CN104074181B - 定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，属于土木工程地基处理技术领域，具体涉及夯锤的效能转化方面；所要解决的技术问题是提供一种定义夯沉比，并以夯锤为研究对象，计算夯沉比大小来确定最优夯击数的方法，对实际工程中选择最优能量分配、降低耗能具有重要意义；采用的技术方案是：通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯沉比绘制夯击次数—夯沉比曲线图确定最优夯击数，其中b为测量所得单击夯沉量，S为通过积分计算出的夯锤行程数值；本发明将每一击实测夯沉量b与夯锤冲击行程计算值S之比定义为夯沉比λ，得到夯击次数—夯沉比曲线，分析确定最优夯击次数，计算准确又方便经济。

Description

定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法

技术领域

本发明定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，属于土木工程地基处理技术领域，具体涉及夯锤的效能转化方面。

背景技术

强夯法是一种将几十吨(一般为8-40t)重锤从几十米(一般6-40m)高处自由落下，对地基土进行挤密、强力夯实的方法。目前的情况是，强夯实践发展快，而强夯机理和设计理论仍有许多含混不清之处，理论远远落后于实践，强夯的能量分配、施工优化等问题一直备受关注。

目前常规的确定夯击数的方法有经验法、基于瞬态响应确定最优夯击数法等，均是以土体为研究对象，依靠地基中埋设如土压力盒等。在测试过程中这些元件易被高能级落下的夯锤砸坏。经验法在确定夯击数时，只是通过工作经验进行估计，没有确切的理论依据，太过笼统、草率、说服力弱且不能准确的把握，对于不同的土质估计偏离实际或许更远些；基于瞬态响应确定最优夯击数法在施工过程中需要在测试夯点下埋设数据传感器件，为保证器件的成活率，需要多埋设一些，方法操作不太简便，也不太经济。按照我国的相关规范、标准，一般以最后两击的平均夯沉量不大于50mm，当单击夯击能量较大时不大于100mm，来确定强夯击数。并不是说夯击数越多越好，超过最优夯击数后，不能有效地夯击地基，造成夯击能的浪费，所以迫切需要一种能够精确有效确定最优夯击数的方法。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题是提供一种定义夯沉比，并以夯锤为研究对象，计算夯沉比大小来确定最优夯击数的方法，对实际工程中选择最优能量分配、降低耗能具有重要意义。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯沉比绘制夯击次数—夯沉比曲线图确定最优夯击数，其中b为测量所得单击夯沉量，S为通过积分计算出的夯锤行程数值，具体步骤如下：

a)在夯锤顶部中心安装加速度传感器进行夯击试验，并通过动态测试采集仪记录夯锤每一击的动态加速度数据；

b)根据采集的动态加速度数据得出每一击的加速度时程曲线；

c)将上述每组夯锤的加速度时程曲线中加速度发生变化的拐点处的时间归零，作为夯锤冲击行程的起点，得到修正后单击作用下夯锤冲击行程的加速度时程曲线；

d)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

e)根据冲击动力学原理，将上述加速度数据以数值积分

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(\right|a_i|\·\mathrm{\δ}t)$

其中为夯锤落地速度，h为夯锤落距，g为重力加速度；

a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

计算夯锤速度ν_i，得到速度时程曲线；

f)进一步将速度数据以数值积分

其中ν_i为上述夯锤速度，δt为时间积分步长；

计算夯锤行程数值S，得到位移时程曲线；

g)通过水准仪测量夯锤每一击后的夯坑深度，得出单击夯沉量b；

h)通过上述测量得出的单击夯沉量b和上述数值积分所得夯锤行程数值S，计算每一击夯沉比λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S}$

依据多个夯沉比λ的数值，得出夯击次数—夯沉比曲线；

i)对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，找出随夯击数增加阶段，夯沉比趋于平稳阶段的临界夯击次数，即为最优夯击数。

所述步骤i)中，对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，随着夯击次数的增加，曲线趋于稳定，取稳定后连续三击对应的夯沉比λ_i，λ_i+1，λ_i+2，当|λ_i-λ_i+1|≤2％，|λ_i+1-λ_i+2|≤2％同时满足时，此时λ_i为临界夯沉比，从夯击次数—夯沉比曲线上找到该临界夯沉比λ_i对应的夯击次数，即为最优夯击数。

所述步骤a)中的加速度传感器是压电式加速度传感器。

本发明同现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明将每一击实测夯沉量b与夯锤冲击行程计算值S之比定义为夯沉比λ，得到夯击次数—夯沉比曲线，分析确定最优夯击次数，计算准确又方便经济。

2、本发明是以夯锤为研究对象，弥补了以土体为研究对象，依靠地基中埋设如土压力盒等确定夯击数的方法中测试元件易损坏这一问题，经济实惠。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为第五击全程加速度时程曲线。

图2为第五击加速度起始时间归零时程曲线。

图3为第五击速度时程曲线。

图4为第五击夯锤位移时程曲线。

图5为第五击夯锤夯击次数—夯沉比曲线。

具体实施方式

本发明定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯沉比绘制夯击次数—夯沉比曲线图确定最优夯击数，其中b为测量所得夯沉量，S为通过积分计算出的夯锤行程数值，具体步骤如下：

a)在夯锤顶部中心安装加速度传感器进行夯击试验，并通过动态测试采集仪记录夯锤每一击的动态加速度数据；

b)根据采集的动态加速度数据得出每一击的加速度时程曲线；

c)将上述每组夯锤的加速度时程曲线中加速度发生变化的拐点处的时间归零，作为夯锤冲击行程的起点，得到修正后单击作用下夯锤冲击行程的加速度时程曲线；

d)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

e)根据冲击动力学原理，将上述加速度数据以数值积分

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(\right|a_i|\·\mathrm{\δ}t)$

其中为夯锤落地速度，h为夯锤落距，g为重力加速度；

a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

计算夯锤速度ν_i，得到速度时程曲线；

f)进一步将速度数据以数值积分

$S_i=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(v_i\·\mathrm{\δ}t)$

其中ν_i为上述夯锤速度，δt为时间积分步长；

计算夯锤行程数值S，得到位移时程曲线；

g)通过水准仪测量夯锤每一击后的夯坑深度，得出单击夯沉量b；

h)通过上述测量得出的单击夯沉量b和上述数值积分所得夯锤行程数值S，计算每一击夯沉比λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S}$

依据多个夯沉比λ的数值，得出夯击次数—夯沉比曲线；

i)对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，找出随夯击数增加阶段，夯沉比趋于平稳阶段的临界夯击次数，即为最优夯击数。

所述步骤i)中，对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，随着夯击次数的增加，曲线趋于稳定，取稳定后连续三击对应的夯沉比λ_i，λ_i+1，λ_i+2，当|λ_i-λ_i+1|≤2％，|λ_i+1-λ_i+2|≤2％同时满足时，此时λ_i为临界夯沉比，从夯击次数—夯沉比曲线上找到该临界夯沉比λ_i对应的夯击次数，即为最优夯击数。

所述步骤a)中的加速度传感器是压电式加速度传感器。

实施例

a)以钢铁材料直径为32cm的夯锤为研究对象，进行试验。夯锤质量为70kg，落距为1.4m，能级为980N.m。地基材料选用含水量在最优含水量14％附近的黄土状粉土进行填筑，填筑厚度0.75m，填筑密实度0.85，平面尺寸4m×3m，试验夯击14下。起落架及自动脱钩均为简易装置。为获得夯锤在冲击过程中的加速度时程曲线，在夯锤顶部设置压电式加速度传感器，型号为DH131E，利用DH5956动态应变仪进行动态加速度信号的采集。夯坑深度采用水准仪进行测量以得到每一击的夯沉量b。试验后对采集到的夯锤加速度曲线、每击夯沉量进行研究，本实施例取代表性的第五击数据计算分析。

b)根据采集的动态加速度数据得出主要时程曲线如图1所示，横坐标即时间轴，单位为s；纵轴数值为负值表示加速度方向向上，单位为m/s²。

c)根据压电式加速度传感器的特性，夯锤无论在匀速起吊，还是触地前自由落体，均处于惯性状态，仪器显示的数据理论上均为零，如图1中的点1前纵轴的加速度数值基本在零位。点1后加速度开始发生明显变化时，表示夯锤受到了除重力外的其它作用力。因此，将点1处作为拟讨论的夯锤冲击行程的起点。

将图1中标志点1作为时程曲线的时间零点，即将加速度开始变化处时间点归零，可得单击作用下修正的加速度时程曲线如图2所示，也就是单击下夯锤主要的冲击行程。

d)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

e)一般情况下，夯锤自由落体过程中受到的空气阻力相比其重量可以忽略。因此，夯锤落地初速度v₀可按下式得出：

$v_0=\sqrt{2gh}=\sqrt{2*9.8*1.4}=5.24m/s$

将夯锤的落地初速度v₀作为初始条件(忽略0.1～0.2m的夯坑深度对落地速度的影响)，可得夯锤速度v的计算式，即：

$v=v_0-{\∫}_0^t\left|a\right|dt$

其中a为加速度传感器测试值；

将上述计算式转换为数值积分形式：

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(\right|a_i|\·\mathrm{\δ}t)$

其中a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

针对图2中所示夯锤的加速度时程曲线，依据该数值积分编制程序，计算夯锤速度v(即v_i)，得到速度时程曲线如图3所示。

f)以图3中时间坐标为零时，夯锤的位移S₀＝0作为初始条件，可得夯锤冲击行程的位移计算式：

$S=S_0+{\∫}_0^t{S}^{\′}={\∫}_0^{t}vdt$

将该计算式转换为数值积分形式：

$s_i=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}(v_i\·\mathrm{\δ}t)$

其中S_i为夯锤位移，ν_i为夯锤的速度值,δt为时间积分步长；

将夯锤的速度曲线根据该数值积分进行计算，得到夯锤冲击行程的位移时程曲线如图4所示。其中，求得夯锤行程S＝0.0926m。

g)通过水准仪测量夯锤第五击的单击夯沉量b＝0.015m。

h)通过上述测量得出的单击夯沉量b和上述数值积分所得夯锤行程数值S，计算夯锤第五击的夯沉比λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S}=\frac{0.015}{0.0926}=16.2\%$

重复b)～h)步骤，得到多个夯沉比λ的数值，并得出夯击次数—夯沉比曲线如图5所示。

i)由于土体不可能一直被压实、压密，随着夯击数的增加，夯沉比趋于稳定。夯沉比减小到趋于稳定的过程中存在夯击数的临界值，即为最优夯击数；

对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，找出随夯击数增加阶段，夯沉比趋于平稳阶段的临界夯击次数，即为最优夯击数，如图5所示，9，10，11均可作为最优夯击数。

由图5中可得λ₉＝13.3％，λ₁₀＝10.5％，λ₁₁＝9.2％，λ₁₂＝9.7％

|λ₉-λ₁₀|＝2.8％≥2％，|λ₁₀-λ₁₁|＝1.3％≤2％，|λ₁₁-λ₁₂|＝0.50％≤2％

即可确定该夯锤在该环境下得到的最精确的最优夯击数为10。

夯沉比λ衡量的是冲击行程中，夯锤冲击地基发生塑性变形对应的夯沉量的比例，实际上间接反映了强夯能量转换为土体的塑性变形能的能力，反映了每击的冲击效能，即强夯效率。夯沉比随着夯击次数的增加而逐渐减小，最优夯击次数就是土体的塑性变形逐渐降低到夯锤冲击行程一定比例即夯沉比曲线趋于平直阶段的临界夯击数，这样既科学、准确，方便，又经济，省去夯后大量的繁杂试验，传感器可以回收，不受损坏，重复利用，对实际工程有重要指导意义。

Claims (3)

1.定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，其特征在于，通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯沉比绘制夯击次数—夯沉比曲线图确定最优夯击数，其中b为测量所得单击夯沉量，S为通过积分计算出的夯锤行程数值，具体步骤如下：

a)在夯锤顶部中心安装加速度传感器进行夯击试验，并通过动态测试采集仪记录夯锤每一击的动态加速度数据；

b)根据采集的动态加速度数据得出每一击的加速度时程曲线；

c)将上述每组夯锤的加速度时程曲线中加速度发生变化的拐点处的时间归零，作为夯锤冲击行程的起点，得到修正后单击作用下夯锤冲击行程的加速度时程曲线；

d)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

e)根据冲击动力学原理，将上述加速度数据以数值积分

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(\right|a_i|\·\mathrm{\δ}t)$

其中为夯锤落地速度，h为夯锤落距，g为重力加速度；

a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

计算夯锤速度ν_i，得到速度时程曲线；

f)进一步将速度数据以数值积分

$S_i=\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}({\mathrm{\ν}}_i\·\mathrm{\δ}t)$

其中ν_i为上述夯锤速度，δt为时间积分步长；

计算夯锤行程数值S，得到位移时程曲线；

g)通过水准仪测量夯锤每一击后的夯坑深度，得出单击夯沉量b；

h)通过上述测量得出的单击夯沉量b和上述数值积分所得夯锤行程数值S，计算每一击夯沉比λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S}$

依据多个夯沉比λ的数值，得出夯击次数—夯沉比曲线；

i)对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，找出随夯击数增加阶段，夯沉比趋于平稳阶段的临界夯击次数，即为最优夯击数。

2.根据权利要求1所述的定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，其特征在于：所述步骤i)中，对夯击次数—夯沉比曲线进行分析，随着夯击次数的增加，曲线趋于稳定，取稳定后连续三击对应的夯沉比λ_i，λ_i+1，λ_i+2，当|λ_i-λ_i+1|≤2％，|λ_i+1-λ_i+2|≤2％同时满足时，此时λ_i为临界夯沉比，从夯击次数—夯沉比曲线上找到该临界夯沉比λ_i对应的夯击次数，即为最优夯击数。

3.根据权利要求1或2所述的定义并计算夯沉比确定最优夯击数的方法，其特征在于：所述步骤a)中的加速度传感器是压电式加速度传感器。