本发明提供了一种基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,步骤为:第一步、通过孔压静力触探报告确定孔压静力触探孔的深度、锥头半径和现场地下水位高度,并且用Robertson土层分类图确定土层划分;第二步、从不同土层获取土样,进行密度试验,确定土层重度;第三步、根据第一步和第二步得到的参数确定孔压静力触探的标准参数,即孔隙水压比和标准锥尖阻力;第四步、根据第三步得到的孔压静力触探的标准参数确定渗透系数指数;第五步、根据土层划分确定初始超孔压径向分布中的土层系数;第六步、根据上述第一步到第五步的结果,确定土的渗透系数。本发明可以比较准确的确定土体的渗透系数,给土体渗透性的勘察设计带来了很大的方便。
1.一种基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于包括以下步骤:第一步、通过孔压静力触探报告确定孔压静力触探孔的深度H、锥头半径a和相对地下水位H_w,并且用Robertson土层分类图确定土层划分;第二步、从不同土层获取土样,进行密度试验,确定土层重度;第三步、根据第一步得到的孔压静力触探孔的深度、锥头半径和相对地下水位和第二步得到的土层重度参数确定孔压静力触探的标准参数,即孔隙水压比B_q和标准锥尖阻力Q_t;第四步、根据第三步得到的孔压静力触探的标准参数确定渗透系数指数;所述渗透系数指数满足公式:当B_qQ_t<0.45时,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="261"/>当B_qQ_t≥0.45时,ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="342"/>其中,K_D是渗透系数指数,无量纲,B_q是孔隙水压比,Q_t是标准锥尖阻力,B_q和Q_t由第三步得到;第五步、根据土层划分确定初始超孔压径向分布中的土层系数α;所述初始超孔压径向分布是指:锥头贯入土体时,超孔隙水压力尚未消散前的锥头附近孔隙水压力的径向分布,满足公式:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="598"/>其中,u是该超孔压分布曲线上任一点的孔隙水压力,u_s是初始静止孔隙水压力,u_a是孔隙水压力,r是该超孔压分布曲线上任一点距锥头的距离,a是锥头半径;所述α是指土层系数,根据土层划分确定:第六步、根据上述第一步到第五步的结果,确定土的渗透系数;所述土的渗透系数是指:反映土的透水性的比例系数,满足公式:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="275"/>其中,k是土的渗透系数,a是锥头半径,γ_w是水的重度,U是第一步孔压静力触探中孔压静力触探贯入仪的贯入速度,K_D是渗透系数指数,α是土层系数,σ′_v0是初始竖向有效应力。
2.根据权利要求1所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,第一步中,所述孔压静力触探是指:将锥头角度为60°、底面积为1000mm²、侧壁摩擦筒表面积为15000mm²的标准的孔压静力触探贯入仪以0.02m/s的贯入速度压入土体中,从而测试锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s和孔隙水压力u_a。
3.根据权利要求1所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,第一步中,所述Robertson土层分类图是指:以摩阻比R_f(%)为横坐标、锥尖阻力q_c为纵坐绘成的土层分类图,按照测试数据,该图将地基土分成不同的土层。
4.根据权利要求1所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,第二步中,所述获取土样是指:用薄壁取土器,在现场测试深度范围内取土,用于做室内密度试验,取土量根据试件量确定,每层土不少于三个试件。
5.根据权利要求1-4任一项所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,第三步中,所述孔隙水压比满足公式:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="646"/>其中,B_q是孔隙水压比,u_a是孔隙水压力,u_s是初始静止孔隙水压力,q_c是锥尖阻力,β是修正面积比,取0.84,σ_v0是初始竖向总应力;所述的初始静止孔隙水压力满足公式:u_s=γ_wh其中,γ_w是水的重度,h是地下水位以下土体的深度;所述的初始竖向总应力满足公式:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="323"/>其中,n是贯入深度范围内的土层总数,由第一步得到;γ_i是第i层土的重度,由第二步得到;h_i是第i层土的深度,由第一步得到。
6.根据权利要求5所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,所述标准锥尖阻力满足公式:xa0ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="680"/>其中,Q_t是标准锥尖阻力,σ′_v0是初始竖向有效应力。
7.根据权利要求6所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,所述初始竖向有效应力是指:土体中土颗粒所传递的竖向粒间应力,满足公式:ntent="drawing" img-format="jpg" inline="no" orientation="portrait" wi="700"/>
8.根据权利要求1-4任一项所述的基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法,其特征在于,第五步中,所述α是指土层系数,具体为:黏土取0.5,粉质黏土取0.3,粉土取0.1,砂质粉土取0.05,砂土取0.01。xa0技术领域
本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法,具体是一种基于孔压静力触探确定土体渗透系数的方法。
背景技术
土体的渗透系数是基坑降水设计、地基沉降估算、边坡的稳定分析等岩土工程设计的一个重要参数,准确获取土体的渗透系数具有重要的工程实际意义。工程中确定土体渗透系数的方法主要有室内试验和现场试验。室内试验存在较多缺点:1)土样扰动较大;2)无法准确地模拟现场条件;3)工作量大、试验时间长、费用高。室内试验测出的渗透系数与现场土体的真实值有较大的差异,尤其当地基中有较多薄砂层或软弱夹层时,误差更大。目前的现场试验测试复杂,工作面和工作量较大,时间长,成本比较高。随着原位测试技术的不断发展,孔压静力触探技术作为一种新型的原位测试技术,已经在工程勘察中得到了广泛应用,如划分土层、判别土类、确定土层参数等。孔压静力触探,即孔隙水压力静力触探,是在标准静力触探的探头上安装了透水器及量测孔隙水压力的传感元件,通过连续测量锥头处的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力来进行原位测试,具有费用低、可靠性好、勘探周期短、设备轻、操作简单等优点。目前用孔压静力触探确定土体渗透系数方法主要为经验方法和消散试验。前者地域性较强,不确定性因素较高,偏差较大;后者需要针对不同的土层进行试验,工作量大,耗时长,成本高。因此,迫切需要一种不用消散试验、而用孔压静力触探直接就可以准确测试土体渗透系数的方法,从而给工程勘察带来巨大的便利。经对现有的技术文献检索发现,2005年Elsworth等在《Journalxa0ofxa0Geotechnicalxa0andxa0Geoenvironmentalxa0Engineering》(2005,Vol.131,No.5pp.643-653)上发表的“Permeabilityxa0determinationxa0fromxa0on-the-flyxa0piezoconexa0sounding(基于孔压静力触探快速确定渗透性)”给出了一个半理论半经验的确定方法,但是该方法仅仅适用于部分排水条件的土和透水性较好的砂土。基于Elsworth的研究,Chai等于2011年在《Géotechnique》(2011,Vol.61,No.00pp.1-10)上发表的“Estimatingxa0hydraulicxa0conductivityxa0fromxa0piezoconexa0sounding(基于孔压静力触探计算渗透系数)”也给出了一个确定渗透系数的方法,但是该方法依靠经验假定初始超孔压分布函数是对特定的黏性地层适用,所得的测试结果与我国的地层差异很大,难于直接应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种土体渗透系数的确定方法,通过孔压静力触探报告确定现场土层划分和相关参数,同时根据密度试验得到现场土的重度,从而确定孔压静力触探的标准参数和渗透系数指数,根据土层划分确定土层分布系数,最终确定土体的渗透系数,从而给岩土勘察设计带来方便。本发明是通过以下技术方案实现的,包括以下步骤:第一步、通过孔压静力触探报告确定孔压静力触探孔的深度H、锥头半径a和相对地下水位H_w,并且用Robertson土层分类图确定土层划分。所述孔压静力触探是指:将锥头角度为60°、底面积为1000mm²、侧壁摩擦筒表面积为15000mm²的标准的孔压静力触探贯入仪以0.02m/s的贯入速度压入土体中,从而测试锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s和孔隙水压力u_a。所述孔压静力触探孔的深度是指:从孔压静力触探孔口到孔底的距离。所述相对地下水位是指:从孔压静力触探孔口至地下水位的距离,地下水位位于孔压静力触探孔口之下时,相对地下水位为负值;地下水位位于孔压静力触探孔口之上时,相对地下水位为正值。所述Robertson土层分类图是指:以摩阻比R_f(%)为横坐标、锥尖阻力q_c为纵坐绘成的土层分类图,按照测试数据,该图可将地基土分成不同的土层。所述摩阻比R_f是指:侧壁摩阻力f_s和锥尖阻力q_c的比值,取百分数。所述土层划分是指:地基土是成层的,不同的土层具有不同的性质。通过土层划分确定孔压静力触探孔的深度范围内的土层总数n以及各土层的深度。第二步、从不同土层获取土样,进行密度试验,确定土层重度。所述获取土样是指:用薄壁取土器,在现场测试深度范围内取土,用于做室内密度试验,取土量根据试件量确定,以每层土不少于三个试件为宜。所述密度试验是指:通过环刀法等密度试验方法测得各土层的湿密度,并计算相应的重度。所述土的重度满足公式:γ=ρg其中,γ为土的重度,ρ为湿密度,g为重力加速度,近似取10m/s²。第三步、根据第一步得到的孔压静力触探孔的深度、锥头半径和相对地下水位和第二步得到的土层重度参数确定孔压静力触探的标准参数,即孔隙水压比和标准锥尖阻力。所述孔隙水压比满足公式: B q = u a - u s q c + u a ( 1 - β ) - σ v 0 ]]>其中,B_q是孔隙水压比,u_a是孔隙水压力,u_s是初始静止孔隙水压力,q_c是锥尖阻力,β是修正面积比,取0.84,σ_v0是初始竖向总应力。所述的初始静止孔隙水压力满足公式:u_s=γ_wh其中,γ_w是水的重度,近似取10kN/m³。h是地下水位以下土体的深度。所述的地下水位以下土体的深度满足公式:h=H+H_w其中,H是孔压静力触探孔的深度,由第一步得到,H_w是相对地下水位,由第一步得到。所述的初始竖向总应力满足公式: σ v 0 = Σ i = 1 n γ i h i ]]>其中,n是孔压静力触探孔的深度范围内的土层总数,由第一步得到,γ_i是第i层土的重度,由第二步得到,h_i是第i层土的深度,由第一步得到。所述标准锥尖阻力满足公式: Q t = q c + u a ( 1 - β ) - σ v 0 σ v 0 ′ ]]>其中,Q_t是标准锥尖阻力,σ′_v0是初始竖向有效应力。所述初始竖向有效应力是指:土体中土颗粒所传递的竖向粒间应力,满足公式: σ v 0 ′ = σ v 0 - u s = Σ i = 1 n γ i h i - γ w h ]]>第四步、根据第三步得到的孔压静力触探的标准参数确定渗透系数指数。所述渗透系数指数满足公式:当B_qQ_t<0.45时, K D = 1 B q Q t ; ]]>当B_qQ_t≥0.45时, K D = 0.044 ( B q Q t ) 4.91 ]]>其中,K_D是渗透系数指数,无量纲,B_q是孔隙水压比,Q_t是标准锥尖阻力,B_q和Q_t由第三步得到。第五步、根据土层划分确定初始超孔压径向分布中的土层系数α。所述初始超孔压径向分布是指:锥头贯入土体时,超孔隙水压力尚未消散前的锥头附近孔隙水压力的径向分布,满足公式: u - u s = ( u a - u s ) e - α ( r a - 1 ) ]]>其中,u是该超孔压分布曲线上任一点的孔隙水压力,u_s是初始静止孔隙水压力,u_a是孔隙水压力,r是该超孔压分布曲线上任一点距锥头的距离,a是锥头半径。所述α是指土层系数,根据土层划分确定,具体可以为:黏土取0.5;粉质黏土取0.3;粉土取0.1;砂质粉土取0.05;砂土取0.01。第六步、根据上述第一步到第五步的结果,确定土的渗透系数。所述土的渗透系数是指:反映土的透水性的比例系数,满足公式: k = a γ w U K D 2 α σ v 0 ′ ]]>其中,k是土的渗透系数,U是贯入速度,U由第一步得到。与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:本发明依托于位错理论、连续性理论和达西定律,综合考虑了孔压静力触探时,初始超孔隙水压力分布特点对锥头表面处水力梯度计算的影响,避免前人凭借纯经验确定初始超孔隙水压力分布特点,造成对土体渗透系数确定的不可靠性。本发明在实际应用中,对传统的方法优势主要是方法简单,耗时较短,费用低,对土体扰动较小,而且能够得到随地层深度连续变化的渗透系数。尤其是当地基中有较多薄砂层或软弱夹层时,传统方法由于现场取土的限制造成室内土样制作的困难,本发明能够连续地测试薄层或软弱夹层的渗透系数。本发明适用于孔压静力触探确定土体渗透系数的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:图1为实施例土层分类图。图2为实施例孔压静力触探报告中的土层划分和测试结果。图3为实施例本方法确定的土体渗透系数与试验值和规范值的对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。实施例:本实施例以孔压静力触探测试结果来说明孔压静力触探测试土体渗透系数的确定方法,本实施例中没有特别说明的操作,参照发明内容中已经给出的方法进行,在此不在赘述。本实施例具体如下所述:某孔压静力触探测试场地位于上海,根据孔压静力触探测试报告,该孔压静力触探孔位于黄浦江底,地下水位比孔口高5.85m,孔深为35.7m,孔压静力触探仪所用锥头半径为0.02185m,贯入速度为0.02m/s。第一步、通过孔压静力触探报告确定相关参数,并且用Robertson土层分类图确定土层划分。首先,根据孔压静力触探报告,得到该孔压静力触探孔的深度为35.7m,锥头半径为0.02185m,贯入速度为0.02m/s、相对地下水位为5.85m。其次,根据孔压静力触探报告,可得到锥尖阻力q_c和摩阻比R_f(%)随深度变化的曲线,见图2,将任意一深度处的摩阻比R_f(%)为横坐标、锥尖阻力q_c为纵坐标的点绘制在Robertson土层分类图中,见图1,根据点在Robertson土层分类图中所处的不同土的区域,则可将现场土体按深度自上而下划分为五层:第1层(0.0~5.51m)为淤泥质粘土层;第2层(5.51~15.03m)为淤泥质粉质粘土层;第3层(15.03~29.54m)是灰色粉质粘土层;第4层(29.54~32.32m)为暗绿色粉质粘土层;第5层(32.32~35.71m)砂质粉土层,见图2。第二步、从不同土层获取土样,进行密度试验,确定土层重度。用薄壁取土器,在现场各土层深度范围内取土,由环刀法密度试验方法得,第1层土的密度为1.73g/cm³,则该层重度为γ=ρg=1.73×10=17.3kN/m³依此类推,第2层土的密度为1.78g/cm³,重度为17.8kN/m³;第3层土的密度为1.78g/cm³,重度为17.8kN/m³;第4层土的密度为2.02g/cm³,重度为20.2kN/m³;第5层土的密度为1.96g/cm³,重度为19.6kN/m³。第三步、确定孔压静力触探的标准参数。以10m深度处为例,来说明任一深度处的计算过程:由第一步、第二步得10m深度范围内有两个土层:0.0~5.51m为淤泥质粘土层,重度为17.3KN/m³;5.51~10m为淤泥质粉质粘土层,重度为17.8kN/m³,10m处的孔隙水压力u_a为0.37831MPa,锥尖阻力q_c为0.60177MPa,地下水位以下土体深度h为15.85m,则10m深度处初始静止孔隙水压力u_s为u_s=γ_wh=10×15.85=0.1585MPa初始竖向总应力σ_v0为 σ v 0 = Σ i = 1 n γ i h i = 10 × 5.85 + 17.3 × 5.51 + 17.8 × ( 10 - 5.51 ) = 0.23375 MPa ]]>初始的竖向有效应力σ′_v0为 σ v 0 ′ = σ v 0 - u s = 0.23375 - 0.1585 = 0.07525 MPa ]]>孔隙水压比B_q为 B q = u a - u s q c + u a ( 1 - β ) - σ v 0 = 0.37831 - 0.1585 0.60177 + 0.37831 × ( 1 - 0.84 ) - 0.23375 = 0.512916 ]]>标准锥尖阻力Q_t为 Q t = q c + u a ( 1 - β ) - σ v 0 σ v 0 ′ = 0.60177 + 0.37831 × ( 1 - 0.84 ) - 0.23375 0.07525 = 5.695011 ]]>第四步、确定渗透系数指数。由第三步得B_qQ_t=0.512916×5.695011=2.921062>0.45则渗透系数指数K_D为 K D = 0.044 ( B q Q t ) 4.91 = 0.044 ( 2.921062 ) 4.91 = 2.28 × 10 - 4 ]]>第五步、根据土层划分确定初始超孔压径向分布中的土层系数α。以10m深度处为例,来说明任一深度处的计算过程:由第一步得10m处为淤泥质粉质粘土,则10m处初始超孔压径向分布中的土层系数α取0.3。第六步、确定土的渗透系数。以10m深度处为例,来说明任一深度处的渗透系数确定过程:由第一步得锥头半径为0.02185m,贯入速度为0.02m/s,则土体10m深度处土体的渗透系数为 k = a γ w UK D 2 α σ v 0 ′ = 0.02185 × 10 × 0.02 × 2.28 × 10 - 4 2 × 0.3 × 0.07525 = 2.2068 × 10 - 8 m / s ]]>如图3所示,本发明实施例确定的土体渗透系数与试验值和规范值的对比图,可以看出,本实施例可以比较准确的确定土体的渗透系数,相比以前的方法,更准确,给土体渗透性的勘察设计带来了很大的方便。以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。