CN1015831B

CN1015831B - 一种评价复合地基的方法

Info

Publication number: CN1015831B
Application number: CN 89105089
Authority: CN
Inventors: 张宝山; 胡景坤
Original assignee: SHENYANG EXPLORATION INST MINISTRY OF METALLURGICAL INDUSTRY
Current assignee: SHENYANG EXPLORATION INST MINISTRY OF METALLURGICAL INDUSTRY
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1992-03-11
Also published as: CN1047734A

Abstract

本发明提出了一种评价各类地基土，特别是复合地基的新方法。在被测地基土表面设置能产生瑞利波的震源，同侧设置两个垂直传感器和有关的记录分析系统，通过改变稳态震源的频率得出不同深度的基土的瑞利波速度，根据所建立的瑞利波速度与物理力学指标的关系式，评价地基土的各项指标及砂土液化势。本发明提出的方法与常规的静载荷试验比较，具有节省人力、物力、财力、花费时间大大缩短，评价资料可靠的特点，有相当显著的经济效益和社会效益。

Description

本发明属于岩土工程软地基土加固效果的评价方法，特别是一种应用稳态振动瑞利波法评价复合地基的方法，它同样适用于工程地质勘察和地震工程中各类地基土的划分及地基土动力参数的确定。

近年来，随着我国各项建设的不断发展，大型厂房、高层建筑、动力基础日益增多，沿海和内地软土地区建厂任务不断增加。对于软地基土进行加固，主要是通过振冲碎石桩法、挤密碎石桩法、强夯法、真空予压法、深层搅拌法等手段进行。软地基土加固后的复合地基需要进行容许承载力〔R〕、压缩模量E_S和砂土液化势的评价。以往这些评价，多采取结合常规的钻探进行标准贯入试验、动力触探和静载荷试验或静力触探等原位测试手段进行。虽然这些方法对复合地基加固效果的检验和评价是有效的，但是往往需要投入较多的人力和物力，有时尚需要对软地基土加固前后进行大量的重复性钻探工作。另外，由于某些条件的限制有些试验难于进行或者不易较多地进行，例如，较深地层的静载荷试验。因此，目前亟待提供一种只需在地表上进行测试，即可评价复合地基的新方法。

在有关的测试方法中，美国人曾于六十年代初结合常规钻探对稳态振动瑞利波法进行过初步探索;日本人从八十年代以来也在管道、洞穴探察、工程地质勘察、地震工程和地基改良等方面进行了稳态振动瑞利波法的应用研究工作，但是在开展对软地基土的评价，尤其是复合地基的评价还未见记载。我国七十年代初，曾就稳态振动瑞利波法进行过探讨，其测试深度仅限于几米之内。因此还不能提供一种简便易行的、省时、省力、省物的评价软地基土加固尤其是复合地基的方法。

本发明的目的是针对上述问题，提供一种利用稳态振动瑞利波法评价复合地基的一种新方法，具有节省人力、物力、财力和时间短的特点，并且便于实施，评价资料可靠。

本发明的内容：作用于半无限空间表面的点震源，能产生纵波、横波和瑞利波，其能量比为7∶26∶67。瑞利波速度与纵波和横波的速度满足下列关系：

V_P＞V_S＞V_R……（1）

( (V_R)/(V_S) )⁶-8( (V_R)/(V_S) )⁴+(24-16 (V² _S)/(V² _P) )-16(1- (V² _S)/(V² _P) )＝0

……（2）

式中：V_R为瑞利波速度 m/S

V_S为横波速度 m/S

V_P为纵波速度 m/S

可以证明在0＜V_R＜V_S范围内，方程（2）至少有一个实数解，因此瑞利波在半无限空间表面总是存在的。

当 (V_S)/(V_P) ＝ 1/2 ～ 1/3 ～0即泊桑比μ＝0～0.25～0.5时，

V_R＝（0.875～0.920～0.955）·V_S……（3）

在半无限空间中，瑞利波传播深度大约为一个波长，在该深度范围内集中了瑞利波的大部分能量，而且介质的平均性质与瑞利波传播深度为半个波长处的介质性质相近。

在半无限空间表面稳态震源垂直振动时，能产生丰富的瑞利波，因此在地表面稳态震源的同一侧设置两个垂直传感器，就能分别记录到瑞利波的垂直分量。当稳态震源为正弦波时，传感器所处位置垂直变形随时间变化的曲线分别用下式表示：

Z₁（t）＝A₁Sin（ωt+φ₁）……（4）

Z₂（t）＝A₂Sin（ωt+φ₂）……（5）

由（4）、（5）式可求出：

V_R＝ (ω)/(︱Δφ︳) ……（6）

式中：V_R为地基土的瑞利波速度 m/s

ω为稳态震源的振动圆频率 rad/s

S为两个垂直传感器之间的水平距离 m

△φ为两个垂直传感器的振动相位差 rad

因此从（6）式可以看出：只要知道稳态震源的振动圆频率ω和两个垂直传感器之间的水平距离S，并计算出它们振动的相位差△φ，就可以求出两个垂直传感器之间地基土的瑞利波速度V_R。

稳态振动瑞利波测试系统包括震源、记录及数据分析三部分，整机系统可进行模拟信号分析，也可根据用户要求通过计算机进行数据处理。

瑞利波速度是反映某一频率半波长深度内地层的平均物理特性的，因此可以采用平均速度来表示地层的物理力学性质。改变起震机的振动频率，瑞利波的波长也随之改变。频率增大，波长变小，勘测深度变浅;频率降低、波长增大，勘测深度加深，因此通过改变稳态震源的频率ω，由上述公式（6）可以求出不同深度地基土的瑞利波速度，对不同地层和不同测定深度之间地层的瑞利波速度，可以通过以下公式进行计算：

当 V_Rn＞ V_Rn-1时，

……（7）

当 V_Rn＜ V_Rn-1时，

……（8）

式中：V_Rn为第n层地基土的瑞利波速度

V_Rn， V_Rn-1分别为半波长h_n，h_n-1的瑞利波速度。

有了地基土的瑞利波速度，就可以通过下列公式评价天然地基、复合地基及其软土加固非复合地基的效果，即得出地基的容许承载力、压缩模量：

粘性土

V_R＝7.77〔R〕^0.5792……（9）

V_R＝50.38E^0.5798 _S……（10）

砂土

V_R＝12.23〔R〕^0.5319……（11）

V_R＝35.20E^0.6135 _S……（12）

卵石、碎石（桩体）

V_R＝10.58〔R〕^0.5768……（13）

式中：〔R〕为地基土的容许承载力 KPa

E_S为地基土的压缩模量 MPa

根据碎石桩体的面积和桩间土的面积，求得复合地基的容许承载力〔R〕_复和压缩模量E_S复。

评价砂土类复合地基（及天然砂土地基）的液化势，采取下式：

V_R＝ α（hs-0.4hw+5.8）^0.4117……（14）

式中： α为修正系数

hs为地层深度

hw为地下水埋深

V_R为地基土的液化临界瑞利波速度

按设计地震烈度选取修正系数α的值，当设计地震烈度为7°、8°、9° 时， α分别为53、65、79来计算砂土液化临界线。

本发明的优点在于：采用稳态振动瑞利波法测试与评价各类地基土，其结果与常规的静载荷试验结果具有良好的一致性，尤其是评价碎石桩复合地基的效果，便于多点试验，可以分层提供试验数据，试验结果具有代表性，因此较静载荷试验有显著的优越性。此方法只在地表进行，和常规的静载试验比较，花费时间是后者的十分之一，所需工日是后者五十五分之一，耗资是后者的十四分之一，经济效益显著，便于施测，评价资料可靠。

图1是稳态振动瑞利波测试系统框图。

实施例：稳态振动瑞利波测试系统参见图1，震源部分由CS46-2型离心式起震机、Z-32直流电机和JZ₁直流调速器组成，可产生0～60赫芝的垂直或水平正弦振动信号，扰力与频率的平方成正比，最大扰力为50KN;记录部分由65型拾震器、67-1微震放大器、GZ₂放大器、RSM-080数字记录仪和SC16光线示波器组成，可记录1～10000赫芝的稳态或瞬态信号;数据分析部分由计算机、磁盘机、四色打印绘图机组成，它通过高速A/D转换装置，自动完成记录的存储分析和绘图。测试系统整机频率范围1～60赫芝，测定深度1～50米。

评价碎石桩复合地基，先通过测试系统测出桩体与桩间土各自的瑞利波速度V_R，然后根据桩间土的岩性，采用上述相应的瑞利波速度V_R与物理力学指标的关系式计算出桩间土的容许承载力〔R_土〕和压缩模量E_S土，以及计算出桩体的容许承载力〔R_桩〕和压缩模量E_S桩，按照下述公式计算复合地基的容许承载力R_复和压缩模量E_S复：

R_复＝ (［R_桩］·S_桩＋［R_±］·S_±)/(S_桩＋S_±)

E_S复＝ (E_S桩·S_桩＋E_S±·S_±)/(S_桩＋S_±)

式中：〔R_桩〕、〔R_土〕分别为碎石桩和桩间土的容许承载力，S_桩、S_土分别为碎石桩和桩间土的面积。

评价天然地基或软土加固非复合地基，要通过测试系统测出地基土的瑞利波速度V_R，然后根据地基土的岩性，采用上述相应的瑞利波速度V_R与物理力学指标的关系式来完成。

对于砂土类复合地基（包括天然砂土地基）的液化势评价：在测得V_R后，并测得地层的深度及地下水埋深，采用下式：

V_R＝ α（hs-0.4hw+5.8）^0.4117

按设计地震烈度选取修正系数 α的值，当设计地震烈度为7°、8°、9°时， α分别为53、65、79米计算砂土液化临界线。式中hs为地层深度，hw为地下水埋深。

利用现有技术在获得各类地基土横波速度V_S的条件下，可根据地基土的岩性求出其瑞利波速度V_R：

粘性土：V_R＝0.955Vs

砂土：V_R＝0.935Vs

碎石、卵石（桩体）：V_R＝0.920Vs

然后按上述公式对复合地基进行评价。

本发明研究的方法可应用于软地基土加固效果的检验，尤其是碎石桩复合地基的检验和评价，也同样适用于工程勘察、动力基础和高层建筑地基土动参数测定以及城市抗震防灾中的地震小区划分等方面。其经济效益和社会效益非常显著。一九八八年三～四月对秦皇岛市电业大厦高层建筑振冲碎石桩加固地基的检验，分别采用了静载荷试验和稳态振动瑞利波法试验，其中静载荷试验所用时间近2个月，参加人员10人，雇用临时工约400个工日，耗资2万5千余元，提供了一处深度为5米以下的试验数据;而采用稳态振动瑞利波法所花时间6天，参加人员3人，耗资1800元，提供了十处从地表到8米的各层地基土的试验数据，并给出了砂土液化势判定散点图，值得指出的是前者的评价仅代表一点，而后者的评价代表一定的空间。因此说采用瑞利波法能对地基土进行整体评价，这是常规的静载荷试验所不能比拟的。

参考文献

①F.E.小理查特等《土与基础的振动》中国建筑工业出版社，中译本，1976年。

②W.伊文等《层状介质中的弹性波》科学出版社，中译本1966年。

Claims

1、一种评价复合地基的方法，在被测地基土表面设置能产生瑞利波的稳态震源，并在其同一侧设置两个垂直传感器，利用有关的记录，分析系统进行记录分析，其特征在于：通过改变稳态震源的频率ω，给定两个垂直传感器之间的距离S，并计算出两个垂直传感器振动的相位差△ψ，由关系式V_R= (ω·S)/(|△ψ|) 求出不同深度地基土的瑞利波速度V_R，然后由下述公式给出构成复合地基的桩体和桩间土的容许承载力[R]及压缩模量E_S：

粘性土：V_R=7.77[R]^0.5792

V_R=50.38E_S ^0.5798

砂土：V_R=12.23[R]^0.5319

V_R=35.20E_S ^0.6135

碎石、卵石(桩体)：V_R=10.58[R]^0.5768

根据碎石桩体和桩间土的面积，求出复合地基容许承载力R复和压缩模量E_S复：

R_复＝ (［R桩］·S桩＋［R±］·S±)/(S桩＋S±)

E_S复＝ (ES桩·S桩＋ES±·S±)/(S桩＋S±)

式中：[R_桩]、[R_土]分别为碎石桩和桩间土的容许承载力，S_桩、S_土分别为碎石桩和桩间土的面积。

评价复合地基砂土液化势，采用下式：

V_R= α(h_S-0.4h_W+5.8)^0.4117

按设计地震烈度选取修正系数α的值，当设计地震烈度为7°、8°、9°时，α分别为53、65、79来计算砂土液化临界线，式中hs为地层深度，h_W为地下水埋深，V_R为地基土的液化临界瑞利波速度。

2、一种评价复合地基的方法，其特征在于：在获得各类地基土横波速度Vs的条件下，可根据地基土的岩性求出其瑞利波速度V_R：

粘性土：V_R＝0.955Vs

砂土：V_R＝0.935Vs

碎石、卵石（桩体）：V_R＝0.920Vs

然后由下述公式给出构成复合地基的桩体和桩间土的容许承载力[R]及压缩模量Es：

粘性土：V_R＝7.77〔R〕^0.5792

V_R＝50.38E^0.5798

砂土：V_R＝12.23〔R〕^0.5319

V_R＝35.20Es^0.6135

碎石、卵石（桩体）：V_R＝10.58〔R〕^0.5768

根据碎石桩体和桩间土的面积，求出复合地基容许承载力R复和压缩模量Es复：

R_复＝ (［R_桩］·S_桩＋［R_±］·S_±)/(S_桩＋S_±)

E_S复＝ (E_S桩·S_桩＋E_S±·S_±)/(S_桩＋S_±)

评价复合地基砂土液化势，采用下式：

V_R＝ α（hs-0.4hw+5.8）^0.4117

按设计地震烈度选取修正系数α的值，当设计地震烈度为7°、8°、9°时，α分别为53、65、79来计算砂土液化临界线，式中hs为地层深度，hw为地下水埋深，V_R为地基土的液化临界瑞利波速度。