CN102879551A - 一种砂砾土力学性能评价方法 - Google Patents

Abstract

一种砂砾土力学性能评价方法，本发明涉及砂砾土超重型动力触探核心转换技术，涉及一种砂砾土力学性能评价的国际通用技术，为了解决砂砾土力学性能评价国际通用性的问题。以成都平原砂砾土场地为背景，采用我国超重型动力触探试验标准探头、120kg标准重锤进行现场试验，建立基于超重型动力触探击数的砂砾土液化判别模型并提出计算公式，测试重锤传递给触探杆的有效能量，并统计分析标准试验下的有效能量与总能量的传递能量比，建立适于不同类型重锤的动力触探的锤击数修正系数，本发明所采用的现场测试手段简便、经济、实用，提出的砂砾土液化判别方法可靠性好，构建的动力触探核心转换技术简单明了，可为砂砾土场地力学性能评价提供国内外通用技术。

Description

一种砂砾土力学性能评价方法

技术领域

本发明涉及一种砂砾土力学性能评价方法。

背景技术

砂砾土指含有碎石、砾、砂、粉粒、粘粒等组成的宽级配土，是自然界典型土壤类别之一，在全球范围内广泛分布，也是国内外土木与水利工程中常见的土类，目前国内外土石坝大多采用砾石作为垫层，人工填海、高速公路、铁路等工程建设中人工砂砾料应用也日益广泛，获取砂砾土在动力和静力条件下的性能和表现是岩土工程上必须回答的问题，对保障各种基础设施和各类工程的安全具有重要意义。

砂砾土模量、密实度、承载力、液化判别等力学性能评价是工程上十分关注的问题。目前国内外主要采用两类方式评价：一类是以现场取样后进行室内大粒径三轴试验方式，由于砂砾土颗粒较大，几乎没有粘聚力，很难在现场取到高质量的原状土样，而且取回之后应力条件改变，大粒径三轴试验试验结果与实际相差甚大，可靠性存在疑问，况且造价非常之高，工程上难以推广使用。另一种方式是采用现场实测技术，而采用现场实测技术评价土体力学性能是发展趋势。就其他土类(例如砂土和粘土)，国际上普遍采用现场标准贯入试验评价地基和土体性能，已经形成了一种通用技术。与此相比，国内外砂砾土性能现场测试方法总体上很少，且很不一致，也不具备通用性。在北美地区，采用贝克贯入试验进行砂砾土现场测试，它是依靠柴油桩锤(长约4.5m，重2.5吨)的能量将一长约3m的大直径的套管(小管外径168mm，大管外径228mm)打入地层之中，记录每贯入30cm的锤击数，需要大型货车进行运输，现场还需要大型吊车进行装卸和测试，一次试验耗费约数万美元，试验设备笨重，造价昂贵。

我国采用超重型动力触探试验进行砂砾土现场测试，这一技术具有明显优势：设备及操作方法简单，且坚固耐用，快速、经济，使用方便，最主要的一点是能连续测试，不容易错过薄的夹层。该测试技术在我国已有40余年的应用历史，积累了丰富的经验，也形成了一套独立的砂砾土性能指标评价体系，具有良好的推广应用前景，由于各国所使用的重锤和落距标准不同，缺少关键的转换技术，这一技术目前无法被国外使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种砂砾土力学性能评价方法，以解决砂砾土力学性能评价国际通用性的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述一种砂砾土力学性能评价方法的具体过程为：

步骤A、超重型动力触探锤击数的修正过程：

步骤A1、选择典型砂砾土场地，采用超重型动力触探标准探头、120kg标准重锤进行超重型动力触探试验，测试重锤传递给钻杆的能量，计算传递的能量与理论总能量之比，共获得1200个基础数据；

步骤A2、对1200个数据进行统计得出，常规操作规程下超重型动力触探的120kg重锤传递的能量比，平均值为90％，标准差为7.8％；

步骤A3、采用超重型动力触探标准探头，其他不同重量、落距重锤得到的动力触探击数，按下式进行修正：

$N_{m-120}=\frac{\mathrm{ETR}}{90}{N}_{120}---\left(6\right)$

式中，N_m-120为经能量修正后的每贯入30cm的锤击数，即经能量修正后的动力触探击数；ETR为重锤传递能力比(％)，理论总能量按1.2kN.m计算；N₁₂₀为采用超重型动力触探标准探头现场实测每贯入30cm的锤击数，即实测动探击数；

步骤B、利用经能量修正后的动力触探击数N_m-120进行砂砾土液化判别，具体过程为：

步骤B1、选取多个典型液化和非液化场地进行钻孔取样、超重型动力触探测试；

步骤B2、将实测动探击数N₁₂₀进行能量及有效应力修正：

$N_{m-120}^{\′}=\frac{\mathrm{ETR}}{90}{N}_{120}{(100/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})}^{0.5}---\left(1\right)$

式中，

为经能量及有效应力修正后的动探击数，

为上覆有效应力，N₁₂₀为实测动探击数；

步骤B3、计算自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比：

$\mathrm{CSR}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{av}}/{\mathrm{\σ}}_v^{\′}=0.65\·r_d\·{\mathrm{\τ}}_{\max }/{\mathrm{\σ}}_v^{\′}=0.65r_d(a_{\max }/g)({\mathrm{\σ}}_v/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})---\left(2\right)$

式中，CSR为自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比，a_max为地表峰值加速度，g为重力加速度，r_d为应力折减系数，σ_v为上覆土体总应力；

为上覆土体有效应力；

步骤B4、分别建立地震水平剪应力比与修正动探击数的关系图，采用概率回归模型寻找液化点与非液化点临界线，相应的液化概率形式为：

$P_L\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp [-({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1{N}_{m-120}^{\′}+{\mathrm{\θ}}_2\ln \left(\mathrm{CSR}\right))]}---\left(3\right)$

式中，θ₀，θ₁，θ₂为模型回归参数；

步骤B5、利用实测砂砾土液化、非液化超重型动力触探数据，对概率模型进行回归，得到相应回归参数，相应的砂砾土液化概率计算公式为：

$P_L\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp [-(8.40-0.35N_{m-120}^{\′}+2.12\ln \left(\mathrm{CSR}\right))]}---\left(4\right)$

步骤B6、取砂砾土液化概率P_L＝50％，得到砂砾土的抗液化应力比为：

$\mathrm{CRR}=\exp (0.17N_{m-120}^{\′}-3.96).---\left(5\right)$

本发明的有益效果是：

本发明的技术要点是砂砾土超重型动力触探(DPT)核心转换技术，以成都平原砂砾土场地为背景，采用我国超重型动力触探试验标准探头、120kg标准重锤进行现场试验，建立基于超重型动力触探击数的砂砾土液化判别模型并提出计算公式，测试重锤传递给触探杆的有效能量，并统计分析标准试验下的有效能量与总能量的传递能量比，建立适于不同类型重锤的动力触探的锤击数修正系数，使我们提出的砂砾土液化预测方法国际化，同时参考我国规范中现有砂砾土力学性能评价方法，构造出砂砾土力学性能评价的国际通用技术，可为砂砾土场地力学性能评价提供国内外通用技术。

本发明所采用的现场测试手段简便、经济、实用，提出的砂砾土液化判别方法可靠性好，构建的动力触探核心转换模型合理、简单明了，可为地震小区划、地震安全性评价、工程抗震设计及规范修订中的砂砾土场地液化预测与判别提供技术参考，也为砂砾土场地力学性能评价提供国内外通用技术。利用能量修正后的动力触探击数，参考我国现行规范砂砾土的密实度、模量、承载力等力学性能指标的计算方法。

附图说明

图1为采用超重型动力触探标准探头，常规操作规程下超重型动力触探的120kg重锤传递的能量比柱形图；图2为标准超重型动力触探探头的结构图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见1～2，本实施方式所述的一种砂砾土力学性能评价方法的具体过程为：

步骤A、超重型动力触探锤击数的修正过程：

步骤A1、选择典型砂砾土场地，采用超重型动力触探标准探头、120kg标准重锤进行超重型动力触探试验，测试重锤传递给钻杆的能量，计算传递的能量与理论总能量之比，共获得1200余个基础数据；

步骤A2、对1200余个数据进行统计得出，常规操作规程下超重型动力触探的120kg重锤传递的能量比，平均值约为90％，标准差为7.8％；

步骤A3、采用超重型动力触探标准探头，其他不同重量、落距重锤得到的动力触探击数，按下式进行修正：

$N_{m-120}=\frac{\mathrm{ETR}}{90}{N}_{120}---\left(6\right)$

式中，N_m-120为经能量修正后的每贯入30cm的锤击数，即经能量修正后的动力触探击数；ETR为重锤传递能力比(％)，理论总能量按1.2kN.m计算；N₁₂₀为采用超重型动力触探标准探头现场实测每贯入30cm的锤击数，即实测动探击数；

步骤B、利用经能量修正后的动力触探击数N_m-120进行砂砾土液化判别，具体过程为：

步骤B1、选取48个典型液化和非液化场地(表3)进行钻孔取样、超重型动力触探测试，查明土层分布情况，确定液化层以及非液化层的深度和厚度，对于液化场地，寻找最具有液化可能性的一层，即超重型动力触探击数相对较低，对于非液化场地，选取相对较密实的砂砾层，另外在位置和厚度选取中，取超重型动力触探击数曲线较为平稳的一层；

步骤B2、将实测动探击数N₁₂₀进行能量及有效应力修正：

$N_{m-120}^{\′}=\frac{\mathrm{ETR}}{90}{N}_{120}{(100/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})}^{0.5}---\left(1\right)$

式中，为经能量及有效应力修正后的动探击数，

为上覆有效应力，N₁₂₀为实测动探击数；

步骤B3、计算自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比：

$\mathrm{CSR}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{av}}/{\mathrm{\σ}}_v^{\′}=0.65\·r_d\·{\mathrm{\τ}}_{\max }/{\mathrm{\σ}}_v^{\′}=0.65r_d(a_{\max }/g)({\mathrm{\σ}}_v/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})---\left(2\right)$

式中，CSR为自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比，a_max为地表峰值加速度，g为重力加速度，r_d为应力折减系数，σ_v为上覆土体总应力；为上覆土体有效应力；

步骤B4、分别建立地震水平剪应力比与修正动探击数的关系图，采用概率回归模型寻找液化点与非液化点临界线，相应的液化概率形式为：

$P_L\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp [-({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1{N}_{m-120}^{\′}+{\mathrm{\θ}}_2\ln \left(\mathrm{CSR}\right))]}---\left(3\right)$

式中，θ₀，θ₁，θ₂为模型回归参数；

步骤B5、利用实测砂砾土液化、非液化超重型动力触探数据，对概率模型进行回归，得到相应回归参数，相应的砂砾土液化概率计算公式为：

$P_L\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp [-(8.40-0.35N_{m-120}^{\′}+2.12\ln \left(\mathrm{CSR}\right))]}---\left(4\right)$

步骤B6、取砂砾土液化概率P_L＝50％，得到砂砾土的抗液化应力比为：

$\mathrm{CRR}=\exp (0.17N_{m-120}^{\′}-3.96).---\left(5\right)$

实施例：

1.采用超重型动力触探标准探头(图2)；

2.若采用超重型动力触探120kg重锤，测试得到的锤击数不进行能量修正；

3.若采用其他不同锤击能量重锤，则需测定所使用重锤的传递能量，按120kg重锤的理论总能量即1.2kN.m计算传递能量比，并按式(6)进行能量修正；

4.利用能量修正后的动力触探击数N_m-120(击/30cm)，砂砾土的密实程度按表1确定：

表1砂砾土密实程度划分

5.利用经能量修正后的动力触探击数N_m-120，进行砂砾土液化判别：

1)计算自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比：

$\mathrm{CSR}=0.65r_d(a_{\max }/g)({\mathrm{\σ}}_v/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})---\left(2\right)$

式中，CSR为自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比，a_max为地表峰值加速度，g为重力加速度，r_d为应力折减系数，σ_v为上覆土体总应力；

为上覆土体有效应力。

2)将能量修正后的动力触探击数N_m-120进行有效应力修正：

$N_{m-120}^{\′}=N_{m-120}{(100/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})}^{0.5}$

为经能量、有效应力修正后的动探击数，

为上覆有效应力，N₁₂₀为实测动探击数。

3)计算砂砾土的抗液化应力比CRR分别为：

$\mathrm{CRR}=\exp (0.17N_{m-120}^{\′}-3.96)$

4)若CSR＞CRR，则判定为液化，否则判定为非液化。

表3砂砾土场地超重型动力触探实测结果

Claims (1)

1.一种砂砾土力学性能评价方法，其特征在于：所述方法的具体过程为：

步骤A、超重型动力触探锤击数的修正过程：

步骤A1、选择典型砂砾土场地，采用超重型动力触探标准探头、120kg标准重锤进行超重型动力触探试验，测试重锤传递给钻杆的能量，计算传递的能量与理论总能量之比，共获得1200个基础数据；

步骤A2、对1200个数据进行统计得出，常规操作规程下超重型动力触探的120kg重锤传递的能量比，平均值为90％，标准差为7.8％；

步骤A3、采用超重型动力触探标准探头，其他不同重量、落距重锤得到的动力触探击数，按下式进行修正：

$N_{m-120}=\frac{\mathrm{ETR}}{90}{N}_{120}---\left(6\right)$

式中，N_m-120为经能量修正后的每贯入30cm的锤击数，即经能量修正后的动力触探击数；ETR为重锤传递能力比(％)，理论总能量按1.2kN.m计算；N₁₂₀为采用超重型动力触探标准探头现场实测每贯入30cm的锤击数，即实测动探击数；

步骤B、利用经能量修正后的动力触探击数N_m-120进行砂砾土液化判别，具体过程为：

步骤B1、选取多个典型液化和非液化场地进行钻孔取样、超重型动力触探测试；

步骤B2、将实测动探击数N₁₂₀进行能量及有效应力修正：

$N_{m-120}^{\′}=\frac{\mathrm{ETR}}{90}{N}_{120}{(100/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})}^{0.5}---\left(1\right)$

式中，

为经能量及有效应力修正后的动探击数，

为上覆有效应力，N₁₂₀为实测动探击数；

步骤B3、计算自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比：

$\mathrm{CSR}={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{av}}/{\mathrm{\σ}}_v^{\′}=0.65\·r_d\·{\mathrm{\τ}}_{\max }/{\mathrm{\σ}}_v^{\′}=0.65r_d(a_{\max }/g)({\mathrm{\σ}}_v/{\mathrm{\σ}}_v^{\′})---\left(2\right)$

式中，CSR为自由场地下饱和土体单元受到的地震水平剪应力比，a_max为地表峰值加速度，g为重力加速度，r_d为应力折减系数，σ_v为上覆土体总应力；

为上覆土体有效应力；

步骤B4、分别建立地震水平剪应力比与修正动探击数的关系图，采用概率回归模型寻找液化点与非液化点临界线，相应的液化概率形式为：

$P_L\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp [-({\mathrm{\θ}}_0+{\mathrm{\θ}}_1{N}_{m-120}^{\′}+{\mathrm{\θ}}_2\ln \left(\mathrm{CSR}\right))]}---\left(3\right)$

式中，θ₀，θ₁，θ₂为模型回归参数；

步骤B5、利用实测砂砾土液化、非液化超重型动力触探数据，对概率模型进行回归，得到相应回归参数，相应的砂砾土液化概率计算公式为：

$P_L\left(X\right)=\frac{1}{1+\exp [-(8.40-0.35N_{m-120}^{\′}+2.12\ln \left(\mathrm{CSR}\right))]}---\left(4\right)$

步骤B6、取砂砾土液化概率P_L＝50％，得到砂砾土的抗液化应力比为：

$\mathrm{CRR}=\exp (0.17N_{m-120}^{\′}-3.96).---\left(5\right)$

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