CN101250866A - 地基承载力和变形模量的快速原位测试方法 - Google Patents

Abstract

一种地基承载力和变形模量的快速原位测试方法，按以下步骤进行：用三脚架将质量为m的钢球提升到一定的高度，令其自如落下，然后测量钢球冲击压入地面以下的深度δ；在同一场地内重复三次或三次以上，每次以不同的高度落下，相应测出每次钢球落下形成的不同深度压坑的压入深度值；再通过接触力学基本理论计算得出地基土的极限承载力和变形模量。它是一种更为经济、快速、方便、准确的原位测试方法，可以对大面积场地地基承载力进行快速普查。

Description

地基承载力和变形模量的快速原位测试方法

技术领域

本发明涉及建筑工程地基承载力的测试方法，特别是建筑工程地基的一种经济、快速、准确的原位测试方法。

背景技术

地基承载力指地基对基础及上部结构载荷的承受能力，其大小取决于地基、基础及上部结构两个方面。工程中通常用两个指标来衡量地基的承载能力，即地基的极限承载力和容许承载力。所谓极限承载力是指地基即将破坏时所对应的基底压力，所谓容许承载力是指地基在满足强度和变形(沉降)两方面的要求并留有一定安全储备时所允许的最大基底压力。

确定地基的容许承载力是进行地基基础设计的关键。确定地基承载力的方法主要可分为三类：(1)理论公式计算；(2)按规范提供的经验公式确定；(3)原位测试。其中，确定地基承载力最可靠的方法，莫过于在现场对地基土进行直接测试，即原位测试方法。《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》规定的原位测试方法主要有：载荷试验、静力触探、动力触探、标准贯入试验、旁压试验、十字板剪切试验等。

1、载荷试验

《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》规定，载荷试验应根据土的软硬，选择合适尺寸的圆形刚性承压板，然后在承压板上施加压力载荷，同时测量承压板的沉降，做出压力-沉降(即p-s)曲线，然后根据p-s曲线，确定地基土的承载力和变形模量。并规定载荷试验的加荷方式应采用分级维持荷载沉降相对稳定法(常规慢速法)，有地区经验时，可采用分级加荷沉降非稳定法(快速法)或等沉降速率法；加荷等级不少于8级。根据载荷试验成果，绘制荷载(p)与沉降(s)曲线，根据p-s曲线评定地基土承载力和变形模量。

载荷试验的优点是直接、可信。但是，目前载荷试验一般采用搭架并堆载来提供加压的反力；并且，每加一级荷载都要等几十分钟甚至几小时才能达到沉降的稳定，因此载荷试验最大的缺点就是费时、费钱，一般无法对工程范围内的地基土进行普遍测试。

2、静力触探试验

静力触探是采用静力触探仪，通过液压千斤顶或其他机械传动方法，把带有圆锥形探头的钻杆压入土层中，通过探头受到的阻力，可以换算成地基土的承载力。静力触探的探头上应安装传感器，用以测读贯入阻力ps，贯入速度一般在0.5~2.0m/min之间，每贯入0.1～0.2m在记录仪器上读数一次，也可使用自动记录仪，并绘出阻力-贯入深度(H)曲线。得到ps-H曲线后，可根据经验公式计算出地基的基本承载力。

《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》规定，静力触探试验的探头应匀速垂直压入土中，贯入速率为1.2m/min，这给试验带来了一定的难度。当贯入深度超过30m，或穿过厚层软土后再贯入硬土层时，应采取措施防止孔斜或断杆。并且，规定了探头测力传感器应连同仪器、电缆进行定期标定，室内探头标定测力传感器的非线性误差、重复性误差、等均应小于规定值，现场试验归零误差应小于3％，绝缘电阻不小于500MΩ。因此，试验要求的技术条件较高，成本也大。

3、动力触探

当土层较硬，用静力触探无法贯入土中时，可采用圆锥动力触探法，简称动力触探。它的工作原理是把冲击锤提升到一定高度，令其自由下落，冲击钻杆上的锤垫，使探头贯入土中。贯入阻力用贯入一定深度的锤击数表示。动力触探可获得锤击数N10沿深度的分布曲线。根据圆锥动力触探试验指标和地区经验，可进行力学分层，评定土的均匀性和物理性质、土的强度、地基承载力等。

《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》规定，动力触探的触探杆最大偏斜度不应超过2％，锤击贯入应连续进行，同时防止锤击偏心、探杆倾斜和侧向晃动，保持探杆垂直度。而现场试验时，由于地基土的不均匀性以及操作熟练程度的原因，探杆垂直度很难达到要求，试验的难度较大，需要专业的试验人员操作仪器设备，也增加了试验的费用。

4、标准贯入试验

标准贯入试验是用质量为63.5kg的穿心锤，以760mm的落距，把一个特制的对开式标准贯入器按一定的要求打入土中，记录每打下300mm所需的锤击数，记为N63.5或N。对于如何用N值估算地基的承载力，不同的规范有不同的方法。

《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》规定，标准贯入试验应避免锤击时代偏心和侧向晃动，保持贯入器、探杆、导向杆联接后的垂直度。因此，试验的难度较大，容易带来试验误差。

5、旁压试验

旁压试验采用旁压仪进行，试验得出旁压曲线(p-V或p-S曲线)，据此结合地区经验，经过计算可以得出地基土的承载力。

旁压试验有一套严格的试验规程，《岩土工程勘察规范(GB50021-2001)》规定，旁压试验应在有代表性的位置和深度进行，旁压器的量测腔应在同一土层内。试验点的垂直间距应根据地层条件和工程要求确定，但不宜小于1m，试验孔与已有钻孔的水平距离不宜小于1m。预钻式旁压试验应保证成孔质量，钻孔直径与旁压器直径应良好配合，防止孔壁坍塌；自钻式旁压试验的自钻钻头、钻头转速、钻进速率、刃口距离、泥浆压力和流量等应符合有关规定。综合来水，旁压试验也相对比较复杂，试验的难度较大。

6、十字板剪切试验

十字板剪切试验，是用十字板仪征原位测定软土地基的不排水抗剪强度的试验。根据所测出的抗剪强度，进一步推算地基承载力。

十字板剪切试验，仪器简单，操作比较方便，对原状土结构扰动较小。不过，该试验一般应用于软土地基。

发明内容

本发明旨在解决地基土承载力和变形模量原位测试技术中存在的费时且费用高的问题，找到一种更为经济、快速、方便、准确的地基承载力和变形模量的快速原位测试方法，从而可以在大面积地基中进行承载力普查试验。

本发明的目的通过以下技术方案加以下实现：一种地基承载力和变形模量的快速原位测试方法，按以下步骤进行：

a)、用吊装设备把质量为m的钢球提升到一定的高度，令其自如落下，然后测量钢球冲击压入地面以下的深度δ；

b)、在具有相似土层的场地内重复三次或三次以上，每次以不同的高度落下，相应测出每次钢球落下形成的不同的压入深度值；

c)、建立关系式：

${\mathrm{mgh}}_1={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{mgh}}_2={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(2\right)$

${\mathrm{mgh}}_3={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(3\right)$

式(1)、(2)、(3)联立计算得出地基土的极限承载力p_y以及P_y和δ_y，再通过下式计算地基土的变形模量E：

$E=\frac{{3P}_r}{4{\mathrm{\δ}}_y\sqrt{{\mathrm{R\δ}}_y}}---\left(4\right)$

其中：R为钢球半径。

本发明的有益效果是：

1、只需要一个简易三脚架及吊装设备，设备购置成本低，测试设备简单。

2、使用方便

只需在建筑工地现场架设三脚架等吊装设备，即可使用。

3、测试快速、准确

一般在相似土层上进行三次(或三次以上)自由落体测试。球体质量、下落高度以及压入深度等数据均可方便、快速地测出。现场试验仅需测试下落高度和压入深度两个数据，然后通过相应数学计算，即可得出地基土的变形模量以及地基土的极限承载力，为建筑工程提供施工所需基础数据。

与现有技术相比，本方法具有明显的优点，节约时间和费用，可以用于地基承载力的大面积普查。

附图说明

附图是本发明的示意图。

具体实施方式

本发明的方案和技术原理：

操作方法

用简易三脚架等吊装设备，把质量为50kg的钢球提升到一定的高度h(参见附图)，令其自由落下，然后测量钢球1冲击压入地面以下的深度3(即地面以下压坑2的深度)。要求，在具有相似土层的场地内重复三次或以上，每次以不同的高度落下，测出三个不同的压入深度值(参见附图)。

技术原理

钢球以一定高度落下，对地基产生冲击，在弹塑性冲击荷载下，钢球冲击能量主要用于地基土层塑性变形，根据能量守恒定律有：

$\mathrm{mgh}={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+{\∫}_{{\mathrm{\δ}}_y}^{{\mathrm{\δ}}_{\max }}{P}_{\mathrm{ep}}\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}---\left(7\right)$

其中，m为钢球的质量；g为重力加速度；h为钢球自由落体降落的高度；δ_y为地基土层初始屈服对应的压缩量；P为冲击压力；δ为冲击压缩量；P_e(δ)为完全弹性条件下的P-δ关系；P_ep(δ)为弹塑性条件下的P-δ关系；δ_max为最大冲击压缩量。进一步整理式(7)得：

$\mathrm{mgh}={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_{\max }-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_{\max }-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(8\right)$

在(8)式中，R为钢球的直径；p_y为地基土的极限承载力。对于任意一次试验，m、g、R均为已知量，三次测出降落高度分别为h₁、h₂、h₃和对应的最大冲击压缩量δ₁、δ₂、δ₃，代入式(8)，得：

${\mathrm{mgh}}_1={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(9\right)$

${\mathrm{mgh}}_2={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(10\right)$

${\mathrm{mgh}}_3={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(11\right)$

其中P_y、p_y、δ_y以及等式右边第一项为未知数，由(9)、(10)、(11)式相互减法计算可消除等式右边的第一项，得出三个关于p_y、P_y、δ_y的关系式，三项联立求解，计算得出地基土的极限承载力p_y以及P_y和δ_y，再通过下式计算地基土的变形模量E：

$E=\frac{{3P}_r}{4{\mathrm{\δ}}_y\sqrt{{\mathrm{R\δ}}_y}}---\left(12\right)$

其中：R为钢球半径。

Claims (2)

1、一种地基承载力和变形模量的快速原位测试方法，其特征是：按以下步骤进行：

a)、用吊装设备把质量为m的钢球提升到一定的高度，令其自由落下，然后测量钢球冲击压入地面以下的深度δ；

b)、在具有相似土层的场地内重复三次或三次以上，每次以不同的高度落下，相应测出每次重球落下形成的不同的压入深度值；

c)、建立关系式：

${\mathrm{mgh}}_1={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_1-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(1\right)$

${\mathrm{mgh}}_2={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\πR}{p}_y{({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(2\right)$

${\mathrm{mgh}}_3={\∫}_0^{{\mathrm{\δ}}_y}{P}_e\left(\mathrm{\δ}\right)\mathrm{d\δ}+P_y({\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_y)+\mathrm{\π}{\mathrm{Rp}}_y{({\mathrm{\δ}}_3-{\mathrm{\δ}}_y)}^2---\left(3\right)$

式(1)、(2)、(3)联立计算得出地基土的极限承载力p_y以及P_y和δ_y，再通过下式计算地基土的变形模量E：

$E=\frac{{3P}_r}{4{\mathrm{\δ}}_y\sqrt{R{\mathrm{\δ}}_y}}---\left(4\right)$

其中：R为重球半径。

2、根据权利要求1所述地基承载力和变形模量的快速原位测试方法，其特征是：所述重球的质量为50Kg。

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