CN116244813B - 一种基于触探技术的土体强度参数反演方法 - Google Patents

一种基于触探技术的土体强度参数反演方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于触探技术的土体强度参数反演方法，包括：S1，地质勘探，获取场地触探锥尖阻力及侧摩阻力数据，绘制锥尖阻力和侧摩阻力随深度的变化曲线；S2，结合基于触探参数的土性划分图划分地层土性；S3，绘制锥尖阻力变化的整体趋势线，提取层顶和层底数据；S4，基于贯入极限理论计算土体内摩擦角和粘聚力；S5，采用S4的方法反演各层的土体强度参数。该反演方法以触探贯入的极限平衡理论为基础，利用迭代计算方法进行土体强度参数解析，其能够较直接地反映触探数据和土体强度参数的相关关系，从而基于触探数据反演对应土体的内摩擦角和粘聚力，避免了传统方法过度依赖经验公式的不足，可广泛应用于岩土勘察领域。

Description

一种基于触探技术的土体强度参数反演方法
技术领域
本发明涉及工程勘察中土体强度参数反演研究领域，特别是涉及一种基于触探技术的土体强度参数反演方法。
背景技术
深层触探因具有数据获取较连续、勘察速度快、数据已考虑土体真实应力水平等优势在工程勘察中广泛应用，基于触探技术的土体强度反演对工程勘察设计具有重要意义。目前，基于触探的土体强度反演主要有半经验公式法、基于扩孔理论的强度反演法等，其中以半经验公式法应用较多，该方法将触探所得的锥尖阻力和侧阻与土样通过室内土工试验所得参数之间建立经验公式，从而应用于更多的触探数据，该方法经验性较强，不适用于新场地、新土质，有一定的局限性。基于扩孔理论的强度反演法，目前研究不足，经验证仅适用于某些纯黏土和纯砂土，适用性不足。我国陆相、海相土体普遍分布粉质黏土、粉土等，兼具一定的内摩擦角和粘聚力，目前基于触探的土体强度反演方法较难解决该问题。
发明内容
针对现有基于触探的土体强度参数反演方法存在的问题，本发明提供一种简单易行、省时高效的基于触探技术的土体强度参数反演方法。
为此，本发明采用以下技术方案：
一种基于触探技术的土体强度参数反演方法，包括以下步骤：
S1，根据岩土工程勘察技术大纲，在工程现场布置触探孔，采用双桥触探探头贯入土中，在贯入过程中实时获取触探探头所受的锥尖阻力及侧摩阻力数据，并绘制锥尖阻力和侧摩阻力随深度的变化曲线；
S2，根据步骤S1获取的侧摩阻力及触探锥尖阻力数据计算摩阻比（侧摩阻/锥尖阻力），结合《铁道工程原位测试规程》中基于触探参数的土性划分图进行地层土性划分；
S3，根据步骤S1获得的变化曲线以及步骤S2划分的土层绘制触探锥尖阻力变化的整体趋势线，并根据所述整体趋势线提取层顶和层底处对应的触探数据；
S4，基于触探贯入极限理论计算土体的内摩擦角和粘聚力，包括以下分步骤：
S41，确定土层 i 的顶面埋深h i1、顶面以下10cm处触探所得的锥尖阻力q ci1以及土层底面埋深h i2、底面以上10cm处触探所得的锥尖阻力q ci2；
S42，根据S1中实时获取的锥尖阻力数据计算土层 i 范围内实测锥尖阻力的平均值，得到平均锥尖阻力，并计算土层 i 的重度/>，公式如下：
；
；
；
S43，设定土层 i 的土体强度参数值，所述土体强度参数包括内摩擦角为和粘聚力/>；
S44，采用步骤S43设定的土体强度参数值计算触探贯入时周围土体的应力状态，公式如下：
土体所受主应力：
；
土体所受的切应力：
；
式中：，/>，/>；
S45，计算出和/>后，根据步骤S43假定的土体强度参数值绘制抗剪强度线，依据摩尔圆与抗剪强度线相切及摩尔圆过点（/>）绘制摩尔圆，得到摩尔圆与抗剪强度线的切点与摩尔圆圆心及点（/>）形成的夹角，该夹
角为，然后计算影响范围的螺旋线夹角：
；
S46，将上述参数代入锥尖阻力计算公式：
；
；
其中：
；
；
S47，对比和/>，若/>，则调小内摩擦角；反之，则调大内摩擦角；
S48，将调整后的内摩擦角代入步骤S44至S47的过程，直至；
S49，对比和/>，若/>，则调小粘聚力；反之，则调大粘聚力；
S4-10，将调整的粘聚力代入，继续S44-S47的过程，直至；满足S4的内摩擦角和粘聚力为土层i的土体强度参数；
S5，对于划分的各层土体，均采用S4所示计算过程进行反演，得到基于该触探数据的触探孔各土层的土体强度参数。
优选的是，步骤S43所述的内摩擦角为3°-40°，所述粘聚力c i0为0-50 kPa。
对于黏性土，所述内摩擦角为3°-30°，粘聚力c i0为0-50 kPa；对于砂性土，所述内摩擦角/>为 3°-40°，粘聚力c i0为0-20 kPa。
本发明的土体强度参数反演方法以触探贯入的极限平衡理论为基础，利用迭代计算方法进行土体强度参数解析。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 该方法基于极限平衡原理建立了触探贯入阻力和土体强度参数的相关关系，能够较直接地反映触探数据和土体强度参数的相关性，采用迭代计算实现了基于触探数据的土体内摩擦角和粘聚力的反演，弥补了传统方法过度依赖经验公式的不足；
2. 该方法简单易行、省时高效，反演所得的土体强度参数与室内土工试验结果较接近，反演效果良好，可广泛应用于岩土勘察领域。
附图说明
图1是本发明的基于触探技术的土体强度参数反演方法流程图。
图2是本发明实施例一中的锥尖阻力和侧摩阻力随深度的变化曲线；
图3是本发明实施例一中的基于触探的土层划分图；
图4是本发明实施例一得到的触探锥尖阻力变化的整体趋势线；
图5是本发明反演方法假定的触探贯入模式示意图，图中的D为触探探头影响深度；β为触探影响范围的被动区夹角；q为触探贯入处的上覆压力。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一
利用本发明的方法对某工程场地的土体强度参数进行反演。所述场地为巨厚的第四系地层，地貌类型主要为潮坪地貌，具有海陆相相互交替沉积的特点，岩性主要由粉质黏土、粉土、砂类土构成，分布较稳定。
参见图1，对上述场地的土体强度参数进行反演的方法包括以下步骤：
S1，根据岩土工程勘察技术大纲，在工程现场布置触探孔，采用双桥触探探头贯入土中，在贯入过程中，每0.1m实时获一组取触探探头所受的锥尖阻力和侧摩阻力，并绘制锥尖阻力和侧摩阻力
随深度的变化曲线，如图2所示；
S2，根据S1获得的侧摩阻力及触探锥尖阻力数据计算摩阻比（侧摩阻力/锥尖阻力），结合《铁道工程原位测试规程》中基于触探参数的土性划分图进行地层土性划分，划分结果如图3所示；
S3，根据步骤S1获得的变化曲线以及步骤S2划分的土层绘制触探锥尖阻力变化的
整体趋势线，如图4所示。根据所述整体趋势线提取层顶和层底处对应的触探数据，如表1所示；
S4，基于触探贯入极限理论计算土体的内摩擦角和粘聚力。以下结合图5以第一层（即土层1）为例进行详述：
S41，根据触探锥尖阻力趋势线，确定土层1的顶面埋深h 11=0、顶面以下10 cm处触探所得的锥尖阻力q c11=0.3286 MPa；土层1的底面埋深h 12=17.7 m、底面以上10cm处触探所得的锥尖阻力q c12=1.0343 MPa。
S42，根据S1中实时获取的锥尖阻力数据计算土层1范围内实测锥尖阻力的平均值，得到土层1的平均锥尖阻力，土层1的土体天然容重；
S43，假定土层1的土体强度参数值：内摩擦角为=10°，粘聚力为/>=20 kPa。
S44，采用上述土体强度参数值计算触探贯入时周围土体的应力状态：
顶面以下10cm处土体所受主应力：
，
其中：
为触探探头影响深度，约为0.2m；
为第一层土体的静止土压力系数，/>；
为触探影响范围的被动区夹角，如图5所示，/>；
为触探-土外摩擦角，/>；
为触探贯入处的上覆压力，为土体天然容重/>和深度的乘积。
顶面以下10cm处土体所受的切应力：
S45，计算出和/>后，根据步骤S43假定的粘聚力和内摩擦角绘制抗剪强度线，依据摩尔圆与抗剪强度线相切及摩尔圆过点（/>）绘制摩尔圆，得到摩尔圆与抗剪强度线的切点与摩尔圆圆心及点（/>）形成的夹角即为/>，经计算夹角，计算得到影响范围的螺旋线夹角/>：
；
S46，将上述参数代入锥尖阻力计算公式，即：
初始顶面触探锥尖阻力的理论计算结果为：
；
初始底面触探锥尖阻力的理论计算结果为：
；
其中：
N c10为粘聚力承载系数，计算公式如下 ：
；
N q10为边载承载系数，计算公式如下 ：
；
S47，由于，因此调大内摩擦角φ i0，调为13.05°。
S48，将调整后的内摩擦角代入，经计算。
S49，此时，，调大粘聚力，调为39.9kPa，此时/>。
上述计算所得第一层土体的内摩擦角为13.05°，粘聚力为39.9kPa。
S5，参照上述计算，对下面3层土进行计算，得到基于该触探数据的各土层的土体强度参数，并与室内土工试验所得强度参数进行对比，如表2所示。
表2 各土层土体强度参数表
由表2可知，基于触探反演的土体强度参数与室内试验所得参数相近，验证了本发明方法的合理性和可靠性。
需要说明的是，土层2基于触探所得参数中粘聚力为10kPa，而室内试验所得参数为3kPa，有一定差别。由于该层为砂土，砂土的关键参数为内摩擦角，内摩擦角的大小直接决定了砂土的强度，相比之下，砂土的粘聚力对砂土的强度表征影响极小。由表中数据可知，基于触探计算所得的内摩擦角与室内实验所得内摩擦角相差较小，因此认为该层的基于触探反演的土体强度参数与室内试验所得参数相近。

Claims (3)

1.一种基于触探技术的土体强度参数反演方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据岩土工程勘察技术大纲，在工程现场布置触探孔，采用双桥触探探头贯入土中，在贯入过程中实时获取触探探头所受的锥尖阻力及侧摩阻力数据，并绘制锥尖阻力和侧摩阻力随深度的变化曲线；
S2，根据步骤S1获取的侧摩阻力及触探锥尖阻力数据计算摩阻比，结合《铁道工程原位测试规程》中基于触探参数的土性划分图进行地层土性划分；
S3，根据步骤S1获得的变化曲线以及步骤S2划分的土层绘制触探锥尖阻力变化的整体趋势线，并根据所述整体趋势线提取层顶和层底处对应的触探数据；
S4，基于触探贯入极限理论计算土体的内摩擦角和粘聚力，包括以下分步骤：
S41，确定土层 i 的顶面埋深h i1、顶面以下10cm处触探所得的锥尖阻力q ci1以及土层底面埋深h i2、底面以上10cm处触探所得的锥尖阻力q ci2；
S42，根据S1中实时获取的锥尖阻力数据计算土层 i 范围内实测锥尖阻力的平均值，得到平均锥尖阻力，并计算土层 i 的重度/>，公式如下：
；
；
；
S43，设定土层 i 的土体强度参数值，所述土体强度参数包括内摩擦角和粘聚力；
S44，采用步骤S43设定的土体强度参数值计算触探贯入时周围土体的应力状态，公式如下：
土体所受主应力：
；
土体所受切应力：
；
式中：，/>，/>；
S45，计算出和/>后，根据步骤S43设定的土体强度参数值绘制抗剪强度线，依据摩尔圆与抗剪强度线相切及摩尔圆过点（/>）绘制摩尔圆，得到摩尔圆与抗剪强度线的切点与摩尔圆圆心及点（/>）形成的夹角，该夹角为/>，然后计算影响范围的螺旋线夹角：
；
S46，将上述参数代入锥尖阻力计算公式：
；
；
其中：
；
；
S47，对比和/>，若/>，则调小内摩擦角；反之，则调大内摩擦角；
S48，将调整后的内摩擦角代入步骤S44至S47的过程，直至；
S49，对比和/>，若/>，则调小粘聚力；反之，则调大粘聚力；
S410，将调整的粘聚力代入，继续S44-S47的过程，直至；满足S4的内摩擦角和粘聚力为土层i的土体强度参数；
S5，对于划分的各层土体，均采用S4所示计算过程进行反演，得到基于该触探数据的触探孔各土层的土体强度参数。
2.根据权利要求1所述的基于触探技术的土体强度参数反演方法，其特征在于：步骤S43所述的内摩擦角为3°-40°，所述粘聚力/>为0-50 kPa。
3.根据权利要求2所述的基于触探技术的土体强度参数反演方法，其特征在于：对于黏性土，所述内摩擦角为3°-30°，粘聚力/>为0-50 kPa；对于砂性土，所述内摩擦角/>为 3°-40°，粘聚力/>为0-20 kPa。
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