基于孔压静力触探测试确定土体渗透系数的方法研究

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本研究针对孔压静力触探过程中锥头贯入引起的土体应力、变形及超孔隙水压力分布的问题,应用理论分析、室内试验和数值模拟分析相结合的方法研究探索利用孔压静力触探试验成果直接确定土体渗透系数的方法。通过基于位错理论和前人应用孔压静力触探确定土体渗透系数的计算模型,提出了一些切合实际情况的假定,建立了可以应用孔压静力触探确定土体渗透系数新的计算模型。通过室内试验证明了锥头贯入引起的土体应力、变形规律,同时对所提出的假定和新的计算模型进行了验证。通过分析现场桩贯入过程中引起的孔隙水压力变化,总结出了锥头贯入过程中土体中超孔隙水压力分布规律,建立了一套孔压静力触探确定土体渗透系数的理论。通过应用本研究提出的新理论分析了中国上海、日本佐贺、横滨三个工程实例中的土体渗透性问题。本研究的主要内容和创新成果如下:  (1)提出了孔压静力触探过程中锥头贯入引起的锥头处土体变形和孔隙水消散模型是半椭球形:因为半椭球形假定考虑了锥头的角度,可以让锥头处土体和孔隙水流将锥头全部包裹住,从而适用于孔压静力触探研究土体的渗透性问题。  (2)验证了基于位错理论的锥头处土体孔穴呈半椭球形型的计算模型:通过室内试验和数值模拟确立了锥头贯入过程中锥头处土体应力应变规律,考虑了不同锥尖角度对土体变形的影响。试验结果和数值模拟结果表明锥头角度越大,锥头处土体的变形越小,采用半椭球形流的假定是可行的。  (3)确定了锥头贯入引起的不同土性中超孔隙水压力的分布规律:通过分析已有的桩和孔压静力触探贯入的试验数据确立了锥头贯入过程中不同土性对超孔隙水压力分布的影响规律。结果显示在锥头贯入过程中,初始超孔隙水压力呈负指数型分布的性状;同时不同的土性也会影响到超孔隙水压力的分布规律,在应用该规律时,需要考虑土的颗粒级配的构成。  (4)提出了孔压静力触探直接确定土体渗透系数的计算方法:锥头角度对土体渗透性的影响在于改变锥尖处土体孔穴中的孔隙水流面积,不同土层对土体渗透性的影响在于粒径大小和颗粒级配,所以引入锥头角度和孔压分布系数对半球形流模型进行修正,得到基于半椭球形流模型的孔压静力触探直接确定土体渗透系数的计算方法,给出了新的计算公式。  (5)实例分析:应用本研究提出的半椭球形流模型分析中国上海、日本佐贺、横滨三个工程实例中的土体渗透系数,结果发现,本研究提出的半椭球形流模型不仅可以较好地预测海成粘土土体渗透系数的大小和趋势,而且可以很好地预测河口三角洲粉土含量较高土体的渗透系数。这是由于Chai等的计算模型可以很好地预测海洋环境下沉积的粘土颗粒含量较高土体的渗透系数;但对高粉土含量的预测结果较差。而本研究提出的半椭球形流模型由于考虑了锥头角度和不同土层中的土性参数的影响,计算结果较好。
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