基于CPTU的冻融软黏土渗透系数分布测量方法

本发明涉及岩土工程领域，尤其是涉及一种微型孔压静力触探(cptu)的冻融软黏土渗透系数分布测量方法。

背景技术：

1、随着城市地下设施建设的进行，人工地层冻结法作为一种绿色工法被广泛应用于上海等分布有软黏土薄弱地层的地区的地铁旁通道、跨江隧道等地下工程的建设中。但随工程案例增多，人工地层冻结法施工后部分区域出现渗漏及地层完全融化后出现不均匀沉降等问题。

2、土体渗透系数是直接反映土体渗透性的参数，对于研究冻结法地层沉降及渗漏问题具有重要意义。因此，其准确获取研究区域土体渗透系数成为解决冻结法工后问题的关键。

3、在国内，测定土体渗透系数的最主要的方法是试验后取环刀土样进行室内渗透试验。但是对于易受扰动的软黏土，其冻融后为脆弱软土结构，采用该方法取样过程中难免会造成扰动，不能准确模拟现场实际条件，而且耗时较长，费用高。

4、因此，有必要提出一种针对冻融软黏土的土体渗透系数分布测量方案。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，包括：

4、搭建试验箱，在试验箱上包覆保温材料；

5、预设置冻结帷幕边界在试验箱中的位置；

6、在试验箱中设置冻结管，所述冻结管以平行于试验箱侧壁的平面形式设置在试验箱的中央，在试验箱内放入土样，在冻结管第一侧的土样用于测温，在冻结管第二侧的土样用于触探，根据预设置的冻结帷幕边界在冻结管第一侧的土样中埋设横向测温光纤组ⅰ，在冻结管第一侧沿冻结锋面推进方向选取多个平面并分别设置纵向测温光纤组ⅱ；

7、通过循环泵连接冻结管开始进行冻结操作，利用横向测温光纤组ⅰ检测土体冻结冻的冻结帷幕边界是否达到预设置的冻结帷幕边界，若达到，则停止冻结操作，否则，重复此步骤；

8、根据多个平面中的纵向测温光纤组ⅱ的测量数据得到土体的温度区域划分，确定各个触探点位；

9、待土体恢复至室温后，将微型孔压静力触探系统的探头分布伸至各个触探点位，得到孔隙水压力、探头贯入速度和锥头阻力；

10、基于孔隙水压力、探头贯入速度和锥头阻力计算得到各个触探点位的渗透系数。进一步地，所述渗透系数的计算公式为：

11、πa2u＝s'·k·i

12、其中a为探头半径，u为探头贯入速度，s'为探头水流表面积，k为土体渗透系数，触探过程中形成一个包裹住探头的外接球体，i为球体表面处水力梯度。

13、进一步地，探头水流表面积为：

14、

15、其中，α表示探头锥角角度。

16、进一步地，所述微型孔压静力触探系统包括第一移动架、第一驱动机构、第二移动座、第二驱动机构、贯入机构、探杆和探头；

17、所述第一移动架的两端连接试验箱的两个平行侧壁，所述第一驱动机构与第一移动架相连，用于驱动所述第一移动架沿试验箱的两个平行侧壁滑动；

18、所述第二移动座安装在第一移动架上，所述第二驱动机构与第二移动座相连，用于驱动所述第二移动座在第一移动架上滑动，且第一移动架与第二移动座的运行轨道垂直；

19、所述贯入机构设置在第二移动座上，所述探杆一端连接贯入机构，另一端连接探头。

20、进一步地，所述探杆表面设有齿条结构。

21、进一步地，所述微型孔压静力触探系统还包括控制器，所述控制器连接第一驱动机构、第二驱动机构、贯入机构和探头上的传感器。

22、进一步地，所述横向测温光纤组ⅰ设置在预设置的冻结帷幕边界平面上，包括三根深度不同的测温光纤。

23、进一步地，每个平面内设有三组纵向测温光纤组ⅱ，每组纵向测温光纤组ⅱ包括三根与横向测温光纤组ⅰ深度相同的测温光纤，所述三组纵向测温光纤组ⅱ依次设置在平面的不同位置。

24、进一步地，所述测温光纤与测温仪相连。

25、进一步地，还包括总控终端，所述总控终端与测温仪、循环泵和微型孔压静力触探系统相连。

26、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

27、(1)通过微型孔压静力触探(cptu)测定冻融后软黏土渗透系数，可避免取样对冻融后脆弱软土结构的较大扰动，对原有土体的扰动小，所得渗透系数精度高，实现原位渗透系数分布的测定，为冻结法工后精确定位注浆提供参考依据。

28、(2)cptu测定土体渗透系数较传统方法所用时间短，试验周期短，费用低。

29、(3)土体中温度场对称分布，测温区域与触探区域对称分布，避免了温度监测对触探区域的影响，进一步减小扰动，提高了测量精度。

技术特征：

1.一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，所述渗透系数的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，探头水流表面积为：

4.根据权利要求1所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，所述微型孔压静力触探系统包括第一移动架、第一驱动机构、第二移动座、第二驱动机构、贯入机构、探杆和探头；

5.根据权利要求4所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，所述探杆表面设有齿条结构。

6.根据权利要求4所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，所述微型孔压静力触探系统还包括控制器，所述控制器连接第一驱动机构、第二驱动机构、贯入机构和探头上的传感器。

7.根据权利要求1所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，所述横向测温光纤组ⅰ设置在预设置的冻结帷幕边界平面上，包括三根深度不同的测温光纤。

8.根据权利要求1所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，每个平面内设有三组纵向测温光纤组ⅱ，每组纵向测温光纤组ⅱ包括三根与横向测温光纤组ⅰ深度相同的测温光纤，所述三组纵向测温光纤组ⅱ依次设置在平面的不同位置。

9.根据权利要求7或8所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，所述测温光纤与测温仪相连。

10.根据权利要求9所述的一种基于cptu的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，其特征在于，还包括总控终端，所述总控终端与测温仪、循环泵和微型孔压静力触探系统相连。

技术总结
本发明涉及一种基于CPTU的冻融软黏土渗透系数分布测量方法，探究软黏土地层冻结前后不同位置渗透系数变化，搭建试验箱，在试验箱上包覆保温材料；根据工程案例设计模型土体系统及冻结系统；基于光纤测温原理设计试验土体温度监测系统；基于微型孔压静力触探(CPTU)方法设计试验土体不同区域点位渗透系数采集装置；根据工程需求及实际试验温度场划分设计相关数据采集区域及采集点位。与现有技术相比，本申请能够更加准确的获得触变性软黏土在冻融前后不同区域渗透性变化分布，降低了原有相关渗透系数获取过程中因人工取样扰动造成的影响，为实际冻结法施工后区域渗透系数变化数值提供参考，并对易发生渗漏区域提供判断依据。

技术研发人员：周洁,郭仲秋,周华德,刘成君,班超,李泽垚
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12