CN105160057A - 利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，属于土木工程地基处理技术领域；所要解决的技术问题是提供一种利用夯沉比确定同一能级下填筑土的最优含水量的方法，提高了施工质量，科学准确又方便经济，对实际工程中施工指导具有重要意义；采用的技术方案是：通过同一能级的多种含水量填筑土的夯击试验，分别计算多种含水量填筑土对应的夯沉比，得到多种含水量填筑土对应的夯击次数—夯沉比曲线，并整合至一个曲线图上进行对比分析，位于最上面的曲线对应的含水量即该能级的最优含水量；本发明涉及填方土体强夯处理的含水量控制，根据施工所用能级选择最优含水量，理论严密，为地基处理的设计优化提供参考，方法简单，物理意义明确。

Description

利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法

技术领域

本发明利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，属于土木工程地基处理技术领域，具体涉及填方土体强夯处理的含水量控制。

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，强夯的夯后质量控制、施工优化等问题一直备受关注。

我国是世界上山地面积最大的国家，随着城镇化进程的加快，建设用地将日趋紧张，为避免与良田争地，好多场地不得不采用大挖大填，许多城市提出了“工业出城、项目上山”的发展战略。填土的干密度及含水量是影响填方体强夯加固设计与效果评价的重要参数。

就目前而言，土的压实理论、工程实践与规范、检测标准都已相当成熟，现有规范中也对于路基的压实标准有明确规定：基本上是采用重型击实试验确定最大干密度的压实度，其中《公路工程技术标准》《铁路路基设计规范》均对压实度和相对密度做了严格规定。随着我国经济的快速发展，填沟造地工程，强夯这一经济、方便、加固效果的施工方法，飞速发展，但是对于强夯法施工的压实标准并没有明确的规定。强夯工程质量的压实标准一般基于击实试验进行控制，但是击实实验只有轻型、重型之分，所确定的最优含水量只有一种，与能级不匹配。强夯施工中却需要不同能级的组合，那么强夯施工时不同能级所对应的最优含水量也不同，最优含水量不是唯一的一种。此外两者的侧限也不同，使得强夯所对应的最优含水量必然与轻型和重型击实试验所确定的最优含水量有差异，加固机理和效果也有一定区别，那么以轻型或重型击实试验作为强夯处理地基压实度的控制标准显然都不准确。

现在，加固湿陷性黄土地基时，强夯法对于土体含水量的要求并不明确，借助击实试验确定的含水量又与实际工程存在较大的误差，至今还没有成熟严密的理论依据支撑。但合适的含水量对于夯击效率的影响却十分显著。

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利用夯沉比确定同一能级下填筑土的最优含水量的方法，提高了施工质量，科学、准确、方便、经济，对实际工程中施工指导具有重要意义。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，通过同一能级的多种含水量填筑土的夯击试验，分别计算多种含水量填筑土对应的夯沉比，绘制多种含水量填筑土的夯击次数—夯沉比曲线图组合对比以确定最优含水量；

每一种含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线图由下述方式得到：

a)调制一种含水量的填筑土，在夯锤的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，通过积分计算出夯锤行程数值S；

b)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；

c)每一击的夯沉比λ通过单击夯沉量b与夯锤行程数值S之比得出，即：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S},$

并通过多次夯击的夯沉比得出该含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线；

通过上述方式得到同一能级的多种含水量填筑土对应的夯击次数—夯沉比曲线，并整合至一个曲线图上进行对比分析，位于最上面的夯击次数—夯沉比曲线对应的含水量即该能级的最优含水量。

所述步骤a中的加速度传感器是压电式加速度传感器。

所述夯击次数—夯沉比曲线图利用全场景缩尺模型试验得到，即夯锤的直径、高度及夯锤落距均为1：N缩小，利用全场景缩尺模型试验得到的最优含水量与现场的原型试验结果完全一致。

本发明同现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明在不同的含水量的工况下，通过强夯试验计算单击夯沉比，从而得到每种含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线，对同一能级的多种含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线对比分析，确定填方土体的最优含水量，根据施工所用能级选择最优含水量，为地基处理的设计优化提供参考，方法简单，物理意义明确，计算准确又方便经济。

2、现有工程中仅借助击实试验确定的最优含水量来间接确定强夯工程土体的最优含水量，但是击实实验只有轻型、重型之分，且轻型、重型击实试验所能确定的最优含水量均只有一种，与能级不匹配。本发明是以夯锤为研究对象，真正从强夯自身出发，得到强夯所对应的自身的最优含水量，夯沉比确定的最优含水量与能级有关，理论严密，可操作性强。

3、强夯加固机理与击实试验相似，因此，强夯工程试验的计算模型可以参照击实试验建立，但是击实试验因为有击实筒的存在，土体周围是刚性侧限，而强夯点周围均是土体，属于半无限体边界，侧限不明显，属于柔性侧限。本发明中夯沉比试验的提出及应用，巧妙地避开了击实实验由于侧限不同带来的误差，同时也是对击实实验在强夯工程应用的改进与补充。

4、本发明得到相应能级对应的最优含水量，可在施工地进行多次试验得到，也可在室内或室外建立原型的全场景同比缩小模型试验得出最优含水量，使得能耗成本降低。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例中夯击试验含水量14％的第五击全程加速度时程曲线。

图2为本发明实施例中夯击试验含水量14％的第五击加速度起始时间归零时程曲线。

图3为本发明实施例中夯击试验含水量14％的第五击速度时程曲线。

图4为本发明实施例中夯击试验含水量14％的第五击夯锤位移时程曲线。

图5为本发明实施例中夯击试验含水量14％的夯击次数—夯沉比曲线。

图6为本发明实施例中夯击试验五种含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线组合对比图。

具体实施方式

本发明利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，通过同一能级的多种含水量填筑土的夯击试验，分别计算多种含水量填筑土对应的夯沉比，绘制多种含水量填筑土的夯击次数—夯沉比曲线图组合对比以确定最优含水量；

每一种含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线图由下述方式得到：

a)调制一种含水量的填筑土，在夯锤的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，通过积分计算出夯锤行程数值S；

b)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；

c)每一击的夯沉比λ通过单击夯沉量b与夯锤行程数值S之比得出，即：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S},$

并通过多次夯击的夯沉比得出该含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线；

通过上述方式得到同一能级的多种含水量填筑土对应的夯击次数—夯沉比曲线，并整合至一个曲线图上进行对比分析，位于最上面的夯击次数—夯沉比曲线对应的含水量即该能级的最优含水量。

所述步骤a中的加速度传感器是压电式加速度传感器。

所述夯击次数—夯沉比曲线图利用全场景缩尺模型试验得到，即夯锤的直径、高度及夯锤落距均为1：N缩小，利用全场景缩尺模型试验得到的最优含水量与现场的原型试验结果完全一致。

以下为夯沉比的计算方式：

夯沉比其中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；

在夯锤的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；

根据采集的动态加速度数据得出夯锤每一击的加速度时程曲线；

将上述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；

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；

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v_i，得到夯锤的速度时程曲线；

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v_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，得到夯锤的位移时程曲线；

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；

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，计算夯锤每一击的夯沉比λ：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S}$

依据多个夯沉比λ的数值，得出该含水量下的夯击次数—夯沉比曲线。

本发明得到相应能级的最优含水量，可在施工地进行多次试验得到，也可在室内或室外建立原型的全场景同比缩小模型试验得出最优含水量，采用缩尺模型试验所得最优含水量，是为了在得到最接近实际的实验结果的同时，最大程度地降低能耗成本，在实地原型试验中经多次检验证明，所得的最优含水量与相应的缩尺模型实验结论完全一致。

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述，优选实施例仅为了说明本发明，而不是限制本发明的保护范围。

以下选用施工点4000KN·m能级作为实施例。

1)确定4000KN·m能级所使用的夯锤体积及落距，试验采用1:8缩尺模型，即将原型场景及实验设备均以1:8比例缩小进行试验，所用夯锤为平底无气孔，钢铁材质，夯锤的直径、高度及落距均为原型的1/8；

土工槽平面尺寸4000mm×3000mm，选用黄土状粉土按200mm～250mm厚度分层填筑，填筑总厚度根据能级不同并考虑一定的下卧层取1200mm～3000mm，填筑密实度控制在0.85左右，分别控制黄土的含水量为10％、12％、14％、16％、18％。

每种含水量对应试验夯击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。试验后对采集到的夯锤加速度曲线、每击夯沉量进行研究。

以下取含水量14％的夯击试验第五击为代表性数据计算分析。

2)根据采集的动态加速度数据得出主要时程曲线如图2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。

3)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。

4)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；

5)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，夯锤落地初速度可按下式得出：

${\mathrm{\ν}}_A=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\×9.8\×2.5}=7m/s$

将落地初速度作为初始条件(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，v₀为夯锤落地初速度(即上述v_A、v_B)；

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，得到速度时程曲线如图3所示。

6)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：

$S=S_0+{\∫}_0^t{S}^{\′}={\∫}_0^t\mathrm{\ν}dt$

将该计算式转换为数值积分形式：

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

其中S_i为夯锤位移，v_i为夯锤的速度值，δt为时间积分步长；

将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，夯锤行程S＝0.067m。

7)通过水准仪测量夯锤第五击的夯沉量b＝0.0069m。

8)通过上述测量得出的夯沉量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：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S}$

得： $\mathrm{\λ}=\frac{0.0072}{0.067}=10.74\%$

9)重复步骤1-8，得到含水量14％的多次夯击的夯沉比λ的数值，并得出夯击次数—夯沉比曲线如图5所示。

10)重复上述步骤1-9，分别得到含水量为10％、12％、14％、16％、18％对应的夯击次数—夯沉比曲线；

11)将多种含水量填筑土对应的夯击次数—夯沉比曲线整合至一个曲线图上进行对比，如图6所示，得到该能级下填筑土不同含水量的夯击次数—夯沉比曲线对比图，对所得的对比图进行分析，位于最上面的夯击次数—夯沉比曲线对应的含水量为最优含水量，由图6可知，当含水量在12％时，夯击次数—夯沉比曲线靠上，说明该施工点在4000KN·m下，五种含水量中最优含水量为12％。

以上实施例仅作为一个范例施工点，并选择4000KN·m能级作为举例以缩尺模型试验得出12％最优含水量的结论，可同样根据上述方式得到该范例施工点的任一能级的最优含水量，后期施工中根据施工所用能级适当地调配填筑土的含水量，使其施工点地基处理更加科学严谨，极大提高了施工质量。

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，最优含水量就是靠上夯沉比曲线所表示的含水量值，分析夯沉比曲线的物理意义，研究利用该曲线确定最优含水量及最优击数的合理性。这样既科学、准确，方便，又经济，省去夯后大量的繁杂试验，对实际工程有重要指导意义。

Claims (3)

1.利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，其特征在于，通过同一能级的多种含水量填筑土的夯击试验，分别计算多种含水量填筑土对应的夯沉比，绘制多种含水量填筑土的夯击次数—夯沉比曲线图组合对比以确定最优含水量；

每一种含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线图由下述方式得到：

a)调制一种含水量的填筑土，在夯锤的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，通过积分计算出夯锤行程数值S；

b)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；

c)每一击的夯沉比λ通过单击夯沉量b与夯锤行程数值S之比得出，即：

$\mathrm{\λ}=\frac{b}{S},$

并通过多次夯击的夯沉比得出该含水量对应的夯击次数—夯沉比曲线；

通过上述方式得到同一能级的多种含水量填筑土对应的夯击次数—夯沉比曲线，并整合至一个曲线图上进行对比分析，位于最上面的夯击次数—夯沉比曲线对应的含水量即该能级的最优含水量。

2.根据权利要求1所述的利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，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。

3.根据权利要求1或2所述的利用夯沉比确定填筑土同一能级下最优含水量的方法，其特征在于：所述夯击次数—夯沉比曲线图利用全场景缩尺模型试验得到，即夯锤的直径、高度及夯锤落距均为1：N缩小，利用全场景缩尺模型试验得到的最优含水量与现场的原型试验结果完全一致。