CN105804042A - 基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，包括：场地旋转触探测试、旋转触探测试数据处理、确定基础沉降影响深度z、计算基础深度影响系数λ、计算基底应力影响因子I_i、确定基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功及变形模量因子a_i、b_i和c_i，并通过公式计算基础最终沉降量。本发明提供了一种直接应用旋转触探测试技术开展基础沉降变形计算方法，该方法计算简便，所需勘探测试成本低，具有良好的实用性。

Description

基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法

技术领域

本发明属于岩土工程领域，尤其是涉及一种基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法。

背景技术

基础沉降变形计算是岩土工程设计中的一项重要研究内容。目前，各行业规范及工程实践中主要采用分层总和法计算基础沉降变形，计算所需的土体压缩模量主要通过钻探取样进行室内土工试验方法获得。但据目前的勘察水平,深层地基土的压缩模量很难准确测定,因为原状土样的采取受到很大限制,特别是粉性土、砂土扰动程度更大，导致地基土的压缩模量偏小或失真。因而，造成基础沉降变形计算结果与工程实际变形监测结果往往偏差较大。

原位测试是在地基土体的原位应力状态和天然含水率保持不变、原生结构不受或少受扰动的条件下，测试地基土体的物理力学特性。相比钻探取样室内土工试验测试方法，原位测试结果更能真实地反映地基土体的物理力学特性。目前，主要通过建立原位测试结果与土体压缩模量之间的经验公式，间接利用原位测试技术开展基础沉降变形计算，尚无直接应用原位测试结果开展基础沉降变形计算方法，限制了原位测试技术在基础沉降变形计算方面的应用和发展。

旋转触探技术(包括专利号为ZL200610014315.7，名称为“岩土工程原位旋转触探的测试方法及其专用设备”的发明专利；专利号为ZL200710059769.0、发明名称为“岩土工程原位旋转触探车”的发明专利；专利号为ZL200710059768.6、发明名称为“岩土工程原位旋转触探的专用钻头”的发明专利)是铁道第三勘察设计院集团有限公司自主研发的新型原位测试方法，其将钻探取样探测深度大和静力触探测试数据连续、直观、重复性好等优点有机结合起来，采用无缆触探技术，通过研发旋转触探专用钻头，增加测试旋转扭矩、水压力传感器，利用液压装置使旋转触探锥头旋转并匀速贯入地层中，测记旋转贯入过程中旋转触探锥头所受到的贯入阻力、旋转扭矩、排土水压力，旋转触探锥头贯入速度和转速，综合反映地层土体物理力学性质的变化。目前，已开展直接应用旋转触探测试结果划分地层及确定土类定名、确定钻孔灌注桩极限承载力等应用研究，但目前尚无直接应用旋转触探测试结果开展基础沉降变形计算的方法。

发明内容

针对现有基础沉降计算方法及旋转触探技术工程应用中所存在的问题，本发明提出一种基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其目的在于，直接应用旋转触探测试结果，结合基础附加荷载大小开展基础沉降计算。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，包含以下步骤：

S1：场地旋转触探测试；

S2：旋转触探测试数据处理；

S3：确定基础沉降影响深度z；

S4：计算基础深度影响系数λ；

S5：计算基底应力影响因子I_i；

S6：确定基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功及变形模量因子a_i、b_i和c_i；

S7：通过公式计算基础最终沉降量；

式中，ψ为沉降经验修正系数，λ为基础深度影响系数，Δp为相应于作用的准永久组合时基底附加应力(MPa)，k为沉降影响深度范围内划分的地层数，I_i为第i地层地基土体基底应力影响因子，为第i地层地基土体旋转触探比功平均值(MPa)，a_i、b_i、c_i为与土性相关的第i地层土体变形模量因子，Δz_i为第i地层地基土体厚度。

进一步，S1中场地旋转触探测试包括测试旋转触探锥头匀速贯入地层中随深度连续变化的锥头阻力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m；贯入速度，单位为m/s；转速，单位为转/s；并记录旋转触探锥头底面积，单位为m²。

进一步，S2中旋转触探数据处理包括应用旋转触探测试结果划分地层、确定地层土类名称和计算各地层旋转触探指标平均值。其中所述各地层旋转触探指标的平均值包括：各地层旋转触探锥头阻力平均值单位为MPa；各地层旋转触探锥头贯入速度平均值单位为m/s；各地层旋转触探锥头转速平均值n_i，单位为转/s；各地层旋转触探锥头旋转扭矩平均值单位为MN·m。

进一步，S3中基础沉降影响深度确定方法为：当无相邻荷载影响、基础宽度在1～30m范围内时，基础沉降影响深度z＝B(2.5-0.4lnB)，其中，B为基底宽度单位为m；但当计算深度范围内存在基岩时，基础沉降影响深度z为基底至基岩表面距离；当存在较厚的坚硬粘性土层，其孔隙比小于0.5、压缩模量大于50MPa，或存在较厚的密实砂卵石层，其压缩模量大于80MPa时，基础沉降影响深度z为基底至该层土表面距离。除上述情况外，基础沉降影响深度z按应力比法试算确定，具体确定方法为：至基础底面由上向下，当某一深度处附加应力σ_z与土体自重应力σ_c满足σ_z/σ_c≤0.2时，基底至该深度处距离即为基础沉降影响深度z。

进一步，S4中基础深度影响系数λ计算公式为：λ＝1-0.5(σ′_v0/Δp)，若λ＜0.5取λ＝0.5。式中，σ′_v0为初始状态基底处土体有效应力，单位为MPa；Δp为相应于作用的准永久组合时基底的附加应力，单位为MPa。

进一步，S5中基底应力影响因子I_i计算方法为：按基底应力影响因子分布三角形线性插值，取各地层基底应力影响因子平均值为I_i。基底应力影响因子三角形自基础中心点开始，竖直边边长为基础沉降影响深度z，三角形另一顶点在距基础底面z/4深度处，距三角形竖直边距离为式中，Δp为相应于作用的准永久组合时基底附加应力，单位为MPa，σ′_vp为I_max深度处初始状态地基土体有效应力，单位为MPa。

进一步，S6中基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功计算方法如下：

式中，为第i地层旋转触探锥头阻力平均值，单位为MPa；

A为旋转触探锥头底面积，单位为m²；

为第i地层旋转触探锥头贯入速度平均值，单位为m/s；

为第i地层旋转触探锥头转速平均值，单位为转/s；

为第i地层旋转触探锥头旋转扭矩平均值，单位为MN·m。

进一步，S6中基础深度影响范围内各地层变形模量因子a_i、b_i和c_i为按土类名称的地区性经验系数，无经验地区可统一取a＝6.3、b＝1.0、c＝0.97。

进一步，S7中沉降经验修正系数ψ根据地区沉降观测资料及经验确定，无经验地区按ψ＝1.0计算。

本发明直接应用旋转触探测试所得结果开展基础沉降变形计算，该方法仅需手工计算，计算过程简单，在不采用经验修正系数情况下，仍具有较高的计算精度，可应用于土木工程领域地基基础沉降变形计算。采用本发明方法进行基础沉降变形计算，计算参数仅需来自现场旋转触探试验，无需钻探，可以避免传统钻探取样、室内土工试验对地基土体的扰动和测试结果不准的影响，简化勘察程序，节省勘察成本，应用前景广阔。

附图说明

图1为基于旋转触探技术的基础沉降变形计算流程图；

图2为基底应力影响因子I_i分布三角形示意图；

图3为本发明实施例的桥梁桩基沉降量计算简图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

利用本发明方法计算某铁路桥梁基础的最终沉降量。

该铁路桥梁采用桩基础，桩基墩台即基底宽度为9.1m、长25m。每个墩台有12根钻孔灌注桩，桩长L＝52m、桩径D＝1.25m，桩间距为3.4m。基础所处地层为第四系冲积层、冲洪积层，以粉质黏土、粉砂为主。地基土体重度按γ＝19kN/m³、浮重度按γ′＝9kN/m³计算，基础所受相应于准永久组合时基底附加应力Δp＝92.3077×10^-3MPa。

实施时具体计算步骤及参数确定方法为：

(1)利用岩土工程原位旋转触探车，在墩台基础处开展旋转触探原位测试，测量并记录旋转触探锥头阻力、旋转扭矩、排土水压力、贯入速度和转速。旋转触探锥头的底面积A＝35×10^-4m²。

(2)根据旋转触探实测数据，绘制随地层深度变化的旋转触探锥头阻力、旋转扭矩、排土水压力曲线，并根据测试曲线形态划分地层、判定地层土类名称，计算各地层旋转触探指标的平均值，包括：各地层旋转触探锥头阻力平均值单位为MPa；各地层旋转触探贯入速度平均值单位为m/s；各地层旋转触探转速平均值单位为转/s；各地层旋转触探锥头旋转扭矩平均值单位为MN·m。

(3)确定基础沉降影响深度z：

基底宽度为B＝9.1m，因此基础沉降影响深度z＝B(2.5-0.4lnB)＝14.71m。

(4)计算基础深度影响系数λ：

相应于作用的准永久组合时基底附加应力Δp＝92.3077×10^-3MPa；

根据土力学知识，结合桩基础数据和图3中数据，计算初始状态基底处土体有效自重应力：

σ′_v0＝γ×2.5＋γ′×(1.31-0.93＋1.5＋2.5＋52-2.5)＝532.42＝10^-3MPa；

计算基础深度影响系数：

λ＝1-0.5(σ′_v0/Δp)＝1-0.5×(532.42÷92.3077)＝-1.884，因λ≤0.5，故λ＝0.5。

(5)计算基底应力影响因子I_i

根据土力学知识，结合桩基础数据和图3中数据，计算I_max处初始状态地基土体有效自重应力：

σ′_vp＝γ×2.5+γ′×(1.31-0.93+1.5+2.5+52-2.5+14.71/4)＝565.5175×10^-3MPa

绘制基底应力影响因子分布三角形，并插值得各地层基底应力影响因子I_i，如附图3所示。

(6)基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功及变形模量因子的确定：

计算基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功将步骤(2)计算出的各地层旋转触探指标的平均值带入计算得各地层土体旋转触探比功如图3所示。

基础深度影响范围内各地层变形模量因子a_i、b_i和c_i的确定：无场地土体变形模量因子经验数据，故基底各地层土体变形模量因子统一取a＝6.3、b＝1.0、c＝0.97。

(7)计算基础最终沉降量：

因无地区地区沉降观测资料及经验，取ψ＝1.0，可得：

$s=\mathrm{\ψ}\mathrm{\λ}\mathrm{\Δ}p\underset{i=1}{\overset{j}{\Σ}}\frac{I_i}{a_i{\stackrel{\‾}{e}}_i^{c_i}+b_i}{\mathrm{\Δz}}_i=1.0\×0.5\×92.3077\×{10}^{-3}\×\left(\begin{array}{c}\frac{0.3210\×2.62}{6.3\×{8.4171}^{0.97}+1}+\frac{0.7716\×1.06}{6.3\×{5.5754}^{0.97}+1}\\ +\frac{0.4542\×10.94}{6.3\×{5.5754}^{0.97}+1}+\frac{0.0037\×0.09}{6.3\×{9.3871}^{0.97}+1}\end{array}\right)=8.54mm$

利用本发明的基于旋转触探技术的基础沉降变形计算方法计算该铁路桥梁桩基础最终沉降量为8.54mm，该基础实测最终沉降为7.12mm，采用本发明所述方法计算所得基础最终沉降量与实测基础最终沉降量一致性较好。

由此可知，利用本发明所述方法计算基础沉降变形效果良好，且该方法计算简单、快捷，所需勘探测试成本低，具有良好的应用推广前景。

Claims (10)

1.一种基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：场地旋转触探测试；

S2：旋转触探测试数据处理；

S3：确定基础沉降影响深度z；

S4：计算基础深度影响系数λ；

S5：计算基底应力影响因子I_i；

S6：确定基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功及变形模量因子a_i、b_i和c_i；

S7：通过公式计算基础最终沉降量，式中：

ψ为沉降经验修正系数；

λ为基础深度影响系数；

Δp为相应于作用的准永久组合时基底附加应力，单位为MPa；

k为沉降影响深度范围内划分的地层数；

I_i为第i地层地基土体基底应力影响因子；

为第i地层地基土体旋转触探比功平均值，单位为MPa；

a_i、b_i、c_i为与土性相关的第i地层土体变形模量因子；

Δz_i为第i地层地基土体厚度，单位为m。

2.根据权利要求1所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S1中所述的场地旋转触探测试包括：测试旋转触探锥头匀速贯入地层中随深度连续变化的锥头阻力，单位为MPa；旋转扭矩，单位为MN·m；贯入速度，单位为m/s；转速，单位为转/s；排土水压力，单位为MPa；并记录旋转触探锥头的底面积A，单位为m²。

3.根据权利要求1所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S2所述的旋转触探数据处理包括应用旋转触探测试结果划分地层、确定地层土类名称和计算各地层旋转触探指标的平均值。

4.根据权利要求3所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，所述各地层旋转触探指标的平均值包括：各地层旋转触探锥头阻力平均值单位为MPa；各地层旋转触探锥头贯入速度平均值单位为m/s；各地层旋转触探锥头转速平均值单位为转/s；各地层旋转触探锥头旋转扭矩平均值单位为MN·m。

5.根据权利要求1所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S3中基础沉降影响深度z的确定方法为：

S3.1：当无相邻荷载影响、基础宽度在1～30m范围内时，基础沉降影响深度z＝B(2.5-0.4lnB)，其中，B为基底宽度，单位：m；但当计算深度范围内存在基岩时，基础沉降影响深度z为基底至基岩表面的距离；当存在较厚的坚硬粘性土层，其孔隙比小于0.5、压缩模量大于50MPa，或存在较厚的密实砂卵石层，其压缩模量大于80MPa时，基础沉降影响深度z为基底至该层土表面的距离。

S3.2：在除S3.1以外的情况下，基础沉降影响深度z按应力比法试算确定。

6.根据权利要求5所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，S3.2中，按应力比法试算基础沉降影响深度z的方法为：至基础底面由上向下，当某一深度处附加应力σ_z与土体自重应力σ_c满足σ_z/σ_c≤0.2时，基底至该深度处距离即为基础沉降影响深度z。

7.根据权利要求1所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S4中基础深度影响系数λ的计算公式为：λ＝1-0.5(σ′_v0/Δp)，若λ＜0.5取λ＝0.5；式中，σ′_v0为初始状态基底处土体有效应力，单位为MPa，Δp为相应于作用的准永久组合时基底的附加应力，单位为MPa。

8.根据权利要求1所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S5中基底应力影响因子I_i的计算方法为：按基底应力影响因子分布三角形线性插值，取各地层基底应力影响因子平均值为I_i；基底应力影响因子三角形自基础中心点开始，竖直边边长为基础沉降影响深度z，三角形另一顶点在距基础底面z/4深度处，距三角形竖直边距离为式中，Δp为相应于作用的准永久组合时基底附加应力，单位为MPa，σ′_vp为I_max深度处初始状态地基土体有效应力，单位为MPa。

9.根据权利要求2所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S6中，基础深度影响范围内各地层土体旋转触探比功的计算方法如下：

${\stackrel{\‾}{e}}_i={\stackrel{\‾}{p}}_{ri}+\frac{2\mathrm{\π}}{A}\frac{{\stackrel{\‾}{n}}_i{\stackrel{\‾}{M}}_{ri}}{{\stackrel{\‾}{u}}_i}$

式中，为第i地层旋转触探锥头阻力平均值，单位为MPa；

A为旋转触探锥头的底面积，单位为m²；

为第i地层旋转触探锥头贯入速度平均值，单位为m/s；

为第i地层旋转触探锥头转速平均值，单位为转/s；

为第i地层旋转触探锥头旋转扭矩平均值，单位为MN·m；

变形模量因子a_i、b_i和c_i为按土类名称的地区性经验系数，无经验地区统一取a＝6.3、b＝1.0、c＝0.97。

10.根据权利要求1所述的基于旋转触探测试技术的基础沉降变形计算方法，其特征在于，步骤S7中，沉降经验修正系数ψ根据地区沉降观测资料及经验确定，无经验地区按ψ＝1.0计算。