测量软黏土的不排水剪切强度的系列探头及试验方法

摘要

本发明提供一种测量软黏土的不排水剪切强度的系列探头，每个探头包含牵引部分和锥头主体部分，其特征在于，根据锥头主体部分的形状，分为圆锥型锥头、球型锥头和实心圆柱型锥头，在三种锥头侧壁均设有深度标尺。具体地，所述圆锥型锥头，总重60g、锥角为60°、锥头高度25mm；所述球型锥头，总重60g、球体半径22mm；所述实心圆柱型锥头，总重60g、实心圆柱半径22mm。本发明同时给出利用所述的系列探头实现的测量软黏土的不排水剪切强度的试验方法，称其为落锥法。本发明具有测试方便，效率高，准确度也较高的优点。

说明书

技术领域

本发明属于海洋工程地基勘察领域，特别涉及一种可以快速测量极软的饱和粘土不排水强度的计算体系。

背景技术

与内陆的岩土工程不同，海洋独特的沉积特点使得海床浅层的沉积物多为软黏土。由于表层饱和软黏土的强度很小，采用常规的测试方法很难准确确定其强度。作为海洋工程中非常重要的参数，准确的确定土的不排水强度是保证海洋工程结构物稳定安全的前提。

黏土的不排水抗剪强度大小受多种因素的影响，如试验方法、加载速率、初始应力状态、应力路径等。传统的黏土不排水抗剪强度的测试方法有很多种，可以分为室内试验和原位试验两类。室内试验有：单剪试验、直剪试验、无侧限抗压试验、扭剪试验以及三轴试验等；原位试验有：十字板试验、袖珍贯入试验、CPT试验、旁压试验、全流贯入仪试验等等。

但是，处于深海表层的饱和软黏土，不排水剪切强度非常低、灵敏度高，这些黏土多处于固体状态与流体状态之间。因此，三轴试验以及直剪试验等室内试验无法正常开展，这给确定饱和软黏土的不排水抗剪强度的增加了难度；而原位试验由于各种原因，很难得到表层土体的准确参数，确定的抗剪强度多是依靠工程经验选取参数进行计算。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可靠、简洁、准确的测定软黏土，尤其是饱和软黏土不排水剪切强度的系列探头及试验方法，通过向土体落锥后测得的锥头贯入深度确定软黏土的不排水剪切强度。为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案予以实现：

一种测量软黏土的不排水剪切强度的系列探头，每个探头包含牵引部分和锥头主体部分，其特征在于，根据锥头主体部分的形状，分为圆锥型锥头、球型锥头和实心圆柱型锥头，在三种锥头侧壁均设有深度标尺。

优选地，所述圆锥型锥头，总重60g、锥角为60°、锥头高度25mm；所述球型锥头，总重60g、球体半径22mm；所述实心圆柱型锥头，总重60g、实心圆柱半径22mm。

本发明同时提供一种所述的系列探头实现的测量软黏土的不排水剪切强度的试验方法，称其为落锥法。包括以下步骤：

(1)将土样搅拌均匀，按照已知的密度填入试样杯中，制作多组软黏土试样；

(2)按照从低到高的顺序确定第一、第二、第三测试分界点；

(3)选择圆锥型探头进行试验；

(4)将试样放置水平面上，将锥头调节到锥尖恰好接触到土样表面的高度；

(5)设定计时时间，释放锥头，使得锥头能够在重力作用下自由下落；计时结束后，获取锥头贯入深度h，以此作为测试结果；

(6)如果测试结果小于第一测试分界点，则判断该土体不宜采用落锥法进行不排水强度的测试；

(7)如果测试结果大于第三分界点，则判断不适宜采用圆锥型探头进行不排水强度的测试；

(8)选择球型探头重复步骤(4)和(5)，如果测试结果大于第二分界点，则选择实心圆柱型锥头进行不排水强度的测试；

(9)重复步骤(4)和(5)，记录测试结果；

(10)对于三个分界点确定的不同区间，选用相应的测试结果，将锥头贯入深度h带入下列公式计算黏土的不排水剪切强度Su：

lnSu＝alnh+b

式中：Su为不排水抗剪强度，单位kPa，h为锥头贯入深度，单位为mm，

a、b为锥头的形状系数，其中圆锥型锥头a＝-1.97、b＝5.08；球型锥头a＝-0.96、b＝1.29；实心圆柱型锥头a＝-1.02、b＝0.45。

进一步地，第一、第二、第三测试分界点分别为：6mm，10mm，15mm。

本发明具有如下的有益效果：

1.本发明利用向土样内落锥得到的锥头贯入深度来确定饱和软黏土不排水强度，方法简单、可靠性高。对于软黏土不排水强度的确定有重要的意义。

2.提供了三种不同类型锥头及对应贯入深度与软黏土的不排水强度的数学方程，可根据实测土样的稠度状态选择适合的锥头类型，解决了因为土体稠度较小导致无法进行强度测试的问题。

附图说明

图1是本发明的测量饱和软黏土的不排水剪切强度的试验方法的流程图。

图2是本发明提供的圆锥型锥头的结构示意图；

图3是本发明提供的圆锥型锥头的俯视图；

图4是本发明提供的球型锥头的结构示意图；

图5是本发明提供的球型锥头的俯视图；

图6是本发明提供的实心圆柱型锥头的结构示意图；

图7是本发明提供的实心圆柱型锥头的俯视图；

上述图中：1、深度标尺；

图8是本发明的圆锥型锥头计算的不排水剪切强度与十字板剪切强度的结果对比图。

图9是本发明的球型锥头计算的不排水剪切强度与十字板剪切强度的结果对比图。

图10是本发明的实心圆柱型锥头计算的不排水剪切强度与十字板剪切强度的结果对比图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的内容与特点，举例一下计算实例，并配图说明：

图2～图7为本例提供的三种不同类型的锥头，分别为圆锥型锥头、球型锥头、实心圆柱型锥头。可根据测试土样的稠度状态选择合适锥头类型。

三种锥头均为不锈钢材质的材料，总重均为60g。圆锥锥头的锥角角度为60°、锥头高度25mm，牵引部分为高度10mm的圆柱，总高度35mm。球型锥头的球体半径11mm，高度22mm，牵引部分为高度10mm，总高度32mm。实心圆柱锥头的半径11mm，高度25mm，牵引部分为高度10mm总高度35mm。

利用上述锥头进行饱和软黏土不排水强度计算的方法如下：

1.将土样用调土刀搅拌均匀，按照已知的密度填入试样杯中。高出试样杯的土样用刮土刀刮平。

2、首先选择圆锥型探头进行试验。

3、将试样杯放置水平面上。将锥头调节到锥尖/锥面恰好接触到试样表面的高度。

4、释放锥头，使得锥头能够在重力作用下自由下落；计时(5±1)s后读取锥体侧面对应刻度尺的读数即为锥头贯入深度h。

5、如果测试结果小于6mm，则该土体不宜采用落锥法进行不排水强度的测试；

6、如果测试结果大于15mm，则不适宜采用圆锥型探头进行试验。

7、按照步骤1的方法制备3组土样；

8、选择球型探头重复步骤4-5，如果测试结果大于10mm，则选择圆柱型探头进行试验。

9、记录锥头贯入深度h，将贯入深度带入公式中计算黏土的不排水剪切强度Su。

圆锥型锥头、球型锥头、实心圆柱型锥头的贯入深度分别带入通过公式(1)、(2)、(3)计算软粘土不排水剪切强度。

ln Su＝-1.97ln h+5.08 (1)

ln Su＝-0.96ln h+1.29 (2)

ln Su＝-1.02ln h+0.45 (3)

式中：Su为所述土体的不排水抗剪强度，h为锥头贯入深度。

应用本发明的计算体系对某处的软粘土不排水强度进行计算，试验方法如上所述。根据试验数据计算得出土体不排水强度，与实测十字板剪切强度的对比结果如图8～图10所示。由图8～图10可知，本发明的计算的饱和软黏土体的不排水剪切强度测试结果与实测的十字板剪切试验的软粘土不排水抗剪强度十分接近，证明了利用落锥计算饱和软黏土的不排水剪切强度的有效性和准确性。

本发明实例，在制作了三种探头后，经过大量试验，将本发明提出的落锥法试验所获得的不同锥头贯入深度h与实测的十字板剪切试验的软粘土不排水抗剪强度相比对，拟合了计算黏土的不排水剪切强度Su的公式，并确定了三个分界点的具体数值。在工程实践中，可以针对饱和软黏土的稠度选择适合的探头类型，以及黏土的不排水剪切强度Su的计算公式，实现落锥法测试饱和软黏土的不排水剪切强度。

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。