CN109283076A - 基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法：钙质土样烘干，确定其ρd,max、ρd,min、d50、Cu；计算各Dri下每类钙质土样的ρdi；测出不同ρdi下每类钙质土样的贯入锤击数、每次探头的累积贯入深度；分别绘成锤击数—累积贯入深度散点图，拟合每条直线斜率为pindex,i；得到绘制散点图；拟合得到与Dri表达式；得到与Dri表达式；用绝对系数基本量纲表示物理量；按照各物理量的量纲排列成“量纲矩阵”，求解π1、π2；确定动力触探试验物理量和轻型动力触探试验物理量之间关系；推得动力触探试验贯入指标；代入上述表达式，得到新表达式。

Description

基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法
技术领域
本发明涉及一种评价钙质土相对密实度的方法，更具体的说，是涉及一种基 于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法。
背景技术
在大陆架和海岸线一带广泛分布着钙质土地基。由于钙质土特有的物理力学 性质，使其在工程特性上与陆相沉积物存在着较大的差异。因此，提出一种新的、 能够快速、准确地预测钙质土地基相对密实度的方法对于这些地区现场工程的设 计和施工至关重要。
对于钙质砾、钙质砂等非粘性土来说，相对密实度Dr是评价其压实程度的 主要指标。Dr的计算公式如式(1)：
其中，Dr为相对密实度，ρd,max为该类土最大干密度，ρd,min为该类土最小 干密度，ρd为土样干密度。由式(1)可得若要采用常规土力学试验的方法测试 土体相对密实度，则需预先取得原状土样以确定其现场干密度。然而，许多条件 下取原状土样是很难实现的。因此，为避免试验室方法的困难，在《ASTM D6951 –03(2006)》、《DIN EN ISO 22476-2:2012-03(2012)》以及《岩土工程勘察规范》 (GB-50021-2001)中，均提到按现场动力触探试验指标评价地基土密实度。
动力触探试验是指利用一定的锤击能量将一定规格的圆锥探头打入土中，根 据贯入锤击数来判别土层类别及推测土的各类工程特性，其示意图如图1所示。
由上述动力触探试验的定义可知，在使用该方法预测地基土相对密实度的过 程中，贯入指标与土体相对密实度之间关系的确定至关重要。而目前通过贯入指 标预测土体密实度的经验计算公式主要针对石英砂，若将其直接应用于钙质土会 产生较大的误差。且现有经验公式大都不考虑土体粒径和级配的影响，从而造成 其计算精度的降低。此外，目前世界上存在着多种形式的动力触探仪。例如，表 1所示为《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)规定的国内常见的三种形式的 动力触探仪。不同形式的动力触探试验其所对应的贯入指标各不相同。故而，导 致业内与之相关规范的表达式多且杂，从而为现场工程的设计和施工带来了诸多 不便。
表1《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)规定的三种动力触探仪
综上所述，提出一种新的适用于预测钙质土地基相对密实度，能够综合考虑 其粒径和级配情况对土体贯入阻力影响，并能将不同类型的动力触探试验贯入指 标进行相互转化的动力触探试验指标评价方法具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于动力触探指标标 定系统评价钙质土相对密实度的方法，先通过室内模型试验确定《岩土工程勘察 规范》(GB-50021-2001)规定的轻型动力触探试验指标与钙质土地基相对密实度 之间的关系，再通过“量纲分析法”将这一关系推广到任意形式的动力触探试验， 采用本发明预测出的钙质土地基相对密实度与实际情况更加相符。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法，包括以 下步骤：
步骤一，将现场取回的钙质土样烘干，通过土工试验确定每类钙质土样的最 大干密度ρd,max、最小干密度ρd,min、平均粒径d50、不均匀系数Cu；
步骤二，设定相对密实度Dri，根据步骤一中测得的最大干密度ρd,max、最小 干密度ρd,min，计算出各种相对密实度Dri下每类钙质土样的干密度ρdi；
步骤三，通过室内轻型动力触探模型试验，分别测出不同干密度ρdi下每类 钙质土样的贯入锤击数，以及每次锤击完成后探头的累积贯入深度；
步骤四，将步骤三中记录下的每类钙质土样的贯入锤击数、每次锤击完成后 探头的累积贯入深度，分别绘成锤击数—累积贯入深度散点图，再利用最小二乘 法分别将每幅图中的每组试验的数据点拟合成一条直线，每条直线的斜率称为此 类钙质土样在相对密实度Dri下的贯入度pindex,i；
步骤五，结合每组试验得到的pindex,i、相对密实度Dri，以及步骤一中测得的 平均粒径d50、不均匀系数Cu，得到一系列数据点，再将 这些数据点绘制成散点图；
步骤六，采用最小二乘法对步骤五中数据点进行拟合，得到与 Dri之间关系的表达式；
步骤七，由于《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)中采用探头贯入30cm 所需的锤击数N10作为轻型动力触探试验的指标，因此得pindex,i＝300/N10，将其 代入步骤六表达式中，即得到与Dri之间关系的表达式，该表达式 即用于轻型动力触探试验预测现场钙质土地基的的密实度；
步骤八，由土力学可知，在轻型动力触探试验中，探头的累计贯入深度Dm是 锤击能量Wm、探头直径dm以及土阻力qpm的函数，将这些物理量之间的关系写 成一般函数的形式为：
f(Dm,Wm,dm,qpm)＝0
步骤九，用绝对系数基本量纲表示这些物理量，得：
Dm为L Wm为FL
dm为L qpm为FL-2
式中，F为力基本量纲，L为长度基本量纲；四个物理量包含两个基本量纲， 故独立的无量纲参数组合π的个数为2个，即π1，π2；所有物理量组成的无量 纲参数组合π的一般形式为：
π＝Dm aWm bdm cqpm e
式中，a、b、c、e均为一般常数量；
按照各物理量的量纲排列成“量纲矩阵”，求解得
步骤十，由于π数对于相似的物理现象具有不变的形式，故对于其它任意形 式的动力触探试验，试验的物理量探头的累计贯入深度Dp、锤击能量Wp、探头 直径dp、土阻力qpp和轻型动力触探试验物理量之间存在下述关系：
步骤十一，根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，轻型动力触探试 验的贯入指标为探头贯入深度300mm所需的锤击数N10，则由步骤十中的公式 推得其它任意形式的动力触探试验的贯入指标，即探头贯入深度Dsp所需的锤击 数Np：
式中，mm为轻型动力触探仪的锤重，hm为轻型动力触探仪的落锤高度，mp为其它任意形式的的动力触探仪的锤重，hp为其它任意形式的动力触探仪的落 锤高度；又根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，mm＝10kg，hm＝500mm， dm＝40mm，代入上式，得：
通过上式即将轻型动力触探试验的贯入指标转化为其它任意类型动力触探 试验的贯入指标；
步骤十二，将步骤十一中的公式代入步骤七得到的与Dri之间 关系的表达式中，则得到的新达式即用于任意形式的动力触探试验预测现场钙质 土地基的密实度。
步骤一中所述钙质土样分为两类：一类为钙质砾石，另一类为钙质粗砂。
步骤三中所述室内轻型动力触探模型试验是通过轻型动力触探仪进行的，轻 型动力触探仪采用《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)规定的规格。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)得出的经验公式针对于钙质土地基，能够综合考虑地基土的粒径和级 配情况对土体贯入阻力的影响，从而能够更加准确、广泛地预测不同地区钙质土 地基的密实度，为在该种地基土上采用现场动力触探试验预测土体密实度提供可 靠依据；
(2)采用本发明能够对不同类型动力触探试验的评价体系进行相互转化， 从而只要确定轻型动力触探试验的贯入指标与地基土相对密实度的关系，便可导 出在相同土质条件下其它类型的动力触探试验的相应关系，为实际工程的设计和 施工带来极大的便利；
(3)本发明符合工程实际，方法简单明确，易于操作，所涉及参数都容易 确定且可靠，因此，在现场动力触探试验中采用本发明得到的关系式预测钙质土 地基的相对密实度将会更加精确、合理。
综上所述，本发明针对于钙质土地基，并能够综合考虑地基土的粒径和级配 情况对土体贯入阻力的影响，以模型试验数据结合理论推导为依据，因此，在现 场动力触探试验中采用其得到的关系式预测钙质土地基的相对密实度将会更加 精确、合理。
附图说明
图1是动力触探仪示意图。
图2是实施例一中钙质砾石的锤击数—累积贯入深度关系散点图示例；
图3是实施例一中钙质砾石的锤击数—累积贯入深度关系拟合直线图示例；
图4是实施例一中贯入指标—密实度关系散点图；
图5是实施例一中贯入指标—密实度关系拟合曲线图；
图6是本发明的预测结果与实际结果对比。
附图标记：1手柄，2导杆，3砧，4刻度尺，5锤头， 6钻杆，7探头，h落锤高度，α锥角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明的基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法，包括以 下步骤：
步骤一，将现场取回的钙质土样烘干，通过土工试验确定每类钙质土样的最 大干密度ρd,max、最小干密度ρd,min、平均粒径d50、不均匀系数Cu。所述钙质土 样分为两类：一类为钙质砾石，另一类为钙质粗砂。
步骤二，设定相对密实度Dri，根据步骤一中测得的最大干密度ρd,max、最小 干密度ρd,min，采用公式(1)计算出各种相对密实度Dri下每类钙质土样的干密 度ρdi。为保证充分反映钙质土的各种密实状态，每类钙质土样按压实程度的不 同应至少设定3个不同且有一定差距的设计相对密实度Dri。
步骤三，通过室内轻型动力触探模型试验，分别测出不同干密度ρdi(亦即 不同相对密实度Dri)下每类钙质土样的贯入锤击数，以及每次锤击完成后探头 的累积贯入深度。其中，室内轻型动力触探模型试验是通过轻型动力触探仪进行 的，轻型动力触探仪采用《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)规定的规格。
步骤四，将步骤三中记录下的每类钙质土样的贯入锤击数、每次锤击完成后 探头的累积贯入深度，分别绘成锤击数—累积贯入深度散点图，再利用最小二乘 法分别将每幅图中的每组试验的数据点拟合成一条直线，每条直线的斜率称为此 类钙质土样在相对密实度Dri下的贯入度pindex,i。
步骤五，结合每组试验得到的pindex,i、相对密实度Dri，以及步骤一中测得的 平均粒径d50、不均匀系数Cu，得到一系列数据点，再将 这些数据点绘制成散点图。
步骤六，采用最小二乘法对步骤五中数据点进行拟合，得到与 Dri之间关系的表达式。
步骤七，由于《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)中采用探头贯入30cm 所需的锤击数N10作为轻型动力触探试验的指标，因此可得pindex,i＝300/N10。将 其代入步骤六表达式中，即得到与Dri之间关系的表达式，该表达 式即可用于轻型动力触探试验预测现场钙质土地基的密实度。
步骤八，由土力学可知，在轻型动力触探试验中，探头的累计贯入深度Dm是 锤击能量Wm、探头直径dm以及土阻力qpm的函数，将这些物理量之间的关系写 成一般函数的形式为：
f(Dm,Wm,dm,qpm)＝0 (2)
步骤九，用绝对系数基本量纲表示这些物理量，可得：
Dm为L Wm为FL
dm为L qpm为FL-2
式中，F为力基本量纲，L为长度基本量纲；四个物理量包含两个基本量纲， 故独立的无量纲参数组合π的个数为2个，即π1，π2。所有物理量组成的无量 纲参数组合π的一般形式为：
π＝Dm aWm bdm cqpm e (3)
式中，a、b、c、e均为一般常数量；
按照各物理量的量纲排列成“量纲矩阵”为：
求解得
步骤十，由于π数对于相似的物理现象具有不变的形式，故对于其它任意形 式的动力触探试验，试验的物理量探头的累计贯入深度Dp、锤击能量Wp、探头 直径dp、土阻力qpp和轻型动力触探试验物理量之间存在下述关系：
步骤十一，根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，轻型动力触探试 验的贯入指标为探头贯入深度300mm所需的锤击数N10，则由公式(4)、(5) 可推得其它任意形式的动力触探试验的贯入指标，即探头贯入深度Dsp所需的锤 击数Np：
式中，mm为轻型动力触探仪的锤重，hm为轻型动力触探仪的落锤高度，mp为其它任意形式的的动力触探仪的锤重，hp为其它任意形式的动力触探仪的落 锤高度。又根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，mm＝10kg，hm＝500mm， dm＝40mm，代入公式(6)，得：
通过公式(7)即将轻型动力触探试验的贯入指标转化为其它任意类型动力 触探试验的贯入指标。
步骤十二，将公式(7)代入步骤七得到的与Dri之间关系的 表达式中，则得到的新达式即用于任意形式的动力触探试验预测现场钙质土地基 的密实度。
实施例一：
本发明的基于动力触探试验指标预测碳酸盐砂地基土相对密实度的方法，采 用以下步骤：
步骤一，现场取回的钙质土样共分为两类，一类是钙质砾石，其最大干密度 ρd,max＝1660kg/m3，最小干密度ρd,min＝1273kg/m3，平均粒径d50＝2.7mm，不均匀 系数Cu＝6.25；另一类是钙质粗砂，其最大干密度ρd,max＝1567kg/m3，最小干密度 ρd,min＝1250kg/m3，平均粒径d50＝0.9mm，不均匀系数Cu＝3.33。
步骤二，每类钙质土样设定九个相对密实度Dri，根据步骤一中测得的最大 干密度ρd,max、最小干密度ρd,min，采用公式(1)计算出各种相对密实度Dri下每 类钙质土样的干密度ρdi。
步骤三，通过室内轻型动力触探模型试验，分别测出不同干密度ρdi下土样 的贯入锤击数，以及每次锤击完成后探头的累积贯入深度。
步骤四，将步骤三中记录下的每类钙质土样的贯入锤击数、每次锤击完成后 探头的累积贯入深度，分别绘成锤击数—累积贯入深度散点图，如图2所示钙质 砾石的锤击数—累积贯入深度关系散点图示例，钙质粗砂的绘制方法类似。再利 用最小二乘法分别将每幅图中的每组试验的数据点拟合成一条直线，每条直线的 斜率称为此类钙质土样在相对密实度Dri下的贯入度pindex,i。图3是钙质砾石的锤 击数—累积贯入深度关系拟合直线示例，钙质粗砂的拟合方法类似。
步骤五，结合每组试验得到的pindex,i、相对密实度Dri，以及步骤一中测得的 相应的平均粒径d50、不均匀系数Cu，得到一系列数据点， 再将这些数据点绘制成散点图，如图4所示，定义为贯入指标。
步骤六，如图5所示，采用最小二乘法对步骤五中的数据点进行拟合，进而 得到与Dri之间关系的表达式。
步骤七，将pindex,i＝300/N10代入步骤六表达式中，即可得到与 Dri之间关系的表达式为
步骤八，在轻型动力触探试验中，探头的累计贯入深度Dm是锤击能量Wm、 探头直径dm以及土阻力qpm的函数。将这些物理量之间的关系写成一般函数的形 式如公式(2)所示。
步骤九，用绝对系数基本量纲表示这些物理量，可得：
Dm为L Wm为FL
dm为L qpm为FL-2
式中，F为力基本量纲，L为长度基本量纲；四个物理量包含两个基本量纲， 故独立的无量纲参数组合π的个数为2个，即π1，π2。所有物理量组成的无量 纲参数组合π的一般形式如公式(3)。
按照各物理量的量纲排列成“量纲矩阵”为：
解之得
步骤十，由于π数对于相似的物理现象具有不变的形式，故对于其它任意形 式的动力触探试验，试验的物理量探头的累计贯入深度Dp、锤击能量Wp、探头 直径dp、土阻力qpp和轻型动力触探试验物理量之间存在的关系，如公式(4)、 (5)所示。
步骤十一根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，轻型动力触探试验 的贯入指标为探头贯入深度300mm所需的锤击数N10，则由公式(4)、(5)可 推得其它任意形式的动力触探试验的贯入指标，即探头贯入深度Dsp所需的锤击 数Np，如公式(6)、(7)所示。通过公式(7)即将轻型动力触探试验的贯入 指标转化为其它任意类型动力触探试验的贯入指标。
步骤十二，将公式(7)代入步骤七得到的与Dri之间关系的 表达式中，则得到的新达式即用于任意形式的动力触探试验预测现场钙质土地基 的密实度。
实施例二：
本实施例在实施例一的基础上进一步限定。在南海某一现场试验中采用重型 动力触探试验预测海床钙质土地基的密实度，其中，规范规定对于重型动力触探 试验，锤重mp＝63.5kg，落锤高度hp＝760mm，探头直径dp＝74mm，贯入指标为 探头贯入Dsp＝100mm所需的锤击数N63.5，将其代入式(7)中，即可得
N63.5＝0.118N10 (8)
再将式(8)代入步骤七中得到的与Dri之间关系的表达式， 可得：
如图6所示，根据现场重型动力触探试验的贯入指标，采用式(6)预测的 地基土相对密实度与现场结果进行对比，可得差距并不大。究其原因，就在于本 发明针对于钙质土地基，并能够综合考虑地基土的粒径和级配情况对土体贯入阻 力的影响，以模型试验数据结合理论推导为依据，因此预测结果更加接近于实际 值，更加合理。
在钙质土地基，其碳酸钙含量大都超过90％，因此，在该区域的工程建设中 通过动力触探试验预测地基土相对密实度时可直接采用上述方法。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局 限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是 限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权 利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之 内。

Claims (3)

1.一种基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将现场取回的钙质土样烘干，通过土工试验确定每类钙质土样的最大干密度ρd,max、最小干密度ρd,min、平均粒径d50、不均匀系数Cu；
步骤二，设定相对密实度Dri，根据步骤一中测得的最大干密度ρd,max、最小干密度ρd,min，计算出各种相对密实度Dri下每类钙质土样的干密度ρdi；
步骤三，通过室内轻型动力触探模型试验，分别测出不同干密度ρdi下每类钙质土样的贯入锤击数，以及每次锤击完成后探头的累积贯入深度；
步骤四，将步骤三中记录下的每类钙质土样的贯入锤击数、每次锤击完成后探头的累积贯入深度，分别绘成锤击数—累积贯入深度散点图，再利用最小二乘法分别将每幅图中的每组试验的数据点拟合成一条直线，每条直线的斜率称为此类钙质土样在相对密实度Dri下的贯入度pindex,i；
步骤五，结合每组试验得到的pindex,i、相对密实度Dri，以及步骤一中测得的平均粒径d50、不均匀系数Cu，得到一系列(Dri)数据点，再将这些数据点绘制成散点图；
步骤六，采用最小二乘法对步骤五中数据点进行拟合，得到与Dri之间关系的表达式；
步骤七，由于《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)中采用探头贯入30cm所需的锤击数N10作为轻型动力触探试验的指标，因此得pindex,i＝300/N10，将其代入步骤六表达式中，即得到与Dri之间关系的表达式，该表达式即用于轻型动力触探试验预测现场钙质土地基的密实度；
步骤八，由土力学可知，在轻型动力触探试验中，探头的累计贯入深度Dm是锤击能量Wm、探头直径dm以及土阻力qpm的函数，将这些物理量之间的关系写成一般函数的形式为：
f(Dm,Wm,dm,qpm)＝0
步骤九，用绝对系数基本量纲表示这些物理量，得：
Dm为L Wm为FL
dm为L qpm为FL-2
式中，F为力基本量纲，L为长度基本量纲；四个物理量包含两个基本量纲，故独立的无量纲参数组合π的个数为2个，即π1，π2；所有物理量组成的无量纲参数组合π的一般形式为：
π＝Dm aWm bdm cqpm e
式中，a、b、c、e均为一般常数量；
按照各物理量的量纲排列成“量纲矩阵”，求解得
步骤十，由于π数对于相似的物理现象具有不变的形式，故对于其它任意形式的动力触探试验，试验的物理量探头的累计贯入深度Dp、锤击能量Wp、探头直径dp、土阻力qpp和轻型动力触探试验物理量之间存在下述关系：
步骤十一，根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，轻型动力触探试验的贯入指标为探头贯入深度300mm所需的锤击数N10，则由步骤十中的公式推得其它任意形式的动力触探试验的贯入指标，即探头贯入深度Dsp所需的锤击数Np：
式中，mm为轻型动力触探仪的锤重，hm为轻型动力触探仪的落锤高度，mp为其它任意形式的的动力触探仪的锤重，hp为其它任意形式的动力触探仪的落锤高度；又根据《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)，mm＝10kg，hm＝500mm，dm＝40mm，代入上式，得：
通过上式即将轻型动力触探试验的贯入指标转化为其它任意类型动力触探试验的贯入指标；
步骤十二，将步骤十一中的公式代入步骤七得到的与Dri之间关系的表达式中，则得到的新达式即用于任意形式的动力触探试验预测现场钙质土地基的密实度。
2.根据权利要求1所述的基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法，其特征在于，步骤一中所述钙质土样分为两类：一类为钙质砾石，另一类为钙质粗砂。
3.根据权利要求1所述的基于动力触探指标标定系统评价钙质土相对密实度的方法，其特征在于，步骤三中所述室内轻型动力触探模型试验是通过轻型动力触探仪进行的，轻型动力触探仪采用《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)规定的规格。
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