岩土工程静力触探虚拟仿真实验

     本实验项目通过静力触探实验，对工程场地进行土层分类、固结系数测试、地基液化判别和污染土场地评价。实验项目包含了大型多功能静力触探设备认知，复习和拓展学习各类土力学、基础工程、静力触探原位实验等原理，了解各类实验操作要求，操作探头标定以及静力触探实验，静力触探成果分析应用。实现了对静力触探参数计算、土层分类、孔压消散、径向固结系数分析、土层剪切波测试、土层液化判别、污染土评价等核心要素的仿真。

模块一：土层分类原理

（1）静力触探参数计算原理

        不同的土层，锥头阻力、侧摩阻力和孔压表现出不同的特征，如淤泥质黏性土锥头阻力较小，而砂土中锥头阻力较大且变化幅度较大。根据实测的锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s、锥肩处孔压u₂，计算摩阻比R_f、净锥尖阻力q_t和孔压参数比B_q等参数如下：

                                                      (1)

                                                (2)

                                             (3)

其中a为有效面积比，u₀为静水压力，σ_v0为上覆总压力。

（2）土层分类原理

        不同的土类具有不同的锥尖阻力、侧壁摩阻力和孔隙水压力，Robertson和Campanella提出了国际通用土分类图，具有较高的准确率。本实验根据测试的锥尖阻力、摩阻比、孔压参数比等指标，利用该图对土进行分类。

（注：图中1-灵敏细粒土 2-有机质土、泥炭 3-黏土 4-粉质黏土-黏土 5-黏质粉土-粉质黏土 6-砂质粉土-黏质粉土 7-粉质砂土-砂质粉土 8-砂土-粉质砂土 9-砂土 10-砾砂-砂土 11-非常坚硬的细颗粒土（超固结土类或结构性土类）12-砂土-黏质砂土）

图1 基于CPTU的土分类图

模块二：固结系数实验原理

（1）孔压消散原理

        孔压静力触探探头的透水滤器位于锥头之后，孔压量测值比较稳定，此时孔压的消散接近于水平径向扩散，因此孔压静力触探在土层中所测得的是水平向固结系数。按Terzaghi固结理论，孔压消散的轴对称固结方程为：

                                          (4)

式中u为孔隙水压力，C_h为水平向固结系数，r为任一点距探头中心的水平距离，t为消散时间。

固结计算的假设包括：土是均质各向同性线弹性介质；完全饱和；土粒与水的压缩忽略不计；固结过程总压力不随时间变化；渗透系数为常数。根据固结微分方程，在满足孔压的初始条件以及边界条件下，由孔压静探孔压消散曲线估算出的某一深度土层的固结系数，其中R为探头半径，T为时间因数。

（2）土体固结系数计算原理

        孔隙水压力的初始分布对计算结果具有一定影响，并随着固结时间的增加越来越明显；探头停止贯入后，锥尖周围土体中的应力松弛对固结初期超孔压的消散也有一定影响，作为计算点的固结时间又不宜过短。取50%固结度时的t和T值以计算固结系数，如下式：

                                                   (5)

式中C_h为测试点的土层水平方向固结系数；T₅₀为对应孔压消散50%时的时间因数；t₅₀为对应孔压消散50%时对应的消散时间；R为孔压探头半径。

    将实测孔压消散曲线归一化处理，计算出各时刻的孔隙水压力消散水平U(%)为：

                                                   (6)

式中u_t、u₀、u_i分别为某时的实测孔压、初始孔压和静水压力。然后绘制U-log(t)的关系曲线，从图中读取t₅₀，从而计算出固结系数。

模块三：地基液化判别实验原理

（1）土层剪切波测试原理

        地震波静力触探实验在探头中嵌入地震波传感器，通过在地面由人工产生剪切波，测试两个相邻深度地震波传播距离L₁和L₂、以及激震源到两个深度的传播时间T₁和T₂，计算土层剪切波速：

                                      (7)

图2 剪切波传播示意图

（2）土层液化判别原理

        根据《岩土工程勘察规范》，地面下15m范围内土层液化临界波速为：

                     (8)

其中V_s0为与烈度、土类有关的系数，d_s为测点深度，d_w为地下水深度，ρ_c为黏粒含量。当土层实测剪切波速V_s大于临界波速V_scr时，土层会产生液化，否则不会发生液化。

模块四：污染土场地评价实验原理

        土电阻率通过测试恒定电流下两电极间的电压降ΔV，根据欧姆定律计算出土电阻R大小。电阻率ρ可表示为：

                                                 (9)

其中S为电极面积(m²)，L为电极间距（m），I为电流强度（A）。

    RCPTU电阻率测试部分主要由4个环形电极以及内部电路系统等组成，环形电极之间用绝缘塑料隔离。通过其内部的电路系统与4个电极同步、连续的测量内部两电极间的电压变化，计算电极周围土体的电阻率大小。

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