基于地基瞬态响应的强夯最优夯击数确定方法

摘要

本发明涉及一种基于地基瞬态响应的强夯最优夯击数确定方法，包括以下步骤：a.夯点布设，在强夯地基上布设n个夯点；b.动土压传感器和动孔隙水压传感器的埋设，在每个夯点正下方埋设动土压传感器和动孔隙水压传感器；c.试夯和地基瞬态响应数据采集，作为工作夯，首先对第1，2，…，n夯点分别夯1，2，…，n击；夯后搁置一段时间，待地基内由强夯引起的动孔隙水压力消散后，再对每夯点进行一击测试夯；测试夯过程中，采集动应力和动孔隙水压力数据；d.最优夯击数的确定，对动应力幅值－工作夯击数曲线和动孔隙水压力幅值－工作夯击数曲线进行分析，寻求地基响应幅值随夯击数线性增加阶段过渡到趋于稳定阶段的临界夯击数，该夯击数即为最优夯击数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种土木工程技术，尤其是一种基于地基瞬态响应的强夯最优夯击数确定方法。

背景技术

目前地基强夯中，并不是夯击数越多越好，在我国地基强夯一般用最后两击夯沉量之和的平均值，即贯入度指标作为止夯标准，建筑地基规范和一些强夯地方规范均规定贯入度不大于5cm。夯击数一旦大于最优夯击数将不能有效夯实路基，造成夯击能的浪费。但贯入度是一个外观和宏观指标，并不能从本质上反映地基土的夯实机理。在对软土、易液化地基或地下水位很高的地基进行强夯时，经常发现贯入度根本不可能达到5cm，当夯击数很大时甚至会发生夯锤沉入地基中的现象。所以亟待寻求一种能反映地基土夯实物理机理的最优夯击数确定方法。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种以动土压力和动孔隙水压力作为控制指标来确定地基强夯最优夯击数的方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于地基瞬态响应的强夯最优夯击数确定方法，包括以下步骤：

a.夯点布设

在强夯地基上布设n个夯点，n为自然数，n比经验夯击数大两击；

b.动土压传感器和动孔隙水压传感器的埋设

在每个夯点正下方埋设动土压传感器和动孔隙水压传感器，其中动孔隙水压力传感器位于水位以下；

c.试夯和地基瞬态响应数据采集

作为工作夯，首先对第1，2，…，n夯点分别夯1，2，…，n击；夯后搁置一段时间，待地基内由强夯引起的动孔隙水压力消散后，再对每夯点进行一击测试夯；测试夯过程中，通过动土压传感器和动孔隙水压传感器采集动应力和动孔隙水压力数据，并传输至数据分析处理装置进行分析处理；

d.最优夯击数的确定

通过步骤c中的数据处理，分别绘出动应力幅值-工作夯击数曲线和动孔隙水压力幅值-工作夯击数曲线，然后对两组曲线进行分析，寻求地基响应幅值随夯击数线性增加阶段过渡到趋于稳定阶段的临界夯击数，该夯击数即为最优夯击数。

所述步骤a中为防止相互干扰，夯点间距不小于8m。

所述步骤b中为保证传感器的存活率，动土压传感器和动孔隙水压传感器分别至少埋设两只。

传统强夯效果的评价往往借助现场静载试验或一些原位试验手段如静力触探试验和标准贯入试验等，但这些手段有的操作繁琐，有的易扰动，重复性差。实际上强夯本身就是一种动态原位试验手段，因为是高能冲击，所以影响深度大，相应的检测深度也大；同时夯锤底面积大，比地基土颗粒尺寸大得多，所以受土颗粒尺寸效应影响小，重复性好。本发明中将夯击分为两类：一类称为工作夯，一类称为测试夯。工作夯的作用就是夯实地基，进行预定次数的工作夯后，搁置一段时间，待地基内由强夯引起的动孔隙水压力消散后，再夯一击，这一击称为测试夯。测试夯主要用来检测不同工作夯后地基的密实程度，测试夯中通过测试动土压和动孔隙水压等地基的瞬态响应信息来确定最优的工作夯击数。

由波动理论可知：

σ＝ρcv    (1)

式中：σ为动应力；ρ为地基土密度；c波速；v为质点振动速度。

在夯锤下方近区土体内，由强夯引起的应力波近似以平面波的形式向下传播，平面纵波的传播速度为：

$c=\lambda \sqrt{E/\rho }---\left(2\right)$

式中：E为土的弹性模量，代表土体的刚度；λ为仅与泊松比有关的参数。

由式(1)和式(2)可得：

$\sigma =\lambda \sqrt{\mathrm{\rho E}}v---\left(3\right)$

式(3)表明，动应力与土体密度和刚度有重要关系，所以它能反映地基的密实程度。测试夯中采集土体内的动应力幅值，根据式(3)知动应力幅值随工作夯击数的增加先增加，然后逐渐趋于稳定，因为地基土骨架不可能被无限制的压密，孔隙比将逐渐趋于稳定。动应力幅值从增加到趋于稳定中间存在一工作夯击数的临界值，即为最优夯击数。

随着工作夯击数的增加，土骨架不可能被无限制的压密，孔隙比将逐渐趋于稳定，相应的渗透系数也将趋于稳定，这将导致动孔隙水压力幅值随工作夯击数的增加先增加，最后逐渐趋于稳定。动孔隙水压力幅值从增加到趋于稳定中间存在一工作夯击数的临界值，即为最优夯击数。

根据以上原理，通过对动应力幅值和动孔隙水压力幅值随夯击数的变化曲线进行分析可以得到最优夯击数。

本发明是基于地基瞬态响应信息来确定最优夯击数的，而这些信息是地基夯实程度的本质反映，通过这种方法能准确快速地确定最优夯击数。该方法在滨州-德州高速公路地基强夯工艺参数设计试验中得到了成功应用。正式强夯前进行了试夯，单击夯击能为600kN·m，通过试验得到了动应力幅值随夯击数的变化曲线(见图4)和动孔压幅值随夯击数的变化曲线(见图6，s表示距夯锤中心的水平距离)，根据本发明，可以知道，在600kN·m的单击夯击能下，滨州-德州高速公路地基的最优工作夯击数为四击。夯后同时对地基压实度进行了测试，图7是压实度随夯击数的变化曲线图，由图我们同样知道最优夯击数为四击。这证明了本发明的理论推导是正确的。同时本发明提出的方法是一种实时测试方法，省去了夯后大量的繁杂试验，传感器可回收，可重复利用，不仅节约成本，而且判别快速且精度高。

附图说明

图1是本发明的一个具体实施例传感器埋设示意图；

图2是地下2m动应力响应历程曲线图；

图3是地下4m动应力响应历程曲线图；

图4是动应力幅值随夯击数的变化曲线图；

图5是动孔压的历程曲线图(s表示距夯锤中心的水平距离)；

图6是动孔压幅值随夯击数的变化曲线图；

图7是压实度随夯击数的变化曲线图；

其中1.夯锤，2.导线，3.动应力传感器，4.动孔隙水压传感器，5.含砂砾粘土层，6.含粘土古河道沉积砂层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种基于地基瞬态响应的强夯最优夯击数确定方法，包括以下步骤：

a.夯点布设

在强夯地基上布设n个夯点，n为自然数，n比经验夯击数大两击；

b.动土压传感器和动孔隙水压传感器的埋设

在每个夯点正下方埋设动土压传感器和动孔隙水压传感器，其中动孔隙水压力传感器位于水位以下；

c.试夯和地基瞬态响应数据采集

作为工作夯，首先对第1，2，…，n夯点分别夯1，2，…，n击；夯后搁置一段时间，待地基内由强夯引起的动孔隙水压力消散后，再对每夯点进行一击测试夯；测试夯过程中，通过动土压传感器和动孔隙水压传感器采集动应力和动孔隙水压力数据，并传输至数据分析处理装置进行分析处理；

d.最优夯击数的确定

通过步骤c中的数据处理，分别绘出动应力幅值-工作夯击数曲线和动孔隙水压力幅值-工作夯击数曲线，然后对两组曲线进行分析，寻求地基响应幅值随夯击数线性增加阶段过渡到趋于稳定阶段的临界夯击数，该夯击数即为最优夯击数。

所述步骤a中为防止相互干扰，夯点间距不小于8m。

所述步骤b中为保证传感器的存活率，动土压传感器和动孔隙水压传感器分别至少埋设两只。

传统强夯效果的评价往往借助现场静载试验或一些原位试验手段如静力触探试验和标准贯入试验等，但这些手段有的操作繁琐，有的易扰动，重复性差。实际上强夯本身就是一种动态原位试验手段，因为是高能冲击，所以影响深度大，相应的检测深度也大；同时夯锤底面积大，比地基土颗粒尺寸大得多，所以受土颗粒尺寸效应影响小，重复性好。本发明中将夯击分为两类：一类称为工作夯，一类称为测试夯。工作夯的作用就是夯实地基，进行预定次数的工作夯后，搁置一段时间，待地基内由强夯引起的动孔隙水压力消散后，再夯一击，这一击称为测试夯。测试夯主要用来检测不同工作夯后地基的密实程度，测试夯中通过测试动土压和动孔隙水压等地基的瞬态响应信息来确定最优的工作夯击数。

由波动理论可知：

σ＝ρcv    (1)

式中：σ为动应力；ρ为地基土密度；c波速；v为质点振动速度。

在夯锤下方近区土体内，由强夯引起的应力波近似以平面波的形式向下传播，平面纵波的传播速度为：

$c=\lambda \sqrt{E/\rho }---\left(2\right)$

式中：E为土的弹性模量，代表土体的刚度；λ为仅与泊松比有关的参数。

由式(1)和式(2)可得：

$\sigma =\lambda \sqrt{\mathrm{\rho E}}v---\left(3\right)$

式(3)表明，动应力与土体密度和刚度有重要关系，所以它能反映地基的密实程度。测试夯中采集土体内的动应力幅值，根据式(3)知动应力幅值随工作夯击数的增加先增加，然后逐渐趋于稳定，因为地基土骨架不可能被无限制的压密，孔隙比将逐渐趋于稳定。动应力幅值从增加到趋于稳定中间存在一工作夯击数的临界值，即为最优夯击数。

随着工作夯击数的增加，土骨架不可能被无限制的压密，孔隙比将逐渐趋于稳定，相应的渗透系数也将趋于稳定，这将导致动孔隙水压力幅值随工作夯击数的增加先增加，最后逐渐趋于稳定。动孔隙水压力幅值从增加到趋于稳定中间存在一工作夯击数的临界值，即为最优夯击数。

根据以上原理，通过对动应力幅值和动孔隙水压力幅值随夯击数的变化曲线进行分析可以得到最优夯击数。

实施例：滨州-德州高速公路建设工程中，地基强夯最优夯击数的确定实验性采用了本发明提出的方法。

强夯试验段选在滨州-德州高速公路第二合同段段进行。如图1所示，地面以下2.5米是低液限粘土层5，再往下4.5米是含粘土古河道沉积砂层6。试夯所用夯锤重量为100kN，底面积为4m2，单击夯击能为600kN·m。共布设五个夯点，每个夯点下方分别埋设两个动应力传感器3和动孔隙水压传感器4，并通过导线2与外部的数据分析处理装置连接，地基通过夯锤1夯实。所有传感器均由陕西兰华传感器厂生产，输出的都是频率信号，输出的信号经LHBS变送器转化成0～5V的电压信号后由动态数据采集系统采集。

图2和图3所示为不同深度处的动应力响应历程曲线；其中图2中的第二夯点地下2m处动应力传感器失效。

图4所示为动应力幅值随夯击数的变化曲线。由图4可见，最优夯击数可取四击。

图5所示为距夯锤中心不同水平距离处的动孔压响应历程曲线；图6所示为动孔压幅值随夯击数的变化曲线。由图6可见，最优夯击数可取四击，这与由动应力得到的结果一致。

图7所示为实测的压实度随夯击数的变化曲线。压实度反映了土的密实程度，由图7可见最优夯击数为四击，这证实了本发明所提出的最优夯击数确定方法的正确性。

正式强夯前进行了试夯，单击夯击能为600kN·m，通过试验得到了动应力幅值随夯击数的变化曲线(见图4)和动孔压幅值随夯击数的变化曲线(见图6，s表示距夯锤中心的水平距离)，根据本发明，可以知道，在600kN·m的单击夯击能下，滨州-德州高速公路地基的最优工作夯击数为四击。夯后同时对地基压实度进行了测试，图7是压实度随夯击数的变化曲线图，由图我们同样知道最优夯击数为四击。这证明了本发明的理论推导是正确的。同时本发明提出的方法是一种实时测试方法，省去了夯后大量的繁杂试验，传感器可回收，可重复利用，不仅节约成本，而且判别快速且精度高。