CN101545841A - 落球式岩土材料力学特性的现场测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明是对现场岩土材料的力学特性(包括变形特性和强度特性)进行简易测试的方法和装置。岩土类材料，如碎石、砂质以及粘土质材料，具有天然性、多样性、复杂性等特性。其中，决定其性能(沉降、稳定等)最关键的指标为其力学特性(包括变形模量E和强度指标c、φ等)。本发明采用内藏有传感器的刚性球体作为测试装置。将球体提升到一定高度，自由落下，对岩土材料进行冲击，产生信号，并通过A/D转换装置将信号传入笔记本电脑。由专用软件对信号进行解析，从而得到岩土材料的刚性指标(变形模量E等)和强度指标(内摩擦角φ等)。本发明以Hertz碰撞理论及Vesic空洞扩张理论为理论基础，并结合岩土材料的特性加以修正，具有测试效率高，精度及可靠性高的特点。

Description

落球式岩土材料力学特性的现场测试方法和装置

一 所属技术领域

本发明是与测试岩土材料的力学特性有关，详细内容是对岩土材料的变形及强度特性进行简易的测试以及有关的计算方法。

二 背景技术

随着国民经济的高速发展，各种大型建设工程方兴未艾。这些工程规模巨大，影响深远，其建设质量的保证具有极其重要的经济及社会意义。但是，各种施工质量问题、豆腐渣工程也是不绝于后。其中，许多岩土工程(如高速公路、铁路、堤防及土石坝等)由于碾压，使用材料等问题，经常会发生不均匀沉降而被迫返工，严重时会因强度不足而造成滑坡事故，从而造成巨大的经济和社会损失。

岩土工程所用的材料主要是岩土类材料，主要包括碎石、砂质以及粘土质材料，具有天然性、多样性、复杂性等特性。其中，决定其性能(沉降、稳定等)最关键的指标为其力学特性(包括变形模量E和强度指标c、φ等)。岩土材料的力学特性受到很多因素的影响，如材料种类、级配、含水量、密度、碾压方式等，因此工程界一直期待着能在施工现场准确、直接、快速、方便的检测方法。

然而，迄今为止，世界上尚无能够在现场全面检测岩土材料力学特性的快速方法。目前通常的检测方法往往是通过间接的手段，如测试干密度等推算出岩土材料的力学特性，虽然经过上百年的应用，但仍存在着很多根本性的问题未得到很好地解决。

1 现有的测试方法简介

1)通过与室内实验结果进行对比的方法：以测试材料的密度及含水量为主，通过现场与室内实验结果的对比关系来推算其力学特性。该类方法应用最为广泛，但存在着室内材料与现场材料的差异较大，测点少、代表性差，施工方法的影响大等问题。

2)现场静力载荷试验的方法：直接在现场进行压载试验，进而求得材料的变形特性，如现场CBR法、承载板法、现场剪切试验(图-2)，测试精度高但需要反力装置，耗财费力，只适合于局部重点区域的测试。此外，由于填土工程所用的材料为松散材料，而且粒径相对较大，迄今尚无有效的方法可以测出材料的剪切强度特性。

3)现场动力载荷的方法：基本原理与2)类似，所不同的是通过快速加载或者冲击动荷载以代替静力载荷，如落锤式弯沉仪法(FWD，适用于大颗粒材料)、手持式弯沉仪法(PFWD，适用于中小颗粒材料)等，近年来得到快速的发展。大致可分为变形特性测试技术与强度特性测试技术两大类。

2 测试材料变形特性的快速检测技术

主要有：

1)现场CBR：比较先进的有土基现场CBR值测试方法及落球仪快速测试土基现场CBR值试验方法。

2)压实度：目前比较先进的有振动压路机的压实度连续检测仪，通过现场标定，可以连续测试。

3)弯沉：近年来，采用落锤式弯沉仪(FWD)测定路面的动态弯沉，并用来反算路面的回弹模量，是目前最先进和最流行的测试技术之一。但由于FWD设备庞大，一般只用于道路路面的检测，一些厂商将其轻量化以适应岩土材料的测试，即手持落锤式弯沉仪法(PFWD)(图-3)。

3 测试材料强度特性的快速检测技术

岩土材料的强度特性只有在较大应变水平时才能显现，往往需要较大的荷载或者采用较小的截面积。用于深度较深的地基勘测的圆锥动力触探、标准贯入试验方法一般难以用于填土材料强度的检测，因此学者们用各种方法进行了尝试。

日本国土交通省近

地方整备局在2005年提出了名叫“キヤスポル”的简易支持力测定装置，是目前比较先进的技术(图-4)。通过测试的加速度，并根据事先标定的经验公式来推求岩土材料的各种指标(c，φ，CBR等)。

三 现有技术的问题点

1 传统的密度管理的方法

按照传统的密度的管理方法，需要对不同的材料分别决定其最优密度(最大干燥密度和最小干燥密度)等。这个最优密度，需要用室内夯实试验和现场碾压试验来求得，要花费许多的时间、人力和费用，而且结果不一定可靠。此外，通过室内试验测出的结果，由于粒径，碾压方式的不同，在现场的应用中会出现不匹配的问题。

2 目前较为先进的现场快速测试方法

1)手持落锤式弯沉仪法(PFWD)具有以下问题：

①结构复杂：如图-3所示，有垫板、导杆等装置，结构复杂；

②不能测试材料的强度特性；

③测试不便：需要平整测试面，调整弹簧垫等，测试客观性不高。

2)キヤスポル具有以下问题：

①采用经验的方法，由于缺乏严密的理论背景，测试精度及适用范围都受到很大的限制；同时，对仪器难以进行改良，影响持续性的改进和发展；

②キヤスポル仅适合小粒径材料(要求最大粒径在37.5mm以下，粒径超过10mm的砾石含有量在10％以下)，对于很多填方工程等均无法使用；

③キヤスポル的应变水平较小，不利于测试材料的强度特性。

四 本发明拟解决的问题

现在流行的落下式快速测试方法，一般均采用圆柱式的落下碰撞体(如PFWD、キヤスポル等)，以保证其与土体的接触面一定，便于进行各种分析。然而，该类方法测试效率较低(需要导杆诱导、地面平整、加垫板等)，应变小，无法测试土体强度特性。因此，本项目拟采用球状碰撞体以解决上述难题。但其与地基材料的接触面形状复杂，且接触面积随贯入深度而变化，为其应力/应变分析带来了很大的难度，主要体现在：

①土体材料变形分析方法：对于球状碰撞体，其应力应变难以通过简单的方法测量和计算；

②土体材料塑性特性的影响；

③缺乏现场快速测试强度指标的理论；

④动力测试方法(包括惯性力、粘性)的影响；

⑤测试深度范围不够明确；

⑥大石料的影响：在实际的填土工程中，常常会遇到大尺寸的块石，其对测试结果的影响很大。

等方面。本发明就是在解决以上课题的基础上开发的方法和技术。

五 发明内容

本发明是一种在现场快速准确地测试岩土材料的强度及刚性特性的技术和装置(简称“落球测试技术”)。本装置通过自由落下的金属刚性球体与测试对象材料发生碰撞，利用Hertz碰撞理论和Vesic空洞扩张理论分析其碰撞过程，从而能够快速、简便、准确测定材料的强度特性及变形特性。

本发明采用的技术方案是：采用一种内藏有传感器的半球形刚性落球装置，将球体提升到一定高度，自由落下，对岩土材料进行冲击，产生信号，信号经放大器放大，再通过A/D转换卡将信号传入带有专用软件的笔记本电脑，通过笔记本电脑对信号进行采集与解析，从而求出岩土材料的刚性指标(变形模量E等)和强度指标(粘聚力c、内部摩擦角φ)。

本发明装置的结构如图-1所示。

六 本发明的技术方案

1 测试理论的建立

1)岩土材料变形特性的测试理论

本发明中，通过导入Hertz冲击理论以分析球状碰撞体，建立了材料变形特性的测试方法。

H.Hertz在19世纪提出了面向线弹性体的碰撞理论。一个已知刚性的球体A撞击一个未知刚性的物体B时，B的刚性越大，则碰撞时的接触时间越短(图-5)。

对于球形体与半无限平面体的碰撞，其接触时间可以由下式计算：

$T_c=4.53{\left[\frac{({\mathrm{\δ}}_1+{\mathrm{\δ}}_2)m_1}{\sqrt{R_1{v}_0}}\right]}^{2/5}$                             (式-1)

其中，

T_c：接触时间，单位：s

$\mathrm{\δ}=\frac{1-{\mathrm{\μ}}^2}{\mathrm{E\π}},$ 有关材料的参数，E：变形模量，单位：Pa(N/m²)。下标1：落下球体(已知)，2：平面半无限体(岩土材料，待求)

m₁：落下球体的质量，单位：kg，已知

R₁：落下球体的半径，单位：m，已知

v₀：落下球体与半无限体材料碰撞时的速度，单位：m/s，已知

$v_0=\sqrt{2\mathrm{gH}},$ g＝9.80m/s²，H为球体的下落高度，单位m。

μ：材料的泊松比

将测试的接触时间T_c，通过对式-1的求解，便可求得土体的变形模量E。其中，泊松比μ的影响很小，并可以预先设置。

由于Hertz碰撞理论仅适用于线弹性材料，而岩土材料是典型的弹塑性材料。因此，需要对该理论进行修正。

如图-6所示，我们可以将碰撞过程分为两个部分，即压缩过程和回弹过程。通过压缩部分的接触时间来推算压缩模量，而通过回弹部分的接触时间来推算回弹模量。

对于线弹性材料，其压缩部分与回弹部分基本相同，而对于岩土材料，其压缩时间则长于回弹时间。通过分离压缩过程和回弹过程，使得我们不仅可以解决岩土材料的弹塑性问题，而且可以同时得到材料的压缩模量和回弹模量。

2)岩土材料强度特性的测试理论

本发明中，通过导入Vesic的“空洞扩张”理论，建立了岩土材料的强度特性测试理论

根据Vesic的“空洞扩张”理论，当有桩、锚、旁压仪等压入土体时，会产生一个膨胀区。在膨胀区中岩土材料会发生屈服，从而使得材料的强度特性得到发挥(图-7)。其具有如下特点：

①在扩张过程中，其扩张信号在岩土材料中是球状的扩散；

②适合深处的岩土材料(应力分布均匀)；

③适合于静力荷载；

④需要预先求出材料的变形特征。

而当球体落入岩土材料中时，也会产生一个膨胀区域(图-8)。因此，可以利用该理论来测试材料的强度。同时，根据该塑性领域的范围，还可以求出测试深度范围，为施工管理提供明确的信息。

图-8中：

d：最大沉降量(由测试得出)

R：落球半径(已知)

R_p：影响范围(如图ABCD，未知，由Vesic理论得出)

其中，本发明的测试技术可以直接求出岩土材料的变形特性，从而满足上述第④项要求。但对第①至第③项则需要根据落球技术的具体特性加以修正。为了让本发明满足Vesic强度理论的条件，我们作出了以下的假定：

①岩土材料对落球的反作用力由落球的中心点与下面的弧形组成的区域提供(图-8中的ABCD)。这也是Vesic强度理论的适用范围；

②材料的强度指标包括c(粘着力)和φ(内部摩擦角)，通过一次测试同时测出比较困难。但是可以通过预设其中的一个参数就能够测试出另一个参数。在本发明中以无粘性的材料为例(即c＝0)来说明具体的分析方法；

③在塑性领域内，材料的体积应变设为0，并适合Mohr-Column强度理论；

④在塑性领域的边界上，作用被动土压力；

⑤各点的最大冲击应力按照其与冲击点之间的距离比例衰减。

根据Vesic理论及以上假定，通过理论推导可以得出下面的关系式

$R_p={\left(\frac{\mathrm{dR}(3R-d)E{(1-\sin \mathrm{\φ})}^2}{4(1+\mathrm{\μ})\sin \mathrm{\φ\γ}(R_p-R)}\right)}^{1/3}$                               (式-2)

$p_u\·{\left(\frac{R}{R_p}\right)}^{1+\frac{4\sin \mathrm{\φ}}{1+\sin \mathrm{\φ}}}=\left(\frac{1+\sin \mathrm{\φ}}{1-\sin \mathrm{\φ}}\right)\left(\frac{\mathrm{\γ}(R_p-R)}{1-\sin \mathrm{\φ}}\right)$                           (式-3)

注：

R：落球的半径(已知)，单位：m

γ：岩土材料的密度(已知)，单位：kg/m³

E：变形系数(由Hertz理论求得)，单位：Pa

d：最大沉降量(由测试算出)，单位：m

p_u：球体与岩土材料的平均压力(可以利用本发明测出)，单位：Pa

R_p：影响范围(球心与塑性区域边界的距离，未知，需要由Vesic理论算出)，单位m

φ：内部摩擦角，未知，单位：°(度)

μ：岩土材料的泊松比，

在上面的参数中R和γ是测试的基本条件，是已知量。d和p_u是未知量需要通过下面的方法测出：

通过对测试加速度a进行积分，最大的沉降量d可按下式求得。

$d=v_0{T}_{\mathrm{stop}}-\underset{0}{\overset{T_{\mathrm{stop}}}{\∫}}a\·(T_{\mathrm{stop}}-t)\mathrm{dt}$                                       (式-4)

v₀是球体对地基接触瞬间的冲击速度。 $v_0=\sqrt{2\mathrm{gH}},$ g＝9.80m/s²，H是下落高度m。

T_Stop是落球与材料开始接触到速度变为0的接触时间(速度为0时材料被最大程度压缩，一般来说也对应于最大加速度)。

接触面的压缩应力p_u则不能通过直接测试冲击力F_max和对应的接触面积来计算。这是因为在冲击力的作用过程中，一部分转换为材料的变形，其他部分转换为惯性力向外传递及产生热量等。其中，仅材料的变形部分产生力F^*与材料的强度有关。因此，需要通过材料的变形产生的力来计算压缩应力p_u。

图-9表示了落球与对象材料接触瞬间的应力分布。

图-9中：

a：落球与材料表面碰撞时接触面(圆)的半径

r：应力点与接触面圆心间的距离

p₀及p：最大压应力以及各点的压应力

F^*则可以通过下面的式子算出。

$F*=\frac{3\mathrm{\πEda}}{8(1-{\mathrm{\μ}}^2)}$                  (式-5)

由F^*与冲击接触的面积可以推导出平均压缩应力p_u，如下式

$p_u=\frac{3\mathrm{Ea}}{16R(1-{\mathrm{\μ}}^2)}$                 (式-6)

至此，d和p_u均可求出，再结合已知的R和γ，求解式-2和式-3便可求出φ。一般来讲，可以通过数值解析来求解。

对于饱和粘性土(φ＝0)，则基本上可按照同样的方法来求解粘着力c。

3)大尺寸石料的过大影响消除

在实际的填土工程中，常常会遇到大尺寸的块石。而各种落下式快速检测技术由于碰撞部尺寸较小，均无法较好地对应(特别是变形模量的测试结果过大)。因此，通常需在测试中避开块石或舍去相应的数据。但这样又会为测试结果带来人为影响因素，影响测试结果的客观性。

在此，我们拟采用等价变形的方式代替单纯的平均处理算法，在不舍去任何测试结果的前提下，客观地评价大石料的影响。对于变形模量的测试方法如下：

$\tilde{E}=\frac{N}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(1/E_i)}$                                 (式-7)

其中，

为等价变形模量，E_i为各次的测试模量，N为测试的次数。

2测试设备的开发

利用上述的测试理论，开发了如图-1所示的测试装置。该装置由以下部分组成：

1)落球装置：球状或球冠形金属体(一般为铁质)，内置加速度传感器；其他的技术大多为圆柱状落下机构，其碰撞面为平面。而本发明采用了球形的碰撞面，具有明显的优越性：

①可以自由下落而无需导杆，可简化结构，提高测试效率：由于球体自身的整流作用，在球体下落时可以保证其先端朝下，不会发生倾斜。而圆柱状的碰撞体在自由落下时，由于空气的抵抗作用，会造成倾斜，因此需要导杆定向(图-10)。

②本技术无需垫板(由于垫板的存在，会导入各种附加误差)，也无需对测试对象表面整形，可大大提高测试效率，测试结果的客观性和稳定性。

③应变水平高并可自然调整，从而有利于强度指标的测试；

落球体在与地面碰撞时，根据对象材料的刚性自然地调节了其接触面积。即使较硬的材料，其接触面积也较小，从而造成应力集中，在局部产生较大的应变(图-11)。无论对象土体软硬如何，总能保证在一定的范围内产生较大的应变，使得材料的强度特征得到发挥(经测算，对于软、硬土体，其最大局部应变可达5-10％左右)。

另一方面，对于圆柱状接触面，则其接触面积一定，使得对于较硬的土体，在碰撞时产生的应变较小。对于岩土材料这样的非线性材料，其强度特性只有在高应变条件下才能得到充分的发挥，在低应变条件下测试其强度指标显然是不够科学的。所以，测试材料强度特性时，使材料至少在局部产生较大的应变是必要的(图-12)。

2)放大器及A/D转换装置：将传感器发生的信号放大后转换为数字信号；

3)记录/分析装置：利用笔记本电脑将测试信号加以分析，从而得出所需的各种指标。同时记录测试数据及解析结果。

七 本发明的实施形态

本发明在测试无粘性土的强度指标时，按以下的顺序实施：

①开机，启动测试/解析程序；

②将岩土材料的密度，泊松比等参数输入到解析程序中；

③选择有代表性的测试面，避免大石块和松软层等特殊场所；

④将落球装置提升至一定的高度(如0.5m)；

⑤将落球装置自由落下，并测试在落下及碰撞过程中各时刻的加速度；

⑥利用测得的加速度信号，计算出各个测点的材料的变形模量E及强度指标(内部摩擦角φ)；

⑦改变测试场所，重复上述③至⑥以求得各点的材料特性。其中，相邻两个测点间的间距应当在落球半径的3倍以上。

⑧将各测点的测试结果进行统计处理，从而得出该材料的E及φ。

本测试系统还具备了防噪机能，其测试的流程如图-13所示。

八 本发明的特点

本发明与其它的现场强度测试技术相比，具有以下特点：

①作业性强，测试效率高

只需球自由落下，实时得到测量结果，无需平整测试场地，也无须避开大石料等。设备使用方式灵活，采用拖挂式系统可用于快速、大范围的现场测试。便携式系统可方便地用于局部测试。

②适用广范围的材料

能适用于从软弱粘土到硬质碎石/卵石的广大范围的材料。并可以根据测试对象材料的粒径、刚性等，改变落下球体的尺寸，构筑最优化的系统。此外，本发明也可适用于碾压混凝土，土水泥、路面铺装的质量测试。

③精度更高

本发明中，土质材料的应变水平较大，从而能够充分发挥材料的变形特性和强度特性，在理论上保证了能得到较高精度。同时，人为因素少，客观性高。九本发明的实例

为了验证本发明(测试系统)的实用性和测试精度，我们进行了现场试验。图-14表示了其测试波形，图-15表示了处理后的波形，图-16则表示了多次测试结果的统计处理画面。

1)金属材料的变形模量测试

我们首先利用弹性模量已知的金属材料对Hertz碰撞理论及本测试技术进行了验证，然后在可能的条件下对各种土体进行了验证。

我们用钢块及铁球(半球)作为被测体，用直径为5cm的打击球体进行验证。值得说明的是，本发明不仅可以测试平面块体，也可测试圆柱体及球体的变形模量。

测试结果表明，其测试误差在3％之内，证明了Hertz碰撞理论的正确性及本测试技术的可信性。

2)岩土材料的变形模量测试

我们对下列种类的土质，利用平板载荷试验进行了验证：

·粘土/砂性粘土

·砂土/砂砾

·细粒粉砂混杂砂质砾岩/细粒粉砂混杂砾岩

·土水泥

从验证试验结果可以看出(图-17)，对于压缩变形模量在数MPa至数百MPa之间的广泛的材料，本测试技术均得到了较为理想的结果。

3)岩土材料的强度指标

利用不排水三轴试验对炉渣、砂砾石等无粘性材料进行了强度(φ)对比试验。结果如表-1所示。尽管验证试验数据还不十分充分，但是测试结果已经表明了落球测试技术的精度和可行性；

表-1 落球试验与室内试验结果的对比

十 本发明的效果

本发明可以高效率高精度地对岩土材料的强度特性(包括变形特性)进行测试。相比其他的方法，本发明的测试效率高，适用于填土工程的施工管理。

针对不同粒径的材料，可以通过改变落球的大小以得到更好的测试效果。本发明的装置不仅可以人力作业，还可以用车载的方式来进行作业，使作业速度得到飞速的提高。

附图说明

下面结合图表对本发明作进一步的说明。

图-1本发明对岩土材料强度特性的快速测试系统构成

图-2现场直接剪切试验装置图

图-3PFWD的结构示意图

图-4キヤスポル的结构示意图

图-5Hertz冲击理论的基本原理

图-6压缩及回弹过程

图-7落球空洞扩张理论的基本概念

图-8Vesic空洞扩张理论的概念

图-9冲击应力的分布

图-10碰撞体落下时的比较

图-11对象土体的软硬及应变水平

图-12应变水平与刚性及强度的关系

图-13本发明测试的流程示意图

图-14测试加速度波形的示例波形

图-15对波形解析的结果

图-16统计解析结果处理画面

图-17落球检测技术测试沿途材料变形模量的验证试验结果。

Claims (2)

1.一种在现场快速准确地测试岩土材料的强度及刚性特性的装置；其特征在于：采用一种内藏有传感器的球形或半球形刚性落球体，并与信号放大器A/D转换卡及带有专用软件的笔记本电脑连接通过测试球体对岩土材料的冲击过程，从而求出岩土材料的刚性指标(如变形模量、压缩模量等)和强度指标(如内部摩擦角粘聚力)。

2.一种在现场快速准确地测试岩土材料的强度及刚性特性的方法；其特征在于：通过自由落下的金属刚性球体与测试对象材料发生碰撞，利用Hertz碰撞理论和Vesic空洞扩张理论分析其碰撞过程，并结合岩土材料以及落下球体的特性加以修正，从而快速、简便、准确地测定材料的强度特性及变形特性测试的具体方式：将内藏有传感器的刚性球体提升到一定的高度，让其自由落下，利用笔记本电脑的专用软件采集冲击程中的加速度信号；通过对加速度信号解析和统计处理方法，从而求得岩土材料的刚性指标(如变形模量、压缩模量等)和强度指标(如内部摩擦角粘聚力)。

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