静力触探设备(低液限黏土静力触探模型试验研究)

圆锥贯入试验是一种广泛应用于工程中的原位测试方法，可用于划分土层、估算地基承载力、桩基承载力和土壤物理力学参数、判断土壤水化和压实填土质量等。[1-9]。由于地质条件的复杂性，野外试验不适合研究单参数对静力勘探结果的影响，而模型试验很好地解决了上述问题。

与现场原型试验相比，静力触探模型试验是一种减小现场原型试验规模的室内试验。与现场样机试验相比，它具有试验时间短、模拟不同工况(如相同含水率、不同材料界面等)的优点。)和低成本，这有助于揭示静力触探的贯入机理、土体应力，的分布和变形规律、孔隙，水压的消散程度以及静力触探参数与土壤密度、含水量等的关系。静力触探试验首次应用于铁路领域。1984年，在铁道部成立的静力触探协作组[10]对不同密度的砂土进行了静力触探试验，分析了静力触探试验过程中探头阻力和探头附近土体的应力和变形，为揭示探头的触探机理奠定了基础。夏增明[11]根据砂土静力触探过程中土层的附加应力和变形规律揭示了静力触探的触探机理，深入分析了对静力触探曲线所反映的自由面效应、深度效应和层位界面效应的机理特征；刘仕顺[12]利用相似理论推导出中粗砂相对致密性模型试验与现场试验的相似系数；刘仰韶[13]通过室内模型试验和中粗砂； 田卿燕轻型动力触探试验的有限元分析揭示了轻型动力触探试验在回填中粗砂中的作用机理[14]验证了动力触探试验和静力触探试验在检测粗砂密实度方面具有良好的相关性对； 蒋明镜[15]研制了一套能够在模型箱水平面内任意位置进行触探试验的静力触探模型试验设备，可用于模拟月壤静力触探的力学特性研究。目前，静力触探试验主要研究对图像为砂土；但是，对于低液限粘土和对，粘土，由于受土体结构、填土不均匀等因素的影响，研究成果还比较少。本文通过对对低液限粘土的圆锥贯入试验，研究了圆锥端阻力、比贯入阻力、摩擦比与土壤含水量、干密度等参数的关系以及临界贯入深度。

1.试验装置的静力触探模型罐：罐体由三个长方体和一个底板组成，每节尺寸为1.816米(长)0.916米(宽)0.6米(高)，材质为Q235碳钢，厚度为16毫米，在对模型槽与盖板和模型槽的连接处放置密封橡胶垫圈，以防止试验过程中土样的失水，保证良好的气密性。静力触探装置是江苏省如皋市迪达仪器有限公司生产的2Y-20E静力触探系统.

2 土料的准备和测试方案2.1 土料的准备

土料试验为低液限粘土，土料的基本物理力学性质见表1。将土料用5毫米筛过筛，每次称取约900公斤土倒在铝塑板上，根据待配置的含水量计算加水量；用喷雾器将水均匀喷洒在土壤表面；人工搅拌均匀后，用塑料薄膜覆盖并湿润一天一夜；按照上述方法，土料是分批准备的，直到土料遇到一套模型试验。将准备好的土料倒入模型罐中18次，每次根据准备好的干密度值称土体重量，用手夯实至eac厚度

2.2共有五组模型试验，其中第一组和第二组模型土的含水量为12%，第三组、第四组和第五组模型土的含水量分别为14%、19%和21%。填土并静置24 h后，对单桥和双桥进行静力触探试验。

3试验结果分析3.1模型槽静力触探试验结果

图1是双桥静力触探试验的锥尖阻力和侧摩阻力曲线；图2显示了单桥圆锥贯入试验的比贯入阻力曲线；图3显示了锥尖阻力和比穿透阻力之间的关系。从图1和图2可以看出，双桥圆锥贯入试验中锥尖阻力随深度的变化趋势与单桥圆锥贯入试验中的比贯入阻力的变化趋势基本一致，与土样，各模型室内试验结果测得的干密度变化趋势基本一致，表明锥尖阻力、比贯入阻力和干密度之间存在一定的相关性。图3显示锥尖阻力和比穿透阻力之间存在良好的线性关系。五组模型试验的相关系数均在0.97以上，锥尖阻力约为比贯入阻力的0.86 ~ 0.92倍。

研究表明，在探头穿透初期，探头附近的土体主要受剪切作用，土体应力向水平方向和上部转移。探头上部的小覆盖层压力加剧了应力扩散程度，使图1和图2中上部土壤测得的锥尖阻力或比贯入阻力变小。随着深度的增加，上覆土层的压力逐渐增大。当达到一定深度时，土体由剪切逐渐过渡到压缩，测得的锥尖阻力或比贯入阻力接近土体的真实值。该深度是静力触探试验的临界深度。根据图1、图2及相关研究结果，低液限粘土的临界深度取0.6 m.3.2室内测试结果

圆锥贯入试验后，对环刀对模型箱中的填土进行分层取样，测量每层土的密度和含水量，计算土的干密度。测试计算结果如表2所示。从表2可以看出，同一模型不同深度的土样含水量略有不同，但含水量相位的对误差基本在1%以内，因此可以近似认为同一模型具有相同的含水量；五组模型试验的土壤平均含水量分别为12.0%(第一组和第二组)、13.7%、18.7%和20.6%。3.3在相同含水量下，静力触探参数与干密度的关系

由于临界深度以上的静力触探试验结果不能真实反映土体的实际状态，主要分析了临界深度以下静力触探试验参数与干密度的关系。图4显示了在直角坐标系和双对数坐标系中锥尖阻力和干密度之间的关系。从图4可以看出，直角坐标系中四种含水量的锥尖阻力和干密度都是对数的关系；在对，相同含水量下，锥尖阻力随着干密度的增加而增加，并趋于某一值，但锥尖阻力的增量随着干密度的增加而减小。对的含水量相同，单位体积的孔隙体积决定了土壤的干密度。孔隙体积越小，干密度越大。相反，孔隙体积越大，干密度越小。当孔隙完全充满土壤颗粒时，达到理论最大干密度，这反映在锥尖阻力趋于某一值的图形上。取干密度和锥尖阻力的对数后，对于四种含水量，锥尖阻力与干密度呈线性关系。含水量为12.1%、13.7%、18.7%和20.6%的对直线的斜率和截距分别为0.085 0、0.081 6、0.055 7、0.046 2和0.259、0.275和0.39。

在相同干密度下，锥尖阻力随着含水量的降低而增加，其变化增量也随之增加。例如，在中等干密度为1.50克/立方厘米的土壤中，含水量为13.8%的对锥尖阻力约为20.6%的3倍。对于干密度为1.54克/立方厘米的土壤，含水量为12.1%的对锥尖阻力约为20.6%的2.5倍。随着干密度的增加，含水量对对锥尖阻力的影响逐渐减小，二者之间的线性关系逐渐减弱。4摘要

(1)双桥圆锥贯入试验测得的锥尖阻力与单桥圆锥贯入试验测得的比贯入阻力呈良好的线性关系，锥尖阻力约为比贯入阻力的0.86 ~ 0.92倍。(2)在贯入过程中，由于探针周围土体作用机理的变化，静力触探试验存在一个临界深度，低液限粘土的对值为0.6 m。

(3)对在相同含水量下，直角坐标系下锥尖阻力与干密度之间存在对数关系，随着干密度的增加而增加，并趋于一定值；取对数后，锥尖阻力与干密度之间呈线性关系。坡度随含水量的增加而减小，截距随含水量的增加而增加。(4)在相同的对，干密度下，锥尖阻力随着含水量的降低而增加，其变化增量也随之增加；随着干密度的增加，含水量对对锥尖阻力的影响逐渐减小，二者之间的线性关系逐渐减弱。