CN1793917A - 原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头及测量、计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头及测量、计算方法，该探头的结构是：一端是螺纹头，另一端为圆锥形，其中部为带有压力保护槽的圆柱形；探头中心盲孔中充满传导液，压力传感器密封设置在中心盲孔内传导液中；探头圆柱体外壁上设置有凹陷处，与探头圆柱外缘尺寸一致的隔离传导薄片封闭该凹陷处，被隔离传导薄片封闭的凹陷处内有连通探头中心盲孔的传导液。本发明的测量、计算方法步骤如下：通过测量获取饱和土层深度处的水平应力R与时间t关系的曲线；用三点计算法计算初始时刻水平应力R₀和超孔隙水压力消散完成时水平应力；计算固结度U_t；计算水平固结系数C_h和计算静止侧压系数K₀。

Description

原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头及测量、计算方法

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察测量饱和细粒土水平应力的仪器及其测量、计算方法，特别涉及的是一种原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头及测量、计算方法。

背景技术

目前，对地层的静止侧压力系数、固结系数等参数的测定一般都是通过钻探取样、室内试验完成的。完成测量要经钻探取样、运输、试样制备、以及试验等一系列过程，测量过程不可避免的会引起土样的扰动，这必然影响试验结果的准确性。同时该方法耗时长，费用高。

在日本，通常通过应力铲作探头来原位测定这些参数的，该应力铲高215mm，宽98mm、厚5mm。但是由于该应力铲铲头的刚度较小，只适用于锥尖阻力小于0.6MPa的软土；也有的单位在已有应力铲的基础上，将应力铲的厚度增加到8mm，但也只适用锥尖阻力小于0.8MPa的软土。

另外，还有的是使用孔压探头来测试土层固结系数，孔压探头为圆锥形结构。它是通过测量地层中孔隙水压力的消散来估算地层的固结系数。但是孔压探头存在操作复杂的缺点，即测试前需保持探头在真空状态，同时它也不能直接测试土层的侧压力系数。

在参数计算确定方面，应力铲试验是根据应力铲测量的水平应力的稳定值和经验系数来计算土层的静止侧压力系数，但是测量的稳定值不一定就是最终值。孔压探头和应力铲确定水平固结系数的方法相似，一种是通过曲线拟合法来确定，另一种是根据土体的刚度指数和土体破坏时孔隙水压力参数查表计算确定，计算步骤复杂，人为因素影响大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种在大气环境中对于软土、饱和一般黏性土或粉细砂原位准确测试水平应力，为直接计算固结系数、静止侧压力系数提供一种强度高、测量和计算方便的原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头及测量、计算方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头，该探头的一端是与外接螺旋压杆连接的螺纹头，该探头的另一端为圆锥形，其中部为带有压力保护槽的圆柱形；探头的中心盲孔中充满传导液，压力传感器密封设置在中心盲孔内的传导液中；探头中部圆柱体外壁上设置有凹陷处，与探头的圆柱外缘尺寸一致的隔离传导薄片封闭该凹陷处，被隔离传导薄片封闭的凹陷处内有连通探头中心盲孔的传导液。

一种用权利要求1中所述原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头的测量、计算方法，该方法是根据测量的饱和细粒土水平应力能通过计算推导出探头(8)测试处饱和细粒土层的水平固结系数(C_h)和静止侧压系数(K₀)，其测量、计算步骤如下：

(二)、测量、计算水平固结系数(C_h)的步骤如下：

①.通过测量获取饱和细粒土层测试深度处的水平应力(R)与时间(t)关系的曲线：用探头(8)连接压力接收转换器(7)测得饱和细粒土层测试深度处的水平应力(R)与时间(t)关系的曲线；

②用三点计算法计算初始时刻水平应力(R₀)和超孔隙水压力消散完成时水平应力(R_f)，具体计算步骤如下：

a、在步骤①的水平应力(R)与时间(t)关系曲线开始段上选取两个时刻(t₁、t₂)，找出它们对应的应力值分别为(R₁、R₂)；在水平应力(R)与时间(t)关系曲线后段选取时刻(t₃)，找出它对应的应力值(R₃)；

b、用如下公式(7)和(8)分别计算初始时刻水平应力(R₀)和超孔隙水压力消散完成时水平应力(R_f)值：

$R_0=(R_1-R_2\sqrt{\frac{t_1}{t_2}})/(1-\sqrt{\frac{t_1}{t_2}})----\left(7\right)$

$R_f=R_0-\frac{R_0-R_3}{{(1-{((R_0-R_3)(\sqrt{t_2}-\sqrt{t_1})/(R_1-R_2)\sqrt{t_3})}^{5.6})}^{0.179}}----\left(8\right)$

③.计算固结度(U_t)：利用公式(6)计算t时刻探头(8)测试深度处固结度(I_t)，公式(6)如下：

$U_t=\frac{u_0-u_t}{u_0}=\frac{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u-(R_t-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u)}{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u}=\frac{R_0-R_t}{R_0-R_f}----\left(6\right)$

④.计算水平固结系数(C_h)：

a、根据t时刻探头(8)测试深度处的固结度(U_t)值，由如下公式(2)或(4)、求出t₁、t₂、t₃时的时间因数T_v1、T_v2、T_v3的数值：

$T_v=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{4}{U}^2}{{(1-U^{5.6})}^{0.357}}----\left(4\right)$

b、根据如下公式(5)计算出水平固结系数(C_h)：

$C_h=\frac{T_{v1}{r}^2}{t_1}=\frac{T_{v2}{r}^2}{t_2}=\frac{T_{v3}{r}^2}{t_3}----\left(5\right)$

(式中：r——表示探头(8)锥头底面半径)

(二)、计算静止侧压系数(K₀)步骤如下：

按照如下公式计算静止侧压力系数(K₀)

$K_0=\frac{R_f-u}{{\mathrm{\σ}}_v-u}----\left(9\right)$

式中：u-测试点处的静水压力；u＝r_wh

σ_v-测试点处土的竖直向总应力；σ_v＝∑r_ih_i

r_w-水的重度；

h-测试点以上水位高度；

r_i-测试点以上第i层土的重度；

h_i-测试点以上第i层土的厚度。

本发明的有益效果是：本探头采用圆柱形结构，整个结构紧凑型，应用激光焊接机将隔离传导薄片焊接在探头的圆柱体上，使其达到焊接牢固、热变形小、弹性及传导信号失真小的目的。外部整体形成密封结构，使用可靠性更高。材质采用热稳定、超硬沉淀型合金钢。更能适用于恶劣环境下的地质探测。不但可以适用于软土、饱和一般黏性土、粉细砂及硬土层。

本发明根据土力学固结理论，依据探头测得水平应力与时间的关系曲线，采用三点法计算探头压入测试点处初始时刻水平应力R₀和超孔隙水压力消散完成时水平应力R_f；进而计算t时刻测试深度处的固结度U_t和时间因数T_vt；最后计算水平固结系数C_h和静止侧压系数K₀。该方法计算步骤简单、快捷，概念清晰。

本发明的计算方法比已有测量计算方法节省时间和投资。本发明克服了已有技术应力铲刚度小的缺点，也克服了孔压探头只是测量孔隙水压力且操作复杂的缺点。

附图说明

图1是本发明局部剖结构示意图；

图2是探头测得水平应力与时间的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进一步详述：

图1是本发明局部剖结构示意图；图2是探头测得水平应力与时间的关系曲线。

如图所示，本发明提供一种原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头8，该探头8的一端是与外接螺旋压杆连接的螺纹头，探头8的另一端为圆锥形，采用圆锥形结构的目的是便于探头8压入土层。

探头8的中部为圆柱形，在圆柱形外部设置有一定宽度的凹槽，即称之为压力保护槽6，当探头8压入土层会受到一定阻力，压力保护槽6将分解该阻力，减轻探头8圆柱形外壁上承受的力。

探头8的中心设置有中心盲孔10，在中心盲孔10底部有大于中心盲孔10的内腔5，中心盲孔10和内腔5中充满传导液4，压力传感器2密封设置在中心盲孔10内的传导液4中，中心盲孔10上端口设置有密封装置9，该密封装置9采用密封垫进行封闭；或者密封装置9采用密封垫盖，无论采用那种结构必须留有压力传感器2的引线出口。

探头8中部圆柱体外壁上设置有凹陷处11，与探头8的圆柱外缘尺寸一致的隔离传导薄片3封闭该凹陷处11，被隔离传导薄片3封闭的凹陷处11内有连通探头8中心盲孔10的传导液4。

所述探头8的中心盲孔10和内腔5中的传导液4与隔离传导薄片3封闭内腔的传导液4之间通过管道12连通。

所述压力传感器2的电缆接线1从探头8的中心盲孔10引出后连接在探头8外部的已有技术的压力接收转换器7上，该压力接收转换器7是将压力传感器2通过隔离传导薄片3、传导液4感应到土层压力信号转换成电压信号的装置。

所述隔离传导薄片3焊接固定在探头8的圆柱外缘上，其厚度为：0.1mm-0.2mm。选用超硬及薄的钢材能更好的反映土层压力。

所述探头8的中心盲孔用密封装置9密封，该密封装置9是密封垫或者密封盖。

本发明提供一种用上述原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头的测量、计算方法，该方法是根据测量的饱和细粒土水平应力能通过计算推导出探头8测试处饱和细粒土层的水平固结系数C_h和静止侧压力系数K₀，该计算推导过程依据的理论和公式如下：

1.根据饱和细粒土固结理论，在公开的科教书等材料中已经公开如下公式：

根据饱和细粒土固结理论公开了t时刻固结度U_t、时间因数T_v、地层的水平固结系数C_h的计算公式和土力学有效应力原理：

(1)、固结度U_t计算公式：

$U_t=\frac{u_0-u_t}{u_0}=1-\frac{u_t}{u_0}----\left(1\right)$

式中：U_t-t时刻地层某深度处的固结度；

u_t-t时刻地层某深度处超孔隙水压力；

U₀-地层某深度处初始超孔隙水压力。

(2)、时间因数T_v计算公式：

式中：U-固结度；

  T_v-时间因数。

利用曲线配合法，式(2)中两个式子可合并成下面的统一关系式：

$U=\frac{{\left(\frac{{4T}_v}{\mathrm{\π}}\right)}^{0.5}}{{(1+{\left(\frac{{4T}_v}{\mathrm{\π}}\right)}^{2.8})}^{0.179}}----\left(3\right)$

或以U表示T_v：

$T_v=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{4}{U}^2}{{(1-U^{5.6})}^{0.357}}----\left(4\right)$

(3)、水平固结系数C_h计算公式：

$C_h=\frac{T_v{r}^2}{t}$ 或 $T_v=\frac{C_{h}t}{r^2}----\left(5\right)$

式中：C_h-地层的水平固结系数；

  r-锥头底面半径或透水滤器半径(意义为膨胀空穴的半径)；

  t-超孔隙水压力达到某消散度所需时间。

(4)、土力学有效应力原理：σ＝σ′+u_w

式中：σ-土层的总应力

σ′-土层的有效应力；

u_w-土层的孔隙水压力(由超孔隙水压力和静水压力组成)。

2.计算方法

由于探头压入后在饱和细粒土层中产生的有效应力的增量很小，因此若忽略由于探头压入产生的有效应力增量或假定探头压入产生的有效应力增量不随时间变化，由土力学有效应力原理可知，探头测试的是t时刻饱和细粒土层测试点处的水平应力R_t，

R_t＝σ′+u_t+u，或u_t＝R_t-σ′-u

式中σ′-探头测试处土层的有效水平应力。

u-测试点处的静水压力

设初始时刻水平应力R₀，则R₀＝σ′+u₀+u，或u₀＝R₀-σ′-u；超孔隙水压力消散完成时水平应力为R_f，则R_f＝σ′+u。

那么由公式(1)，t时刻探头测试深度处的固结度U_t为：

$U_t=\frac{u_0-u_t}{u_0}=\frac{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u-(R_t-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u)}{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u}=\frac{R_0-R_t}{R_0-R_f}----\left(6\right)$

因此由本方法推导出的公式(6)和探头8测试出的数据，结合公式(2)、(4)、(5)可以推导出计算饱和细粒土水平固结系数的公式。

即利用野外测试探头8测得深度处的饱和细粒土水平应力R与时间t的关系曲线(如图1)，使用三点计算法算出初始时刻R₀，消散完成时R_f，从而获得饱和地层的水平固结系数和静止侧压力系数等参数。

3.计算步骤

(1)水平固结系数C_h的计算步骤

1)根据探头8测试的典型曲线，在曲线的开始段选取两个时刻t₁和t₂(固结度U＜60％)，它们对应的应力为R₁和R₂，由公式(6)则对应的固结度U分别为：

$U_1=\frac{R_0-R_1}{R_0-R_f}$ $U_2=\frac{R_0-R_2}{R_0-R_f}$

由式(5)和式(2)可得：

$T_{v1}=\frac{C_v{t}_1}{r^2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{R_0-R_1}{R_0-R_f}\right)}^2$

$T_{v2}=\frac{C_v{t}_2}{r^2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{R_0-R_2}{R_0-R_f}\right)}^2$

联立解以上两式，可求得：

$R_0=(R_1-R_2\sqrt{\frac{t_1}{t_2}})/(1-\sqrt{\frac{t_1}{t_2}})----\left(7\right)$

2)再在试验曲线的后段(固结度U＞60％)，选取时间t₃时的R₃，由式(4)可以得出：

$T_{v3}=\frac{C_v{t}_3}{r^2}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{\left(\frac{R_0-R_3}{R_0-R_f}\right)}^2/{(1-{\left(\frac{R_0-R_3}{R_0-R_f}\right)}^{5.6})}^{0.357}$

根据T_v1，T_v2和T_v3的三个式子，可以进一步求得：

$R_f=R_0-\frac{R_0-R_3}{{(1-{((R_0-R_3)(\sqrt{t_2}-\sqrt{t_1})/(R_1-R_2)\sqrt{t_3})}^{5.6})}^{0.179}}----\left(8\right)$

3)计算固结度U_t：利用公式(6)计算t时刻探头8测试深度处的固结度U₁

$U_t=\frac{u_0-u_t}{u_0}=\frac{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u-(R_t-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u)}{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u}=\frac{R_0-R_t}{R_0-R_f}----\left(6\right)$

4)根据t时刻探头8测试深度处的固结度U_t值，由公式(2)或(4)、可以求出t₁、t₂和t₃时的时间因数T_v1，T_v2和T_v3的数值

$T_v=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{4}{U}^2}{{(1-U^{5.6})}^{0.357}}----\left(4\right)$

5)、根据公式(5)可以计算出水平固结系数C_h：

$C_h=\frac{T_{v1}{r}^2}{t_1}=\frac{T_{v2}{r}^2}{t_2}=\frac{T_{v3}{r}^2}{t_3}----\left(5\right)$

(式中：r——探头(8)锥头底面半径)

(2)、计算静止侧压力系数K₀步骤如下：

土的静止侧压力系数K₀是土的水平向有效应力与竖直向有效应力之比，忽略由于探头压入产生的有效应力增量，土层的静止侧压力系数K₀为：

$K_0=\frac{R_f-u}{{\mathrm{\σ}}_v-u}----\left(9\right)$

式中：u-测试点处的水压力；u＝r_wh

σ_v-测试点处土的竖直向总应力；σ_v＝∑r_ih_i

r_w-水的重度；

h-测试点以上水位高度；

r_i-测试点以上第i层土的重度；

h_i-测试点以上第i层土的厚度。

下面，对本发明的使用过程进行说明。

首先，将本发明探头8的圆锥形端接触被测的土层，探头8的螺纹头端连接外接螺旋压杆，通过外接螺旋压杆将探头8垂直压入地下时，探头周围的饱和土层将对探头产生压力，该压力通过隔离传导薄片3，经密封导流的传导液4，作用于压力传感器2上，使压力传感器2上的硅电阻发生变化，经过压力接收转换器7，该压力接收转换器7是将压力传感器2通过隔离传导薄片3、传导液4感应到土层压力信号转换成电信号。经过转换后获取饱和土层深度处的水平应力R与时间t关系的曲线；用三点计算法计算初始时刻水平应力R₀和超孔隙水压力消散完成时水平应力；计算固结度U_t；计算水平固结系数C_h和计算静止侧压系数K₀。经上述计算，就能在原位实时测量到饱和细粒土水平应力。

举例如下：

在野外选择场地现场进行了野外试验验证，试验点分别位于地下4.0m、6.0m处。该场地的地下水埋深约1.0m，地层主要由粉质粘土和粉土组成，局部有淤泥质土夹层。测试结果见表1。

               表1  土层应力仪测试结果

时间(s)	测量结果(kPa)
			测试点深度4.0m	测试点深度6.0m
	5	76			173
10			74	171
	20	72			168
60			71	152
	100	70			144
200			66	141
	300	63			137
600			62	129
	1000	61			123
2000			60	115
	3000				111

对应于深度4.0m的测试点，任意选取t₁＝5s   R₁＝76kPa、t₂＝20s  R₂＝72kPa、t₃＝2000s  R₃＝60kPa三点，根据公式(7)、(8)可以计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_0=80\mathrm{kPa}\\ R_f=59.99\mathrm{kPa}\end{array}\right.$

根据R₁、R₂、R₃、R_O、R_f值，可以计算出这三个时刻的固结度，从而由式(4)、(6)可得出这三个时刻的时间因数：

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{v1}=0.0314\\ T_{v2}=0.1258\\ T_{v3}=12.53\end{array}\right.$

该探头的直径5.0cm，根据公式(5)可以分别计算出这三个时刻的水平固结系数：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{h1}=0.039c{m}^2/s\\ C_{h2}=0.039c{m}^2/s\\ C_{h3}=0.039c{m}^2/s\end{array}\right.$

由于该处的地下水位1.0m，可以计算出测试点处的水压力为30kPa；假定该处地层的容重为20kN/m³，则该点的竖直压力为80kPa。根据公式(9)可以计算出该点的静止侧压力系数：

                      K₀＝0.62

同理，对应于深度6.0m的测试点，任意选取t₁＝5s  R₁＝173kPa、t₂＝20s  R₂＝168kPa、t₃＝3000s  R₃＝111kPa三点，可以计算出：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{h1}=0.0054c{m}^2/s\\ C_{h2}=0.0054c{m}^2/s\\ C_{h3}=0.0054c{m}^2/s\end{array}\right.$

同样可得该点的静止侧压力系数：

                      K₀＝0.86

Claims (7)

1.一种原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头，该探头(8)的一端是与外接螺旋压杆连接的螺纹头，其特征在于：该探头(8)的另一端为圆锥形，其中部为带有压力保护槽(6)的圆柱形；探头(8)的中心盲孔(10)中充满传导液(4)，压力传感器(2)密封设置在中心盲孔(10)内的传导液(4)中；探头(8)中部圆柱体外壁上设置有凹陷处(11)，与探头(8)的圆柱外缘尺寸一致的隔离传导薄片(3)封闭该凹陷处(11)，被隔离传导薄片(3)封闭的凹陷处(11)内有连通探头(8)中心盲孔(10)的传导液(4)。

2.根据权利要求1中所述的探头，其特征在于：所述探头(8)的中心盲孔(10)内的传导液(4)与隔离传导薄片(3)封闭内腔的传导液(4)之间通过管道(12)连通。

3.根据权利要求1中所述的探头，其特征在于：所述压力传感器(2)的电缆接线(1)从探头(8)的中心盲孔(10)引出后连接在探头(8)外部的压力接收转换器(7)上。

4.根据权利要求1中所述的探头，其特征在于：所述隔离传导薄片(3)固定在探头(8)的圆柱外缘上，其厚度为：0.1mm-0.2mm。

5.根据权利要求1中所述的探头，其特征在于：所述探头(8)的中心盲孔用密封装置(9)密封。

6.根据权利要求5中所述的探头，其特征在于：所述密封装置(9)是密封垫。

7.一种用权利要求1中所述原位实时测量饱和细粒土水平应力的探头的测量、计算方法，其特征在于：该方法是根据测量的饱和细粒土水平应力能通过计算推导出探头(8)测试处饱和细粒土层的水平固结系数(C_h)和静止侧压系数(K₀)，其测量、计算步骤如下：

(一)、测量、计算水平固结系数(C_h)的步骤如下：

①.通过测量获取饱和细粒土层测试深度处的水平应力(R)与时间(t)关系的曲线：用探头(8)连接压力接收转换器(7)测得饱和细粒土层测试深度处的水平应力(R)与时间(t)关系的曲线；

②用三点计算法计算初始时刻水平应力(R₀)和超孔隙水压力消散完成时水平应力(R_f)，具体计算步骤如下：

a、在步骤①的水平应力(R)与时间(t)关系曲线开始段上选取两个时刻(t₁、t₂)，找出它们对应的应力值分别为(R₁、R₂)；在水平应力(R)与时间(t)关系曲线后段选取时刻(t₃)，找出它对应的应力值(R₃)；

b、用如下公式(7)和(8)分别计算初始时刻水平应力(R₀)和超孔隙水压力消散完成时水平应力(R_f)值：

$R_0=(R_1-R_2\sqrt{\frac{t_1}{t_2}})/(1-\sqrt{\frac{t_1}{t_2}})---\left(7\right)$

$R_f=R_0-\frac{R_0-R_3}{{(1-{((R_0-R_3)(\sqrt{t_2}-\sqrt{t_1})/(R_1-R_2)\sqrt{t_3})}^{5.6})}^{0.179}}---\left(8\right)$

③.计算固结度(U_t)：利用公式(6)计算t时刻探头(8)测试深度处的固结度(U_t)，公式(6)如下：

$U_t=\frac{u_0-u_t}{u_0}=\frac{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u-(R_t-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u)}{R_0-{\mathrm{\σ}}^{\′}-u}=\frac{R_0-R_t}{R_0-R_f}---\left(6\right)$

④.计算水平固结系数(C_h)：

a、根据t时刻探头(8)测试深度处的固结度(U_t)值，由如下公式(2)或(4)、求出t₁、t₂、t₃时的时间因数T_v1、T_v2、T_v3的数值：

$T_v=\frac{\frac{\mathrm{\π}}{4}{U}^2}{{(1-U^{5.6})}^{0.357}}---\left(4\right)$

b、根据如下公式(5)计算出水平固结系数(C_h)：

$C_h=\frac{T_{v1}{r}^2}{t_1}=\frac{T_{v2}{r}^2}{t_2}=\frac{T_{v3}{r}^2}{t_3}---\left(5\right)$

(式中：r——表示探头(8)锥头底面半径)

(二)、计算静止侧压系数(K₀)步骤如下：

按照如下公式计算静止侧压力系数(K₀)

$K_0=\frac{R_f-u}{{\mathrm{\σ}}_v-u}---\left(9\right)$

式中：u—测试点处的静水压力；u＝r_wh

      σ_v—测试点处土的竖直向总应力；σ_v＝∑r_ih_i

      r_w—水的重度；

      h—测试点以上水位高度；

      r_i—测试点以上第i层土的重度；

      h_i—测试点以上第i层土的厚度。