静力触探 - 勘测试验资料回归以及相关的基础理论研究

在软土地基基本力学特性的勘测试验工作中，静力触探试验(Cone Penetration Test，CPT)具有操作相对简单，数据重复率高等优点。但静力触探试验至今还未能形成标准化体系，不同地区，不同设备的贯入阻力量测值也不具备相同的与土性指标相关的关系。在大多数的工程中，CPT的资料仅具有定性的参考作用。本项目将结合铁道部的两个重点科研项目收集的近百个实际工程勘测试验资料，研究可适用的相关关系和参数，并开展相应的对静力触探试验的理论、模型实验的研究。内容包括模拟静力触探贯入机理的塑性力学上限方法，建立轴对称情况下的功能平衡基本方程式；在离心机中开展应用机械手和微型触探仪对正常固结土和不同超固结比的软粘土以及砂性土的试验；用Excel及其内置的VBA功能开发的软件存储、处理本项目收集的工程资料，形成完整的，可回归的同享数据系列。

在众多原位试验中，静力触探仪是在不扰动土体原位状态的情况进行试验，具有设备简单、连续性好、数据可靠高等优点，在岩土勘察设计中应用广泛。该项目通过理论、回归和数值方法研究锥尖阻力和土体抗剪强度之间的相关关系，研究内容和相关成果主要包括以下方面： .（1）采用圆柱孔穴扩张理论推导了饱和软土中比贯入阻力与土体抗剪强度之间的关系。根据饱和软土假定，屈服准则，通过平衡方程，几何方程，本构方程以及边界条件求解给出了极限孔穴扩张压力，并得到土体弹塑性区的应力解、位移解及塑性区范围，给出圆柱孔穴扩张理论下静力触探比贯入阻力与土体抗剪强度相关关系式。.（2）通过上海地区19个工程和武汉地区33个工程，共694组数据分不同土类对比贯入阻力与抗剪强度的相关关系进行研究，对两地区三种土的物理力学特性进行了分析总结，并经过回归分析确定分土类下可应用于相应地区工程的静力触探比贯入阻力与土体抗剪强度相关关系式。.（3）基于自适应网格技术有限元大变形分析方法，对静力触探贯入过程进行模拟研究，土体位移随贯入深度增大而增大，贯入影响范围区向侧方和下方不断延伸。当锥头深入一定距离后，位移影响区趋近于环包状分布。阻力随抗剪强度的增大而增大，并根据锥头应力值得到比贯入阻力与抗剪强度的相关关系式。.（4）结合上海地区典型工程世博演艺中心工程，对比分析了三种方法下确定土体抗剪强度的吻合性。认为孔穴扩张理论推导和有限元分析的条件理想化，忽略了土体固结、各向异性、摩擦性等特性。回归分析采用了当地的工程资料，综合了土体多方面特性，与实际土体抗剪强度吻合度较好。因此，在未建立多因素下通用表达式之前，根据工程资料确定静力触探比贯入阻力与抗剪强度相关关系是必要的，具有工程实用价值。.（5）基于52个工程的勘察数据建立了静力触探相关资料数据库。结合目前的IT技术和软件对工程勘察资料数据库工作（数字化，标准化，数据库）做了初步探索研究。.（6）通过对上海地区19个工程和武汉地区33个工程进行整理汇总，形成案例汇总报告。内容包括各个工程的工程概况、工程地质条件、水文地质条件、数据来源、土层特性表、土层物理特性试验成果表和土层分层参数曲线图。.（7）利用水科院离心机及机械手进行了砂土模型的静力触探试验，对锥尖阻力与砂土密实度及模型均匀性之间的关系进行了研究。