍桩的直径；在竖直面上，预设静载试验埋深桩长为50cm，桩底与模型箱底部距离应大于4D。
水平向模型箱的最小尺寸为15D*15D，即60cm*60cm；竖直方向上最小深度为56cm；考虑到制作和以后可能使用更大的桩径，模型箱尺寸最后定为80cm*60cm*80cm，并在长边上焊接打孔角钢。
进一步，步骤S100中，所述贯入速率控制式CPT试验，还包括对所述手摇式静力触探微型贯入系统进行深度和锥尖阻力的标定试验。
(1)、深度仪的标定
通过计算连接深度仪和贯入机的齿轮旋转角度，换算得到贯入深度，所述深度计的标定方案如下：
1)安装好支架以及贯入仪，将微型贯入系统连接完毕，将贯入仪上的固定螺丝拧紧，使探杆固定不动；
2)利用直尺和马克笔以及小刀，在探杆上以5mm为间距等距标记并用刀刻下痕迹，一共刻下9道，总距离4cm；
3)打开数据采集仪的电源开关，连接电脑，为提高精度，调整配置文件里的深度参数，将其放大十倍；缓慢摇动摇杆，记下每条刻痕经过贯入仪上缘时深度仪的示数；
4)记录下第九道痕迹的示数后，关闭软件和数据采集仪，回收探杆；
5)整理数据，利用Excel分析。
(2)、锥尖阻力的标定
利用已知重量的砝码模拟土反力反向加载于探头上，对比数据采集仪示数和实际砝码重量完成标定，操作方法为：标定时探头探杆反向安装于贯入仪上，将设计的装置代替锥形探头安装于探头上，加载砝码，利用砝码的重力模拟土反力进行分级加载，通过电脑上锥尖阻力的示数和砝码重力对比，从而完成标定。
锥尖阻力的标定采用定做的标定装置，该装置由三部分组成：承载头，承载铁片及固定铁棒，其中承载头和承载铁片焊接为一体；承载头上加工有M14*1.5的螺丝丝口，和锥形探头内部安装螺丝的丝口一致，故将探头的锥形探头部分旋下，换上承载头；承载铁片用于砝码的承重，并且将砝码的压力传至承载头，从而引起探头内部的变形片的变形；铁棒用于固定砝码；探头标定试验所用的铁质砝码均来自于试验室固结试验所用的加载砝码；选取质量最大的四种规格：2.55kg，5kg，5.1kg，10.12kg；试验选取四个5.1kg的砝码，其余规格各一个，且所有砝码均在试验前用精度为0.1g的磅秤称量。
锥尖阻力的标定方案如下：
1)将支架架设在模型箱上，将探头探杆倒过来安装于支架上旋下锥形探头，换上承载头；
2)固定好固定铁棒，用电缆连接探头和数据采集仪，并将数据采集仪连接电脑，利用软件记下此时的锥尖阻力，并且在此基础上将探头所测的阻力进行归零，并观察是否存在零飘现象；
3)将4种规格的砝码分级加载，记下各级的砝码重量，待示数稳定后，记下对应的锥尖阻力；
4)加载至最大的重量后，依次卸载砝码。卸载完毕，关闭数据采集仪，利用Excel整理数据。
进一步，步骤S200中，所述贯入速率控制式的T-bar试验方案，包括：
(1)、沿用CPT试验的前两步，刮平土体和连接数据采集仪、电脑；
(2)、用T型探头换下锥形探头，调整探杆位置使探头下表面恰好接触土体且探头处于0°横放的状态，T型探头的轴和模型箱长边平行；
(3)、打开电脑的配套软件，调整配置文件中的深度参数，将其放大10倍；对此时的锥尖阻力示数和深度示数进行记录并且作归零处理，记录是否会出现超出规范值的零飘；如果没有则进行下一步的贯入，如果有则关闭软件，检查各个数据线的连接情况；
(4)、缓慢摇动贯入仪的摇杆，通过观察软件中贯入速度窗口的示数，控制贯入速度在8mm/s；
(5)、贯入至设定深度，设置最大贯入深度为8cm，即两倍T-bar直径时停止贯入，点击软件上的“停止锥入”按键，回收探杆；
(6)、在其他试验条件不变的情况下重复试验至少一次；
(7)、挖出表层砂土，用砂雨法再次铺设，将步骤2中探头0°横放改为90°竖放，T型探头的轴和模型箱短边平行，重复步骤(1)～步骤(8)；
(8)、关闭数据采集仪的电源，结束试验。
进一步，步骤S200中，所述试验设置探头的两种摆放方式是为得到T型探头的影响范围：横放时探头与模型箱长边平行，探头距离模型箱的最小距离Dmin1为：
Dmin1＝min[(80-25)/2,(60-4)/2]＝27.5cm；
竖放时探头与模型箱短边平行，探头距离模型箱的最小距离Dmin2为：
Dmin2＝min[(80-4)/2,(60-25)/2]＝17.5cm；
通过比较探头横放和竖放时锥尖阻力的差别，到横放和竖放两种情况下模型箱边界是否对探头有约束作用：如果有，则T型探头的最大影响半径必然大于探头距离模型箱的最小距离：反之，则可证明T型探头的最大影响半径必然小于探头距离模型箱的最小距离；通过比较探头不同摆放方向的贯入阻力的变化，推断出探头的最大影响半径，若探头最大影响半径超过17.5cm，两种放置方向的贯入阻力变化将较大；反之，两者的锥尖阻力曲线将不会有很大差别。
进一步，步骤S200中，所述贯入速率控制式的T-bar试验方案，包括：
T-bar试验中也采用贯入速率控制得到T型探头下的锥尖阻力曲线，以对比CPT试验结果。T型探头也在K2孔位贯入。T-bar试验采用T型探头贯入土体。试验所用T型探头为国际标准探头，长L＝250mm，探头直径D＝40mm，探头投影面积达到100cm2。相比于CPT试验所用的直径为35.7mm的锥形探头，阻力增大至其10倍。采用建议速度的下限值8mm/s作为控制贯入速度。当T-bar的贯入速度不大于50mm/s时，锥尖阻力受速度的影响不大，可以认为结果可靠，同时通过探头放置方向的不同探讨探头的影响范围。
进一步，步骤S300中，所述预埋式应力式控制的T-bar贯入试验的试验方法，包括：
将竖直方向上的桩-土相互作用特性，即探头预埋设时的贯入阻力曲线，用于水平方向的桩-土相互作用分析；由于受模型箱边界条件约束，静载试验的桩最大埋深不超过60cm，在砂土摩擦角为30°的情况下，静止土压力系数K0＝0.5。又因浅埋深的桩受上部土体的影响较大，故在土体上部需要设置较多的预埋设深度；试验的预埋设深度取以下7种：4、6、10、12.5、15、20、30cm，由于水平土压力为竖直土压力乘K0，故认为这8个深度处土体的竖直向特性代表8、12、20、25、30、40、60cm深处土体的水平向特性。
进一步，步骤S300中，所述预埋式应力式控制的T-bar贯入试验的试验方案，包括：
(1)、安装好支架和贯入仪，拧紧固定螺丝固定住探杆，用T型探头换下锥形探头。将探头和深度计的电缆连接数据采集仪，连接电脑；
(2)、用马克笔在连接杆上标记好深度，在K2孔位用小铲子挖掘出比埋设深度深2cm左右的及符合T-bar截面的长方形坑；摇动摇杆使探头下降到预埋设深度；将挖掘出的砂土用制样时所用的人工砂雨法重新填回，并且用小铲子或者水泥刀刮平土体表面，使马克笔标记处恰好和表层土齐平；
(3)、缓慢摇动摇杆使探头接触土体，以0.005MPa为一个加载增量缓慢加载，每过一个加载增量便记录对应的锥尖阻力和深度仪示数；按照情况记录锥尖阻力为非0.005MPa的倍数时的锥尖阻力和贯入深度；若贯入时锥尖阻力恰好达到0.039MPa而非0.040MPa时，选择记录锥尖阻力为0.039MPa时的贯入深度，跳过0.040MPa时的记录，记录0.044MPa或者0.045MPa处的贯入深度；
(4)、当贯入阻力不再增大，或锥尖阻力示数的总增量达到1.5MPa，锥尖阻力增量达到1.5MPa后，探头总阻力将会达到1500N，锥尖阻力较大时可能会引起贯入仪齿轮空转，此时深度计示数将失真，数据失效；或者贯入深度达到8cm时，试验最大贯入暂定为8cm，即两倍T-bar直径，停止贯入，点击软件上的“停止锥入”按键，回收探杆；
(5)、更换预埋设深度，重复步骤(1)～步骤(4)。
(6)、关闭数据采集仪，结束试验。
进一步，步骤S400中，所述获取基于应力控制式T-bar试验的p-y曲线，包括对不同埋深的p-y曲线归一化，包括：
桩的水平极限荷载主要由与桩的上半部接触的土体决定，即从土体表面起算，向下2D-7D的浅层土体决定桩的水平极限荷载；在T-bar试验选取7个深度，分别为4、6、10、12.5、15、20、30cm；通过所述应力控制式贯入，测得这七个预埋设深度处的贯入曲线。
用归一化的思想分析各个深度下的锥尖阻力和位移关系，包括：
归一化的锥尖阻力Q：Q＝qnet/σ’，其中qnet代表锥尖净阻力，对于T型探头，仅需要对实测锥尖阻力P做孔隙水压力修正即可得到。σ’此深度处的有效土压力，通过土体的有效重度和深度相乘即可得到。Q无量纲。
归一化的位移Y：Y＝y/D，其中y代表探头预埋设时的位移，D代表T型探头的直径40mm，Y无量纲。
将实测阻力P代替锥尖净阻力qnet；由于土体不含水，不需要孔隙水压力修正。同样因为土体不含水，可以用自重应力σ代替有效应力，σ＝γ(H预埋+y)。
将经过上述处理的归一化阻力Q乘以静止土压力系数K0，试验土体摩擦角为30°，K0取0.5，得到水平向的归一化土反力P。
由归一化土反力-归一化位移P-Y曲线图可得：T-bar试验所得到的的七条P-Y曲线，在Y的值为0-0.3时，P随Y的增加而增加，而且增加速度较快；在Y>0.3后，P的值虽然随Y的增加而增加，但增加速度较之前有所下降，曲线开始转为较平滑的上升。
由不同深度的P-Y曲线比较可得：在归一化位移Y的值为0-0.4的范围内时，七个埋深处的曲线基本重合，锥尖阻力的归一化结果较好。但在Y的值大于0.5后，曲线开始有偏差，但曲线所表现出的趋势基本相同。总体上可认为归一化结果较好。
本发明提供一种基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法，开展速率控制式T-bar模型试验，并与CPT试验进行对比，对不同埋深进行应力控制式T-bar试验，采用原位测试或室内模型试验直接建立p-y曲线，是一种新的研究思路，主要得到以下结论：
(1)、同一深度范围，T-bar试验可以比CPT试验获取精度更高的数据，虽然探头型式不同，但反映出相似的土体力学性质。
(2)、T-bar试验的两种控制方式：应力式控制和贯入速率式控制，砂土存在临界贯入速率，小于该临界贯入速率，两种控制方式结果基本一致。针对砂土，可以通过控制贯入速率达到应力式控制一样的结果，从而获得p-y曲线。
(3)、对基于应力式控制获得的p-y曲线进行应力状态的归一化，与经验法p-y曲线进行对比，在变化趋势上实测曲线与经验曲线具有较好的相似性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法流程图。
图2为本发明实施例提供的手摇式贯入仪结构示意图。
图3为本发明实施例提供的深度标定图表分析结果示意图。
图4为本发明实施例提供的加载重量-探头示数示意图。
图5为本发明实施例提供的试验砂样的粒径曲线示意图。
图6为本发明实施例提供的CPT孔位示意图。
图7为本发明实施例提供的T-bar放置方向示意。
图8为本发明实施例提供的K1、K2、K3孔位的锥尖阻力曲线比较示意图。
图9为本发明实施例提供的两种放置状态下T-bar探头阻力比较示意图。
图10为本发明实施例提供的两种探头贯入时单位面积的阻力-深度拟合曲线示意图。
图11为本发明实施例提供的应力控制式下T-bar探头阻力-探头位移曲线示意图。
图12为本发明实施例提供的不同贯入速度下应力控制式与贯入速率控制式T-bar试验结果对比图。
图13为本发明实施例提供的P-Y曲线图。
图14为本发明实施例提供的Reese砂土p-y曲线法示意图。
图15为是本发明实施例提供的实测曲线示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明所提供的基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法包括以下步骤：
S100、进行静力触探试验；
S200、进行贯入速率控制式T-bar试验；
S300、进行预埋式应力式控制的T-bar贯入试验；
S400、获取基于应力控制式T-bar试验的p-y曲线。
1、CPT试验与T-bar试验
桩-土水平相互作用分析中，p-y曲线的合理确定非常关键，基于经验的API规范法在海洋工程实践中存在一定的局限性与风险性，采用原位测试或室内模型试验直接建立p-y曲线，是一种新的研究思路。
1.1贯入速率控制式CPT与T-bar试验
1.1.1试验设备及标定
本发明所采用的仪器为手摇式静力触探贯入系统，以及发明人设计的配套支架和模型箱，以下将对此贯入系统的基本组成进行详细介绍，并对该系统进行深度和探头阻力的标定试验。
(1)手摇式静力触探微型贯入系统
手摇式静力触探微型贯入系统由手摇式微型贯入机，探头、探杆及电缆，数据采集仪，真空饱和仪等组成，介绍如下：
1.手摇式微式贯入机：采用涡轮杆传动，带动特制摩擦轮从而实现连续标准贯入，可用于室内模型槽静力触探贯入试验场合。摩擦轮夹持探杆的力度可在一定范围内自由调节，夹紧或松开探杆，可以适应不同强度的土层贯入测试，最大贯入力可达300kg，基本满足室内模型槽试验需求。如图2所示。
2.探头：根据《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)相关条文规定，我国通用的CPT探头为截面面积为10cm2的锥形探头，该种探头直径为35.7mm，长度为31mm，锥尖顶角为60°。T-bar试验所用的T型探头为国际标准探头，按国际标准化组织(ISO)提出的规范，为长250mm，直径40mm的光滑铁棒型探头。
3.探杆及连接电缆：探杆为直径2cm，壁厚3mm的铁管制成，一共三根，每根长度约为1m。电缆分为10芯的探头电缆和7芯的深度计电缆。
4.数据采集仪：试验所用为由武汉磐索公司的数据采集仪，具有探头的参数采集(参数主要包括：锥尖阻力、侧壁摩擦力、孔隙水压力等)、贯入深度信号通信转换等功能。测量分辨率可达0.01％。
5.深度计：深度计安装在贯入仪侧边，通过电缆与电脑连接。可以通过更改软件配置文件中的参数设置，调整深度计的量程和精度。
微型静力触探贯入系统在贯入时由人工手动摇柄控制，同时通过电缆连接的数据采集仪自动化采集数据，借助电脑屏幕显示器可以显示即时的锥尖阻力，侧壁摩阻力和孔隙水压力。但此系统只能在连续贯入时自动采集数据，对于本试验想要利用的应力式控制，不能用仪器按照深度自动采集数据的功能。所以在应力式控制的试验下，试验数据需要人工采集。
关于该仪器的操作和使用较为简单，试验时可以参照《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)的相关规范来进行静力触探。
(2)支架及模型箱
支架的设计需配合贯入仪尺寸，使贯入仪底座的预留孔能安装于支架上。支架采用角钢于槽钢设计。
考虑到试验箱需要用于静载试验，试验时可能会带来边界效应。边界效应主要来自试验箱边壁和试验箱底部对桩或T型探头的约束作用。为了保证试验数据的真实性和合理性，模型箱的最小尺寸由T-bar试验和静载试验时的边界效应共同决定。T-bar试验时的边界效应暂时没有参考文献，故采用数值模拟时T-bar贯入时扰动土体的最大边界为其最大影响尺寸，设计时需要只要将模型箱尺寸大于最大影响范围，即可忽略模型箱所带来的的边界效应。Randolph和Andersen在计算T-bar在软黏土中的扰动范围时得到最大扰动范围距离T型探头边界2.5D。范庆来等在数值分析时将模型的一半宽度取为3.5D，总高度取为8D，探头中心预埋深位于地表以下4.5D(D为T型探头的直径，取值为4cm)，利用六节点三角形单元得到与Martin和Randolph的上限解非常接近的计算结果。故认为T-bar试验下水平方向上模型箱的最短边应为应为8D，竖直方向上T型探头距离箱底的距离至少为3.5D。模型箱大于此尺寸即忽略边界效应。
静载试验时的水平面上的边界效应经验计算公式为(L-D)/2D≥3，其中L为模型箱短边长度，D为圆形桩的直径(为契合T-bar试验，此处D取4cm)。即桩周到模型箱边的距离至少要大于等于三倍的桩直径。也有学者认为应不小于7D。此处取最小影响距离为7D，故模型箱的短边最小值应取为15倍桩的直径。在竖直面上，预设静载试验埋深桩长为50cm，根据经验，桩底与模型箱底部距离应大于4D。
综上所述，水平向模型箱的最小尺寸应该为15D*15D(60cm*60cm)，竖直方向上最小深度应为56cm。考虑到制作和以后可能使用更大的桩径，模型箱尺寸最后定为80cm*60cm*80cm，并在长边上焊接打孔角钢以便安装支架。
(3)深度仪的标定
为保证试验数据的准确，试验前需要对深度仪进行深度标定。试验用的深度仪的原理是通过计算连接深度仪和贯入机的齿轮旋转角度，从而换算得到贯入深度。因此深度计的标定方案如下：
1.安装好支架以及贯入仪，将微型贯入系统连接完毕，将贯入仪上的固定螺丝拧紧，使探杆固定不动。
2.利用直尺和马克笔以及小刀，在探杆上以5mm为间距等距标记并用刀刻下痕迹，一共刻下9道，总距离4cm。
3.打开数据采集仪的电源开关，连接电脑，为提高精度，调整配置文件里的深度参数，将其放大十倍(深度参数仅影响深度示数，参数放大十倍示数也会放大十倍)。缓慢摇动摇杆，记下每条刻痕经过贯入仪上缘时深度仪的示数。
4.记录下第九道痕迹的示数后，关闭软件和数据采集仪，回收探杆。
5.整理数据，利用Excel分析。
标定的数据结果以及图表分析如表1、图3所示。
表1深度标定结果
| 刻度(mm) | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 | 35 | 40 |
| 深度仪示数(m) | 0.0048 | 0.0093 | 0.0145 | 0.0196 | 0.0248 | 0.0297 | 0.0351 | 0.0395 |
由图3可得：实际位移和深度仪示数具有良好的线性关系。试验数据通过Excel线性拟合得到刻度值y和深度仪示数值x的函数关系为y＝1.0064x-0.4821，直线斜率为1.0064，约为1；相关系数达到0.9996，大于0.999。因此可以认为深度计的示数根据贯入深度呈线性关系，可以认为深度计测得的数据可靠。
(4)锥尖阻力的标定
静力触探试验中，最重要的两个参数为深度和锥尖阻力。在深度仪的深度标定后，还需要对探头进行锥尖阻力的标定。
常用探头测得锥尖阻力的原理为：在贯入过程中，所有的探头测得的锥尖阻力都是因为贯入过程中探头受到土体的反力，从而引起探头内部的应变片变形，引起电阻的变化。电阻的变化引起电路里的电压等电信号的改变，从而传感器将力学信号以电信号的形式输出。通过计算得到对应的锥尖阻力。
一般情况下，要标定锥尖阻力，就需要标定探头内部的应变片。但为了保证探头的完整性，避免拆卸探头可能引起的内部应变片破坏，本试验利用已知重量的砝码模拟土反力反向加载于探头上，对比数据采集仪示数和实际砝码重量完成标定。具体的操作方法为：标定时探头探杆反向安装于贯入仪上，将设计的装置代替锥形探头安装于探头上，加载砝码，利用砝码的重力模拟土反力进行分级加载，通过电脑上锥尖阻力的示数和砝码重力对比，从而完成标定。
锥尖阻力的标定采用定做的标定装置。
此装置由三部分组成：承载头，承载铁片及固定铁棒(其中承载头和承载铁片焊接为一体)。承载头上加工有M14*1.5的螺丝丝口(和锥形探头内部安装螺丝的丝口一致)，因此可以将探头的锥形探头部分旋下，换上承载头。承载铁片用于砝码的承重，并且将砝码的压力传至承载头，从而引起探头内部的变形片的变形。铁棒主要用于固定砝码，防止砝码侧翻。探头标定试验所用的铁质砝码均来自于试验室固结试验所用的加载砝码。选取质量最大的四种规格：2.55kg，5kg，5.1kg，10.12kg。试验选取四个5.1kg的砝码，其余规格各一个，且所有砝码均在试验前用精度为0.1g的磅秤称量，测量结果显示所有砝码偏差值在±10g之间，即使对比最小规格的2.55kg砝码，误差仅为0.39％<5％，可以忽略偏差值的影响。
锥尖阻力的标定方案如下：
1.将支架架设在模型箱上，将探头探杆倒过来安装于支架上旋下锥形探头，换上承载头。
2.固定好固定铁棒，用电缆连接探头和数据采集仪，并将数据采集仪连接电脑，利用软件记下此时的锥尖阻力，并且在此基础上将探头所测的阻力进行归零，并观察是否存在零飘现象。
3.将4种规格的砝码分级加载，记下各级的砝码重量，待示数稳定后，记下对应的锥尖阻力。
4.加载至最大的重量后，依次卸载砝码。卸载完毕，关闭数据采集仪。利用Excel整理数据。
标定试验一共做两次，锥尖阻力的标定结果如表2、图4所示。
表2锥尖阻力标定结果
探头标定的加载重量-探头示数的曲线如图4所示。
标定试验开始时可以观察到零飘现象，零飘的区间±0.01MPa内。由两次试验的数据结果和所绘图表可得：探头的示数与加载的总重量线性关系良好，且相关系数R2分别为0.9998和0.9996，均大于0.999，两者的斜率分别为0.0105和0.0099，接近0.01(1kg换算至10cm2上的压强为0.01MPa)可以认为探头内部传感器工作良好，探头所测数据的正确性较高。
1.2试验方案
本发明以筛选过的普通河砂作为试验材料，进行静力触探试验(CPT)与T-bar试验。在进行试验之前需要制备试验土体并得到土体参数。
(1)试验砂样的制备
本报告试验选用的砂均为干河砂，为避免大颗粒砾石划伤探头以及大颗粒砾石带来的的尺寸效应，首先采用2mm的筛网筛过一次。得到足够的砂样后，采用人工沙雨法将砂样倒入模型箱内。
本试验用的人工砂雨法为：将筛过后的砂样分多次装入瓷碗内，控制碗口高度距离土体上表面5-8cm。倾斜碗口将砂样按照“之”字形倒入，倒完碗中的便再次装填，最终形成约60cm厚的土体。
取试验所用的砂进行试验，按照《土工试验方法标准》获得其相对密度Dr以及粒径曲线，并利用自然休止角法测得砂土大致摩擦角
人工砂雨法形成的砂样密度为：ρ＝1.498g/cm3，自然休止角法测得的砂土大致摩擦角为30°。砂的最小干密度按照规范，采用500ml量筒，锥形塞，长颈漏斗，砂面拂平器进行试验，砂的最大干密度按照规范用振动叉，1000ml金属圆筒，击锤进行试验，分别测得砂的最小干密度ρmin＝1.393g/cm3，最大干密度ρmax＝1.699g/cm3，则本试验中人工砂雨法形成的相对密度Dr为：
0.33<Dr<0.67，则试验中所得砂为中密砂。
粒径曲线中的筛析法获得，因为砂土已经被筛过一次，最大粒径已经控制在2.0mm以下，故只采用1.0、0.5、0.25、0.075mm四种细筛进行筛分试验，筛分所得的砂土粒径曲线如图5所示。
由砂的粒径曲线可得：小于该粒径的土体占土体总质量一半时的粒径(也可称为砂的中值粒径)D50＝0.400mm<0.500mm，控制粒径d60＝0.485mm，限定粒径d30＝0.280mm，有效粒径d10＝0.121mm，按照规范，不均匀系数Cu＝(d60/d10)＝4.008，曲率系数一般认为砂土，同时满足Cu≥5和Cc＝1～3两个条件时，砂土的级配良好。而试验所用砂土仅曲率系数Cc满足要求，因此试验所用砂土级配不够良好，这可能是试验砂土已被筛过所致。
通过计算加权平均粒径得到，加权平均粒径Dpj＝0.53。计算可得30*max[D50,Dpj]＝16.5mm<20mm，即30倍的平均粒径小于最小的桩径，根据Ovesen等人的研究，可以忽略由于砂土中粒径不同带来的粒径效应，锥形触探的阻力和桩的静载试验数据可靠。
(2)CPT试验方案
为检验试验所用人工砂雨法获得的砂样的均匀性，并得到制备土样的锥尖阻力曲线，在进行进一步试验之前需要利用标准锥形探头进行对砂样的进行静力触探试验。试验将CPT贯入时的探头探杆的贯入过程视为桩在砂土中被缓慢压入的过程，根据已有的经验认为其影响半径为3～5倍探头的直径，为了避免模型箱的边界效应和孔位之间相互影响，贯入时所取的三个孔位位置如图6所示。
根据《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)所规定，静力触探的贯入速度应控制在20±5mm/s内，试验中采用20mm/s的贯入速度匀速贯入。试验前已经对探头进行过标定，在正式试验前的预贯入试验中也没有出现超出规范的零飘，认为探头工作状态良好。CPT试验方案如下所示。
1.用水泥刀或者小铲子刮平砂土表面，使表面不出现明显的坡度。
2.安装支架和贯入仪，连接数据采集仪和电脑。
3.调整探杆位置，使锥形探头的锥尖恰好触及土表面，拧紧固定螺丝。
4.打开电脑的配套软件，对此时的锥尖阻力示数和深度示数进行记录并且作归零处理，记录是否会出现超出规范值的零飘。如果没有则进行下一步的贯入，如果有则关闭软件，检查各个数据线的连接情况。
5.缓慢摇动贯入仪的摇杆，通过观察软件中贯入速度窗口的示数，将贯入速度控制在20mm/s左右。
6.贯入至设定深度(本试验为避免模型桩底的影响，只贯入50cm，砂土总厚60cm)时停止贯入，点击软件上的“停止锥入”按键，回收探杆。
7.在其他条件不变的情况下重复试验两次。
8.同一孔位进行三次平行试验后，关闭数据采集仪的电源，移动支架进行下一个孔位的试验。
(3)T-bar试验方案
T-bar试验中也采用贯入速率控制得到T型探头下的锥尖阻力曲线，以对比CPT试验结果。为了减少试验误差，T型探头也在K2孔位贯入。T-bar试验采用T型探头贯入土体。试验所用T型探头为国际标准探头，长L＝250mm，探头直径D＝40mm，探头投影面积达到100cm2。相比于CPT试验所用的直径为35.7mm的锥形探头，阻力增大至其10倍。由于本试验采用人工手摇贯入，贯入速度不容易达到国际常用的T型探头贯入速率：0.2-0.5D/s(8-20mm/s)，但根据Randolph所述可以将贯入速度由建议的速度适当放慢用于不同土层，因此本试验采用建议速度的下限值8mm/s作为控制贯入速度。根据王冉冉的研究，当T-bar的贯入速度不大于50mm/s时，锥尖阻力受速度的影响不大，可以认为结果可靠。同时试验通过探头放置方向的不同探讨探头的影响范围，探头的不同放置方向如图7所示(图中探头位置不代表实际贯入位置，仅表示探头放置方向)。
贯入速率控制式的T-bar试验方案如下所示：
1.沿用CPT试验的前两步，刮平土体和连接数据采集仪、电脑。
2.用T型探头换下锥形探头，调整探杆位置使探头下表面恰好接触土体且探头处于0°横放(T型探头的轴和模型箱长边平行)的状态。
3.打开电脑的配套软件，调整配置文件中的深度参数，将其放大10倍(这样就将位移也放大10倍，同样的位移条件下可以采集到的更多的数据)。对此时的锥尖阻力示数和深度示数进行记录并且作归零处理，记录是否会出现超出规范值的零飘。如果没有则进行下一步的贯入，如果有则关闭软件，检查各个数据线的连接情况。
4.缓慢摇动贯入仪的摇杆，通过观察软件中贯入速度窗口的示数，控制贯入速度在8mm/s左右。
5.贯入至设定深度(试验为人工控制，无法施加较大的力，暂定试验最大贯入深度为8cm，即两倍T-bar直径)时停止贯入，点击软件上的“停止锥入”按键，回收探杆。
6.在其他试验条件不变的情况下重复试验至少一次。
7.挖出表层砂土，用砂雨法再次铺设，将步骤2中探头0°横放改为90°竖放(T型探头的轴和模型箱短边平行)，重复步骤1-6。
8.关闭数据采集仪的电源，结束试验。
1.3T-bar与CPT试验成果对比
(1)CPT模型试验成果
因试验砂土层只有约60cm厚，为了避免模型箱底面对探头造成的影响，在下文探讨锥尖阻力和贯入深度关系时，仅取贯入深度范围为0～40cm的三个孔位的锥尖阻力曲线比较(按照常用的5D的影响范围计算，贯入深度为40cm时，探头与模型箱底部距离为20cm>5D＝17.85cm，此处D指探头直径，为31mm)。
经分析，CPT试验所得结果如图8所示。
由三个孔位的锥尖阻力-深度曲线图可知：三个孔位的锥尖阻力从砂土土表面至土表面以下约40cm的区间内随深度增加而增加，呈现比较好的线性关系，即试验的砂土层在深度方向上具有良好的均匀性；CPT在同一孔位上的平行试验结果良好，具有良好的可重复性。
由不同孔位的锥尖阻力曲线比较可知：不同孔位的锥尖阻力在土表面至土表面以下约40cm处的区间内的锥尖阻力曲线偏差不大，可得试验砂土层在水平方向上具有良好的均匀性。
综合可得，试验的砂土层在水平和竖直方向上都具有良好的均匀性，可以将其视为均质土体。
(2)T-bar模型试验成果
因为数据采集仪采集数据时是将应变片变形换算得到的阻力除以锥形探头的投影面积(10cm2)得到的压强值，而T型探头的投影面积为100cm2，故更换探头处理试验数据时，需要将试验所得锥尖阻力除以10后进行分析。
试验设置探头的两种摆放方式主要是为了得到T型探头的影响范围：横放时探头与模型箱长边平行，探头距离模型箱的最小距离Dmin1为：
Dmin1＝min[(80-25)/2,(60-4)/2]＝27.5cm
竖放时探头与模型箱短边平行，探头距离模型箱的最小距离Dmin2为：
Dmin2＝min[(80-4)/2,(60-25)/2]＝17.5cm
在学者们进行T型探头的数值模拟计算中，最大影响半径通常取为探头表面向外3D(12cm)，但是没有经过试验进行验证。通过比较探头横放和竖放时锥尖阻力的差别，就可以得到横放和竖放两种情况下模型箱边界是否对探头有约束作用：如果有，则T型探头的最大影响半径必然大于探头距离模型箱的最小距离：反之，则可证明T型探头的最大影响半径必然小于探头距离模型箱的最小距离。这样通过比较探头不同摆放方向的贯入阻力的变化，就可以大致推断出探头的最大影响半径。若探头最大影响半径超过17.5cm，两种放置方向的贯入阻力变化将较大。反之，两者的锥尖阻力曲线将不会有很大差别。图9为两种放置情况下的锥尖阻力曲线对比图。
由图9可得：探头横放和竖放时，锥尖阻力曲线虽未完全重合，但是在大部分区域是重合或者相差不大的，而且两种放置方式的锥尖阻力的变化趋势基本相同。因此可以认为在本次试验所用的砂土条件下，T-bar受影响的最大半径小于17.5cm；可以认为在K2孔使用T型探头时，当探头横放或者竖放时不受到模型箱的边界影响，试验获得的数据可靠。
(3)不同触探试验成果对比
CPT和T-bar试验都是用探头来测得土体的贯入阻力曲线，在本试验中除贯入速度不同外，两种试验的最本质区别在于探头规格、形状上的不同。为研究锥形探头和T型探头在贯入时的探头所受到的总阻力的大小关系，现将两种探头用于同一孔位(K2孔位)上进行贯入试验所得的数据结果进行对比。因为数据采集仪是将探头所得到的总阻力除以固定面积(10cm2)，换算得到的锥尖阻力，因此在数据处理时将获得的锥尖阻力乘以此面积得到原始的探头总阻力。用这种方法获得两种探头的探头位移-探头总阻力曲线来对比两种探头贯入时的阻力。
为了更为直观的比较两种探头在触探试验中的区别，将CPT试验与T-bar试验所得数据换算至探头贯入时单位面积上的阻力：将T型探头的总阻力除以T型探头截面投影面积100cm2，锥形探头的总阻力除以锥形探头截面投影面积10cm2。两种探头贯入时单位面积的阻力-深度曲线如图10所示。
由图10可得：T型探头在相同的深度范围内可以比锥形探头取得更多的数据点；浅层土体中，T型探头的探头单位面积阻力pt(kN)与贯入深度x(mm)的线性拟合结果为pt＝0.0015x，相关度R2为0.962，锥形探头的探头总阻力pz(kN)与贯入深度x(mm)的线性拟合结果为pz＝0.0017x，相关度R2为0.929。两条拟合线的斜率基本相同，且相关度均大于0.9，这表示在浅层土体中两种探头的锥尖总阻力与贯入深度都具有较为良好的线性关系。
在相同深度范围内，相比于锥形探头，T型探头可获得更多数据的原因T型探头贯入速度慢，且深度参数设置比锥形探头大。如果需要获得大量的土层数据时，可以选用T-bar试验代替传统锥探；相同深度内，两条曲线线性关系良好且斜率大致相同，表明CPT和T-bar试验在探头的选取上虽有不同，但反映出的土体力学性质却是接近的。
2、应力控制式T-bar试验
2.1试验方法
贯入速率控制式T-bar试验是通过控制贯入速率，得到土层竖向剖面上连续的贯入阻力曲线图，并由曲线图分析得到土层的性质和物理参数的控制方法，在实际勘探中应用较广。但由于控制贯入速率，该法不能很好的反映出贯入时土层的变形和所测的锥尖阻力的关系。想要较好地得到锥尖阻力和土层变形之间的关系，就要通过控制锥尖阻力的变化来进行贯入，本发明称为应力控制式贯入。
T-bar预埋设在土体中的状态比较像一截横向埋设的短桩，如果将T型探头视为一截桩，在土体均匀，各向同性的情况下，可以将竖直方向上的桩-土相互作用特性，即探头预埋设时的贯入阻力曲线，用于水平方向的桩-土相互作用分析上来。这样就可以将竖直方向上的T-bar试验结果与单桩的水平静载试验结果联系起来。由于单桩的水平静载试验是分级加载的，加载时每级的加载量是固定的，桩周土体是在桩身受到不同的水平荷载而非不同的水平位移下变形，且在水平荷载较小时，达到同样的变形所用时间必然比水平荷载较大时少。因此，为了更好的模拟桩身受荷情况就不能在T-bar贯入时采用贯入速率控制式贯入，而应采用应力式控制贯入。同时，为了得到不同深度处的桩-土相互作用特征，就必须得到T-bar在不同预埋设深度下的贯入曲线。考虑到受模型箱边界条件约束，静载试验的桩最大埋深不超过60cm，在砂土摩擦角约为30°的情况下，静止土压力系数K0＝0.5。又因为浅埋深的桩受上部土体的影响较大，故在土体上部需要设置较多的预埋设深度。试验的预埋设深度取以下7种：4、6、10、12.5、15、20、30cm，由于水平土压力为竖直土压力乘K0，故认为这8个深度处土体的竖直向特性可以代表8、12、20、25、30、40、60cm深处土体的水平向特性。
2.2试验方案
预埋式应力式控制的T-bar贯入试验的试验方案如下：
1.安装好支架和贯入仪，拧紧固定螺丝固定住探杆，用T型探头换下锥形探头。将探头和深度计的电缆连接数据采集仪，连接电脑。
2.用马克笔在连接杆上标记好深度，在K2孔位用小铲子挖掘出比埋设深度深2cm左右的及符合T-bar截面的长方形坑。摇动摇杆使探头下降到预埋设深度。将挖掘出的砂土用制样时所用的人工砂雨法重新填回，并且用小铲子或者水泥刀刮平土体表面，使马克笔标记处恰好和表层土齐平。
3.缓慢摇动摇杆使探头接触土体，以0.005MPa为一个加载增量缓慢加载，每过一个加载增量便记录对应的锥尖阻力和深度仪示数。由于是人工控制，不可能精确控制每级加载增量恰好为0.005MPa，可以按照情况记录锥尖阻力为非0.005MPa的倍数时的锥尖阻力和贯入深度。比如贯入时锥尖阻力恰好达到0.039MPa而非0.040MPa时。可以选择记录锥尖阻力为0.039MPa时的贯入深度，跳过0.040MPa时的记录，记录0.044MPa或者0.045MPa处的贯入深度。
4.当贯入阻力不再增大，或锥尖阻力示数的总增量达到1.5MPa，(锥尖阻力增量达到1.5MPa后，探头总阻力将会达到1500N，锥尖阻力较大时可能会引起贯入仪齿轮空转，此时深度计示数将失真，数据失效)，或者贯入深度达到8cm时(试验最大贯入暂定为8cm，即两倍T-bar直径)，可以停止贯入，点击软件上的“停止锥入”按键，回收探杆。
5.更换预埋设深度，重复步骤1～4。
6.关闭数据采集仪，结束试验。
试验时所用试验方案表的大致样式如表3所示。
表3应力控制式T-bar试验方案表
| 预埋设深度(cm) | 探头阻力(MPa) |
| 4、6、10、12.5、15、20、30 | 0、0.005、0.010、0.015、…… |
2.3应力控制式T-bar试验成果
(1)不同预埋深下T-bar试验结果
根据试验方案进行七个预埋设深度下的贯入试验，得到不同埋深下的应力控制式的锥尖阻力曲线如图11所示。
由图11可得：在所有预埋设深度下，随着预埋深的深度增加，锥尖阻力的初始斜率依次变大，表明锥尖阻力的初始增长速度随探头预埋设深度的增大而增大，这符合锥尖阻力随深度分布的规律，从侧面证明应力控制式的结果较为良好；随着预埋深的深度增加，达到相同的锥尖阻力所需要的位移依次减少，这表明随着深度的增加，砂土越来越“硬”，符合CPT试验结果。
(2)贯入速率控制式和应力控制式的临界贯入速率
试验中发现：在贯入控制方法采用应力控制式贯入的条件下，当预埋设深度为浅层(4、6cm)时，T型探头的贯入平均速度会在5mm/s左右；当预埋设深度逐渐增加时，部分预埋设深度下(15、20、30cm)的平均贯入速度会降低至2mm/s。因此猜测不同埋深下应力控制式贯入和贯入速率控制式贯入的主要区别在于贯入速率的不同。假设存在临界贯入速率，使得实际贯入速率低于这个贯入速率时，两种控制方法所得数据结果相近甚至相同；而实际贯入速率超过这个贯入速率时，两种方式所得结果将有明显的差距。在这里将这个特定的贯入速度定义为两种控制方法的临界贯入速率。如果能通过数据对比得到贯入速率控制式和应力控制式的临界贯入速率，则可以通过贯入速率的控制，较为方便的进行两种控制模式的切换。
因为数据采集仪是按照深度的变化采集数据，得到的数据在控制模式上属于贯入速率控制式；而人工采集的数据是按照锥尖阻力的变化记录，在控制模式上属于应力控制式。在不同的预埋深条件下，对比人工采集数据和数据采集仪获得的数据，当在某种贯入速率下两种控制模式所得数据有明显偏差时，就可以初步得到两种控制模式下的临界速率。图12是不同预埋设深度下应力控制式的结果与数据采集仪所得结果的对比。
由图12可得：在三个预埋设深度之下，当贯入速率低于5mm/s时，随着贯入位移的增加，应力控制式和贯入速率控制式得到的锥尖阻力十分接近且在大部分位移段重合，且两种控制模式下的锥尖阻力的变化趋势也大致相同。这表示在贯入速率低于5mm/s时，两种控制模式得到的数据基本相同，且图示三种贯入速率均在两种控制模式的临界贯入速率之下。
由此可以推得在贯入速度小于或者等于5mm/s时，应力控制式的结果和贯入速率控制式的结果相近，可以用操作简单易于控制的贯入速率控制式T-bar试验来代替操作要求较高的应力控制式T-bar试验。至于两种控制模式的具体的临界速度，本试验限于试验条件无法得到，但是通过试验结果可以初步推测临界速度应该位于5mm/s之上。
2.4基于应力控制式T-bar试验的p-y曲线
(1)不同埋深的p-y曲线归一化
根据所读文献：桩的水平极限荷载主要由与桩的上半部接触的土体决定，即从土体表面起算，向下2D-7D的浅层土体决定桩的水平极限荷载。为得到更多的浅层土体的特性，在T-bar试验中选取7个深度，分别为4、6、10、12.5、15、20、30cm。通过应力控制式贯入，测得这七个预埋设深度处的贯入曲线，所得结果如图11所示。
虽然得到预埋深时的贯入曲线，但如果逐个分析各个深度的曲线得到土体特性将大大增加工作量。参考Randolph提出的建议，用归一化的思想分析各个深度下的锥尖阻力和位移关系。具体处理如下：
归一化的锥尖阻力Q：Q＝qnet/σ’，其中qnet代表锥尖净阻力，对于T型探头，仅需要对实测锥尖阻力P做孔隙水压力修正即可得到。σ’此深度处的有效土压力，通过土体的有效重度和深度相乘即可得到。Q无量纲。
归一化的位移Y：Y＝y/D，其中y代表探头预埋设时的位移，D代表T型探头的直径(40mm)。Y无量纲。
因为本报告所述的T-bar试验采用干砂，不需要孔隙水压力修正，因此可以将实测阻力P代替锥尖净阻力qnet；由于土体不含水，不需要孔隙水压力修正。同样因为土体不含水，可以用自重应力σ代替有效应力，σ＝γ(H预埋+y)。
因为本报告想要将T-bar试验结果与静载试验结果联系起来，所以将经过上述处理的归一化阻力Q乘以静止土压力系数K0(试验土体摩擦角为30°，K0取0.5)得到水平向的归一化土反力P。
经上述两步处理后得到的归一化土反力-归一化位移(P-Y)曲线如图13所示。
由归一化土反力-归一化位移(P-Y)曲线图可得：T-bar试验所得到的的七条P-Y曲线，在Y的值为0-0.3时，P随Y的增加而增加，而且增加速度较快；在Y>0.3后，P的值虽然随Y的增加而增加，但增加速度较之前有所下降，曲线开始转为较平滑的上升。
由不同深度的P-Y曲线比较可得：在归一化位移Y的值为0-0.4的范围内时，七个埋深处的曲线基本重合，锥尖阻力的归一化结果较好。但在Y的值大于0.5后，曲线开始有偏差，但曲线所表现出的趋势基本相同。总体上可认为归一化结果较好。
(2)实测曲线与经验曲线对比
因为实际工程中的桩基土多为黏土或者粉土，缺少地基土为纯砂土或者持力层为较厚的砂土的实例，故API规范给出的砂土的p-y公式较多的基于室内试验所得数据。相比于黏、粉土，砂土室内试验所得的参数在选取上更具有不确定性和偶然性。因1974年Reese所提出的砂土p-y曲线法涉及参数较少且表达方便，而且能很好的表达弹性区，塑性区以及弹塑性过渡区，国外的工程实例中倾向于利用它进行计算，其大致曲线如图14所示。
将实测曲线和Reese的砂土p-y曲线对比，如果两者在曲线的变化趋势上接近或者相同，那么就可以认为实测曲线具有一定的准确性；反之，则证明实测曲线的准确性还不够。在这里仅仅比较变化趋势而不是具体的数值，是因为试验使用筛选过的砂土，与Reese使用的砂土并不相同。实测曲线如图15所示。
由图14可得：Reese提出的砂土p-y曲线在弹性和塑性阶段基本是线性的，而在两者的过渡段是幂函数曲线；塑性阶段的起点是桩身位移达到10.2mm，桩周土达到极限土反力时桩身位移为22.9mm。
由图15可得：实测曲线大致也可以分为三段，当水平位移y∈[0.0,9.0](单位为mm，以下水平位移y的单位也是mm)为第一段，此阶段曲线大致为线性；当水平位移y∈[9.0,16.0]为第二段，此阶段曲线上凸，与Reese法的过渡段类似；当水平位移y∈[16.0,34.0]为第三段，此时曲线也大致为线性。
通过对比可以得到：实测曲线和经验曲线在变化趋势上具有相似性，表明实测曲线具有一定的准确性；但实测曲线相关拐点的位置较经验曲线偏后，这可能是试验土体差异引起的。
3、小结
本发明开展速率控制式T-bar模型试验，并与CPT试验进行对比，对不同埋深进行应力控制式T-bar试验。主要得到以下结论：
(1)、同一深度范围，T-bar试验可以比CPT试验获取精度更高的数据，虽然探头型式不同，但反映出相似的土体力学性质。
(2)、T-bar试验的两种控制方式：应力式控制和贯入速率式控制，砂土存在临界贯入速率，小于该临界贯入速率，两种控制方式结果基本一致。针对砂土，可以通过控制贯入速率达到应力式控制一样的结果，从而获得p-y曲线。
(3)、对基于应力式控制获得的p-y曲线进行应力状态的归一化，与经验法p-y曲线进行对比，在变化趋势上实测曲线与经验曲线具有较好的相似性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法，其特征在于：所述基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法包括以下步骤：
S100、进行CPT试验；
CPT试验方案，包括如下步骤：
为检验试验所用人工砂雨法获得的砂样的均匀性，并得到制备土样的锥尖阻力曲线，在进行进一步试验之前需要利用标准锥形探头进行对砂样的进行CPT试验；试验将CPT贯入时的探头探杆的贯入过程视为桩在砂土中被缓慢压入的过程，根据已有的经验认为其影响半径为3~5倍探头的直径；
静力触探采用20 mm/s的贯入速度匀速贯入；试验前已经对探头进行过标定，CPT试验方案包括：
S101、用水泥刀或者小铲子刮平砂土表面，使表面不出现明显的坡度；
S102、安装支架和贯入仪，连接数据采集仪和电脑；
S103、调整探杆位置，使锥形探头的锥尖恰好触及土表面，拧紧固定螺丝；
S104、打开电脑的配套软件，对此时的锥尖阻力示数和深度示数进行记录并且作归零处理，记录是否会出现超出规范值的零飘；如果没有则进行下一步的贯入，如果有则关闭软件，检查各个数据线的连接情况；
S105、缓慢摇动贯入仪的摇杆，通过观察软件中贯入速度窗口的示数，将贯入速度控制在20 mm/s；
S106、贯入至设定深度，只贯入50 cm，砂土总厚60 cm时停止贯入，回收探杆；
S107、在其他条件不变的情况下重复试验两次；
S108、同一孔位进行三次平行试验后，关闭数据采集仪的电源，移动支架进行下一个孔位的试验；
S200、进行贯入速率控制式T-bar试验；
贯入速率控制式的T-bar试验方案，包括如下步骤：
S201、沿用CPT试验的前两步，刮平土体和连接数据采集仪、电脑；
S202、用T型探头换下锥形探头，调整探杆位置使探头下表面恰好接触土体且探头处于0°横放的状态，T型探头的轴和模型箱长边平行；T型探头为国际标准探头，长为250 mm，探头直径为40 mm，探头投影面积为100 cm2；锥形探头为国际标准探头，直径为35.7 mm，长度为31 mm，锥尖顶角为60°，截面面积为10 cm2；
S203、打开电脑的配套软件，调整配置文件中的阻力参数，对锥尖阻力示数和深度示数进行记录并且作归零处理，记录是否会出现超出规范值的零飘；如果没有则进行下一步的贯入，如果有则关闭软件，检查各个数据线的连接情况；
S204、缓慢摇动贯入仪的摇杆，通过观察软件中贯入速度窗口的示数，控制贯入速度在8 mm/s；
S205、贯入至设定深度，停止贯入，点击软件上的“停止锥入”按键，回收探杆；
S206、在其他试验条件不变的情况下重复试验至少一次；
S207、挖出表层砂土，用砂雨法再次铺设，将步骤S202中探头0°横放改为90°竖放，T型探头的轴和模型箱短边平行，重复步骤S201~步骤S206；
S208、关闭数据采集仪的电源，结束试验；
所述T-bar试验方案，包括：T-bar试验中也采用贯入速率控制得到T型探头下的锥尖阻力曲线，以对比CPT试验结果；
S300、进行预埋式应力式控制的T-bar贯入试验；
预埋式应力式控制的T-bar贯入试验的试验方法，包括如下步骤：
将竖直方向上的桩-土相互作用特性，即探头预埋设时的贯入阻力曲线，用于水平方向的桩-土相互作用分析；受模型箱边界条件约束，静载试验的桩最大埋深不超过60 cm，在砂土摩擦角为30°的情况下，静止土压力系数K 0=0.5；在土体上部需要设置预埋设深度；试验的预埋设深度为：4、6、10、12.5、15、20、30 cm，水平土压力为竖直土压力乘K 0，在深度处土体的竖直向特性代表8、12、20、25、30、40、60 cm深处土体的水平向特性；
预埋式应力式控制的T-bar贯入试验的试验方案，包括：
S301、安装好支架和贯入仪，拧紧固定螺丝固定住探杆，用T型探头换下锥形探头；将探头和深度计的电缆连接数据采集仪，连接电脑；
S302、在连接杆上标记好深度，在孔位用小铲子挖掘出比埋设深度深2 cm且符合T-bar截面的长方形坑；摇动摇杆使探头下降到预埋设深度；将挖掘出的砂土用制样时所用的人工砂雨法重新填回，并且用小铲子或者水泥刀刮平土体表面，标记处恰好和表层土齐平；
S303、摇动摇杆使探头接触土体，以0.005MPa为一个加载增量缓慢加载，每过一个加载增量便记录对应的探头阻力和深度仪示数；
S304、当贯入阻力达到1.5MPa，探头总阻力将会达到1500N，会引起贯入仪齿轮空转，此时深度计示数将失真，数据失效；或者贯入量达到8cm时，即两倍T-bar直径，停止贯入，回收探杆；
S305、更换预埋设深度，重复步骤S301~步骤S304；
S306、关闭数据采集仪，结束试验；
S400、获取基于应力控制式T-bar试验的p-y曲线；
获取基于应力控制式T-bar试验的p-y曲线，包括如下步骤：
在T-bar试验选取7个深度，分别为4、6、10、12.5、15、20、30 cm；通过所述应力控制式贯入，测得这七个预埋设深度处的贯入曲线；
用归一化的思想分析各个深度下的锥尖阻力和位移关系，包括：
归一化的探头阻力Q：Q=q net /σ ’ ，其中q net代表探头净阻力；σ ’ 代表此深度处的有效土压力，通过土体的有效重度和深度相乘即可得到；Q为无量纲；
归一化的位移Y：Y=y/D，其中y代表探头预埋设时的位移，D代表T型探头的直径40 mm，Y为无量纲；
将经过上述处理的归一化阻力Q乘以静止土压力系数K 0，试验土体摩擦角为30°，K 0取0.5，得到水平向的归一化土反力P；
由归一化土反力-归一化位移P-Y曲线图可得：T-bar试验所得到的的七条P-Y曲线，在Y的值为0~0.3时，P随Y的增加而增加，而且增加速度较快；在Y>0.3后，P的值虽然随Y的增加而增加，但增加速度较之前有所下降，曲线开始转为较平滑的上升；
由不同深度的P-Y曲线比较可得：在归一化位移Y的值为0~0.4的范围内时，七个埋深处的曲线基本重合，P-Y曲线的归一化结果较好；但在Y的值大于0.5后，曲线开始略有偏差，但曲线所表现出的趋势基本相同；总体上可认为归一化结果较好。
2.根据权利要求1所述的基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法，其特征在于：步骤S100中，CPT试验还包括对手摇式静力触探微型贯入系统进行深度仪的标定试验；
通过计算连接深度仪和贯入机的齿轮旋转角度，换算得到贯入深度，所述深度计的标定方案包括：
1）、安装好支架以及贯入仪，将微型贯入系统连接完毕，将贯入仪上的固定螺丝拧紧，使探杆固定不动；
2）、利用直尺和马克笔以及小刀，在探杆上以5 mm为间距等距标记并用刀刻下痕迹，一共刻下9道，总距离4 cm；
3）、打开数据采集仪的电源开关，连接电脑，调整配置文件里的深度参数，放大十倍；摇动摇杆，记下每条刻痕经过贯入仪上缘时深度仪的示数；
4）、记录下第九道痕迹的示数后，关闭软件和数据采集仪，回收探杆；
5）、整理数据，利用Excel分析。
3.根据权利要求1所述的基于T-bar的p-y曲线的桩-土水平静载相互作用分析方法，其特征在于：步骤S100中，CPT试验还包括对手摇式静力触探微型贯入系统进行锥尖阻力的标定试验；
锥尖阻力的标定采用定做的标定装置，该装置由三部分组成：承载头，承载铁片及固定铁棒，其中承载头和承载铁片焊接为一体；承载头上加工有M14*1.5的螺丝丝口，和锥形探头内部安装螺丝的丝口一致，故将探头的锥形探头部分旋下，换上承载头；承载铁片用于砝码的承重，并且将砝码的压力传至承载头，从而引起探头内部的变形片的变形；铁棒用于固定砝码；锥尖阻力的标定方案包括：
1）、将支架架设在模型箱上，将探头探杆倒过来安装于支架上旋下锥形探头，换上承载头；
2）、固定好固定铁棒，用电缆连接探头和数据采集仪，并将数据采集仪连接电脑，利用软件记下此时的锥尖阻力，并且在此基础上将探头所测的阻力进行归零，并观察是否存在零飘现象；
3）、将砝码分级加载，记下各级的砝码重量，待示数稳定后，记下对应的锥尖阻力；
4）、加载至最大的重量后，依次卸载砝码；卸载完毕，关闭数据采集仪，利用Excel整理数据。
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