一种探测软粘土不排水剪切强度的条形探头及计算方法与流程

本发明属于海洋工程地基勘察领域，具体的说，是涉及一种用于探测软粘土不排水剪切强度的原位静力触探探头和探测软粘土不排水剪切强度的计算方法。

背景技术：

我国现行标准规定大于500米水深的区域称为“深海区”。深海中海洋工程结构物在结构形式、承力特点、基础性能等方面与浅海结构物有很大的不同，在设计施工中对土体参数的需求也不同。因此，准确获取深海海床浅表层土体的强度参数对保证深海海洋结构物的安全稳定性具有极为重要的意义。

由于深海独特的沉积特性，海床浅表层土体多为颗粒均匀结构性较强的软粘土，具有强度低、静孔压大、灵敏度高、流塑性强的特点，目前已有的常规勘察方法极难得到准确的强度参数。

传统的强度评定方法有贯入试验、十字板剪切试验和三轴压缩试验。贯入试验应用较多的是锥式静力触探和微型贯入仪，锥式静力触探得到的贯入阻力与抗剪强度之间的关系更多的是依靠工程实践经验，因为经验参数范围较大，选取不当容易造成计算结果存在较大的误差；微型贯入仪轻便简单但对实验操作要求极高：贯入速率均匀恒定，不能有过快冲击或停顿；读数快速准确；始终保持微型贯入仪垂直贯入土体等。三轴压缩试验操作复杂，且试验周期较长。而十字板剪切试验测得值趋于残余强度，不能反映土体真正的峰值强度，且离散性较大，容易受到土体扰动程度的影响。

技术实现要素：

本发明要解决的是探测软粘土不排水剪切强度的技术问题，而提供了一种探测软粘土不排水剪切强度的条形探头及计算方法，通过将该条形探头连续贯入土中，根据测得的土体阻力确定软粘土的不排水剪切强度。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种探测软粘土不排水剪切强度的条形探头，包括探杆，所述探杆底端连接有长方形的条形端头，所述条形端头以其长方形截面中心位置与所述探杆固定，所述探杆下端靠近所述条形端头安装有测力单元。

其中，所述探杆顶部设置有螺纹。

其中，所述条形端头的宽度为2-8cm、长度为宽度的至少5倍、厚度为0.5-1cm。

其中，所述测力单元为电阻式力传感器或光纤力传感器。

其中，所述探杆和所述条形端头均由不锈钢制成。

一种利用上述条形探头探测软粘土不排水剪切强度的计算方法，应用所述条形探头对软粘土进行静力触探试验，测得软粘土的条形探头贯入阻力，通过公式(1)和(2)计算软粘土不排水剪切强度su：

式中：b为所述条形探头中所述条形端头的宽度，

p为所述条形探头的贯入阻力，

su为软粘土不排水抗剪强度，

α为所述条形探头与软粘土之间的粘聚力系数，其中sinδ＝α＝a/su，a为所述条形探头与软粘土之间的粘聚力；

通过公式(1)和(2)计算得到软粘土不排水剪切强度su的上限值和下限值，即可得出到软粘土不排水剪切强度su的范围。

本发明的有益效果是：

(一)本发明的条形探头及计算方法探测软粘土不排水剪切强度，由于条形探头破坏机制可以消除上覆土压力和孔隙水压力的影响，无需额外修正；

(二)本发明的条形探头及计算方法探测软粘土不排水剪切强度，由于条形探头投影面积比锥式探头大，可以得到更为精确的不排水剪切强度值；

(三)本发明的条形探头及计算方法探测软粘土不排水剪切强度，条形探头贯入阻力与软粘土不排水剪切强度之间的关系具有严格的理论解，从而大大降低了人为经验因素对计算结果的影响。

附图说明

图1是本发明所提供的条形探头的结构示意图；

图2是本发明所提供的条形探头的设计图；

其中(a)为正立面图；(b)为侧立面图；(c)为俯视图；

图3是条形探头的全流动运动模式图；

图4是本发明的条形探头与原位十字板测得的土体不排水剪切强度的结果对比图。

上述图中：1、条形端部；2、测力单元；3、探杆；4、螺纹。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种探测软粘土不排水剪切强度的条形探头，主要由条形端部1、测力单元2以及探杆3组成。

条形端头1由一长方形不锈钢板制成，其长a(50cm)，宽b(8cm)，厚c(1cm)。通常来讲，条形端头1的宽度b在2-8cm，长度a为宽度的5倍以上，厚度c在0.5-1cm之间。

探杆3也采用不锈钢制成，探杆3为圆柱体，直径e(4cm)，长d(200cm)；探杆3的直径一般与条形端头1的宽度相等或略小。探杆3顶端开有螺纹4，可以与普通的静力触探探杆相连接。探杆3底端固定在条形端头1的长方形截面中心位置。

探杆3的下端靠近条形端头1安装有测力单元2，测力单元2可为电阻式力传感器或光纤力传感器。

利用上述条形探头的探测软粘土不排水剪切强度的方法如下：

1、对探测系统的各个组成部分分别进行测试，验证其有效性。

在第一次使用前，需要对测力单元2的力传感器进行标定，以后每半年重新进行标定。

3、将原静力触探系统的锥式探头取下，安装本发明提供的条形探头。

4、测量与贯入方法和静力触探系统的测量与贯入方法相同，此处不再赘述。

5、根据测试得到的条形探头贯入阻力数据通过公式(1)和(2)计算软粘土不排水剪切强度su：

式中：b为条形探头中条形端头1的宽度，

p为条形探头贯入阻力，

su为软粘土不排水抗剪强度，

α为所述条形探头与软粘土之间的粘聚力系数，其中sinδ＝α＝a/su，a为所述条形探头与软粘土之间的粘聚力；

通过公式(1)和(2)计算得到软粘土不排水剪切强度su的上限值和下限值，即可得出到软粘土不排水剪切强度su的范围。

与传统的强度测试方法相比，本发明的探测软粘土不排水剪切强度的条形探头及计算方法，具有如下优点：

(一)与传统锥式静力触探探头相比，通过条形探头贯入阻力p计算软粘土不排水抗剪强度su时，可消除上覆土压力和孔隙水压力的影响，无需额外修正：

条形探头贯入过程符合全流动破坏模式。所谓的土体的全流动模式就是符合图3所示的的土体运动场和应力场。图3中曲线为土体的运动线，射线为土体的主应力线。该流动模式认为在条形探头贯入过程中，土体沿条形探头下端环绕条形探头截面可以完全流动到条形探头的顶端，且土体运动场上下左右相互对称。

根据全流动破坏模式，土体运动的位移场和应力场是上下左右相互对称的，因此在忽略条形探头本身厚度范围内土体的上覆压力与孔压差异的条件下，可以认为上覆土压力与孔压对条形探头的贯入阻力没有影响。但条形端头1和探杆3连接部分没有和土体相接触，针对此处需要对全流动静力触探方法测得的土体阻力进行孔压修正和容重超载修正。全流动探头的贯入和拔出阻力修正公式如下：

qfull-flow＝qt-[σv0-u0(1-α)]as/ap(3)

式中，qfull-flow为修正后的土体阻力，qt为测得的探头阻力；σv0为土体贯入深度处的土体上覆土压力；u0为贯入深度处的孔压；as为探杆3横截面积；ap为条形端头1的竖向投影面积。由于as/ap一般小于1/10，此修正常常也忽略不计。

(二)由于条形探头投影面积比锥式探头大，因此可以得到更为精确的软粘土不排水剪切强度：

由于深海中孔隙水压力u2很大，在10mpa～15mpa之间，而深海浅表层土体强度较低，有效锥尖阻力在10～100kpa之间。有效锥尖阻力只有孔压的1‰～1％左右，几乎与力探测原件的误差范围一致，因此很难测得较为准确的有效锥尖阻力。而条形探头的平面投影面积为锥式探头的10到100倍，相应的有效贯入阻力也比锥式探头大10到100倍左右，因此在相同的测量条件下，测得的条形探头贯入阻力的相对测量误差也比锥式探头小10到100倍。

(三)条形探头贯入阻力与软粘土不排水剪切强度之间的关系具有严格的理论解：

根据土体塑性理论，将土体简化为刚塑性材料，满足tresca屈服准则，且不考虑土重的影响。利用滑移线理论，构造条形探头贯入过程土体的滑移线场(如图3所示)，在此基础上建立了机动容许的运动场和静力允许的应力场，可求得条形探头贯入过程的软粘土阻力上下限解。

下限解为：

上限解为：

式中：b为条形探头中条形端头1的宽度，p为条形探头贯入阻力，su为软粘土不排水抗剪强度，α为所述条形探头与软粘土之间的粘聚力系数，其中sinδ＝α＝a/su，a为所述条形探头与软粘土之间的粘聚力。

应用本发明条形探头对某处软粘土地基开展了静力触探试验和十字板剪切试验，试验方法如上所述，贯入深度为3m，根据测试数据计算出了土体不排水强度随深度的变化曲线，测试结果如图4所示。由图4可知，条形探头的测试结果与原位十字板测得软粘土不排水抗剪强度十分接近，证明了条形探头的有效性和准确性。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。