CN110952602B - 利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法 - Google Patents

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    • E02D33/00—Testing foundations or foundation structures

Abstract

本发明公开了一种利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法，涉及岩土工程勘探和测试技术领域。它包括以下步骤：步骤1：利用钻机起吊套管置于钻孔中并固定，然后起吊穿心吊锤；步骤2：测量穿心吊锤距套管盖头顶面的距离、套管盖头距地面的距离和套管已进入土层的长度；步骤3：穿心吊锤采用自动落锤方式锤击套管；步骤4：重复上述步骤2‑3，锤击套管至预定深度；步骤5：得出土的极限侧阻力标准值。本发明提供的方法是对钻孔下套管工序的兼顾利用，既不增加工序，也不增加设备，方法简单，节省了试验时间和试验费用。

Description

利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法
技术领域
本发明涉及岩土工程勘探和测试技术领域，更具体地说它是一种利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法。
背景技术
桩基岩土工程勘察中，单桩竖向承载力的确定通常采用以下三种方法：
1)单桩静载荷试验；
2)原位测试法：通过建立静力触探、动力触探等原位测试与静载荷试验测得的单桩竖向承载力的相关关系，得到经验公式；
3)经验参数法：根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定侧阻力和端阻力，从而采用公式估算单桩竖向承载力。
单桩静载荷试验是目前确定桩基承载力的主要方法，设计等级为甲级的建筑桩基要求采用单桩静载试验确定桩基承载力，但存在制桩成本高、试验周期长等缺点。因此，对于地质条件简单的乙级桩基或丙级桩基常采用原位测试法、经验参数法来估算桩基承载力。
原位测试法和经验参数法都属于经验方法，在缺乏经验的地区，而勘察阶段又不具备静载荷试验条件时，勘察报告中提出估算桩基承载力的极限侧阻力和极限端阻力就缺乏依据。
因此，研发一种利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法是很有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足之处，而提供一种利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用钻机起吊套管置于钻孔中并固定，套管顶部有套管盖头，然后起吊穿心吊锤，穿心吊锤通过导向杆与套管连接；
步骤2：测量穿心吊锤距套管盖头顶面的距离、套管盖头距地面的距离和套管已进入土层的长度，穿心吊锤的质量和套管的外直径已知；
步骤3：穿心吊锤采用自动落锤方式锤击套管，并记录穿心吊锤开始下落至套管停止下沉的时间长度、锤击后套管盖头顶面距地面的距离；
步骤4：重复上述步骤2-3，锤击套管至预定深度；
步骤5：根据上述步骤所获得的参数计算土的极限侧阻力，然后对计算所得数据进行统计分析，得出土的极限侧阻力标准值。
在上述技术方案中，在步骤5中，以第i次锤击套管计算土的极限侧阻力的原理及公式推导如下：
1)穿心吊锤自由下落至锤击套管产生的动量按式①计算，
即Pi1＝Mvi ①
其中vi＝gti1
Figure BDA0002274925200000021
得
Figure BDA0002274925200000022
式中，Pi1为穿心吊锤自由下落产生的动量；M为穿心吊锤的质量；vi为穿心吊锤锤击套管时的瞬时速度；g为重力加速度；ti1为穿心吊锤自由下落的时间长度；Si为穿心吊锤自由下落高度；
2)套管受到穿心吊锤锤击产生的动量按式③计算，
即Pi2＝Fi1ti2 ③
其中
Figure BDA0002274925200000023
得
Figure BDA0002274925200000031
式中，Pi2为套管受到穿心吊锤锤击产生的动量；Fi1为套管对孔壁土的作用力；ti2为套管下沉的时间长度；Ti为穿心吊锤开始下落至套管停止下沉的时间长度；
3)根据牛顿第三定律，套管对孔壁土的作用力与孔壁土对套管的作用力大小相等，即
Fi1＝Fi2
其中Fi2＝uqsili
u＝πD
li＝li-1+hi
hi＝Hi1-Hi2
则
Figure BDA0002274925200000032
将上式代入式④，得
Figure BDA0002274925200000033
式中，Fi2为孔壁土对套管的作用力；u为套管周长；qsi为土的极限侧阻力；li为本次锤击后套管进入土层的长度；π为圆周率；D为套管外直径；li-1为本次锤击前套管进入土层的长度；hi为本次锤击套管下沉的深度,计算孔壁土对套管的作用力时取深度的二分之一；Hi1为锤击前套管盖头顶面距地面的距离；Hi2为锤击后套管盖头顶面距地面的距离；
4)根据动量守恒定律，穿心吊锤与套管相互的动量大小相等，即
Pi1＝Pi2
将式②和式⑤代入上式，得
Figure BDA0002274925200000041
由上式计算土的极限侧阻力，得
Figure BDA0002274925200000042
式中，qsi为土的极限侧阻力；M为穿心吊锤的质量；g为重力加速度；Si为穿心吊锤自由下落高度；π为圆周率；D为套管外直径；li-1为本次锤击前套管进入土层的长度；Hi1为锤击前套管盖头顶面距地面的距离；Hi2为锤击后套管盖头顶面距地面的距离；Ti为穿心吊锤开始下落至套管停止下沉的时间长度。
在上述技术方案中，在步骤5中，每一次锤击套管与土层相互作用长度是在前次的基础上递增，即本次套管与土层相互作用的长度包含了本次锤击前套管已经进入土层的长度；第i次锤击递增段的极限侧阻力qsj按式⑦计算,即
Figure BDA0002274925200000043
式中，qsj为第i次锤击递增段土的极限侧阻力，qsi为第i次锤击计算得到土的极限侧阻力、qsi-1为第i-1次锤击计算得到土的极限侧阻力；li-1为第i次锤击前套管进入土层的长度；hi为第i次锤击套管下沉的深度、hi-1为第i-1次锤击套管下沉的深度。
在上述技术方案中，利用式⑥求得是套管所穿过土层的总体极限侧阻力，通过式⑦既可求得同一土层内某段土的侧阻力,也可求得不同土层的极限侧阻力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)本发明提供的方法是对钻孔下套管工序的兼顾利用，既不增加工序，也不增加设备，方法简单，节省了试验时间和试验费用。
2)护壁套管与孔壁土层和桩与桩周土的作用机理非常相似，相比静力触探、动力触探等原位测试方法具有优越性，测得的土的极限侧阻力是对原位土层、相似受力状况的反映，因而参数的可靠性较高。
附图说明
图1为本发明第i次锤击前和第i次锤击后的结构示意图。
其中，1-穿心吊锤,2-导向杆,3-套管盖头,4-套管,5-钻孔。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
参阅附图可知：利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用钻机起吊套管4置于钻孔5中并固定，套管4顶部有套管盖头3，然后起吊穿心吊锤1，穿心吊锤1通过导向杆2与套管4连接；
步骤2：测量穿心吊锤1距套管盖头3顶面的距离、套管盖头3距地面的距离和套管4已进入土层的长度(自由下落高度)，穿心吊锤1的质量和套管4的外直径已知，必要时进行复核；
步骤3：穿心吊锤1采用自动落锤方式锤击套管4，并记录穿心吊锤1开始下落至套管4停止下沉的时间长度、锤击后套管盖头3顶面距地面的距离；击入套管4采用的是自动落锤方式，关键是测量、记录穿心吊锤1开始下落至套管4停止下沉的时间长度，由于这一过程通常历时很短，因而必须精确测量；
步骤4：重复上述步骤2-3，锤击套管4至预定深度；
步骤5：根据上述步骤所获得的参数计算土的侧阻力，然后对计算所得数据进行统计分析，得出土的侧阻力标准值。
在步骤5中，以第i次锤击套管4计算土的极限侧阻力的原理及公式推导如下：
1)穿心吊锤1自由下落至锤击套管4产生的动量按式①计算，
即Pi1＝Mvi ①
其中vi＝gti1
Figure BDA0002274925200000061
得
Figure BDA0002274925200000062
式中，Pi1为穿心吊锤1自由下落产生的动量；M为穿心吊锤1的质量；vi为穿心吊锤1锤击套管4时的瞬时速度；g为重力加速度；ti1为穿心吊锤1自由下落的时间长度；Si为穿心吊锤1自由下落高度；
2)套管(4)受到穿心吊锤1锤击产生的动量按式③计算，
即Pi2＝Fi1ti2 ③
其中
Figure BDA0002274925200000063
得
Figure BDA0002274925200000064
式中，Pi2为套管4受到穿心吊锤1锤击产生的动量；Fi1为套管4对孔壁土的作用力；ti2为套管下沉的时间长度；Ti为穿心吊锤1开始下落至套管4停止下沉的时间长度；
3)根据牛顿第三定律，套管4对孔壁土的作用力与孔壁土对套管4的作用力大小相等，即
Fi1＝Fi2
其中Fi2＝uqsili
u＝πD
li＝li-1+hi
hi＝Hi1-Hi2
则
Figure BDA0002274925200000071
将上式代入式④，得
Figure BDA0002274925200000072
式中，Fi2为孔壁土对套管4的作用力；u为套管4周长；qsi为土的极限侧阻力；li为本次锤击后套管4进入土层的长度；π为圆周率；D为套管4外直径；li-1为本次锤击前套管4进入土层的长度；hi为本次锤击套管4下沉的深度(计算孔壁土对套管的作用力时取深度的二分之一)；Hi1为锤击前套管盖头(3)顶面距地面的距离；Hi2为锤击后套管盖头3顶面距地面的距离；
4)根据动量守恒定律，穿心吊锤1与套管4相互的动量大小相等，即
Pi1＝Pi2
将式②和式⑤代入上式，得
Figure BDA0002274925200000073
由上式计算土的极限侧阻力，得
Figure BDA0002274925200000081
式中，qsi为土的极限侧阻力；M为穿心吊锤1的质量；g为重力加速度；Si为穿心吊锤1自由下落高度；π为圆周率；D为套管4外直径；li-1为本次锤击前套管4进入土层的长度；Hi1为锤击前套管盖头3顶面距地面的距离；Hi2为锤击后套管盖头3顶面距地面的距离；Ti为穿心吊锤1开始下落至套管4停止下沉的时间长度。
在步骤5中，每一次锤击套管与土层相互作用长度是在前次的基础上递增，即本次套管4与土层相互作用的长度包含了本次锤击前套管4已经进入土层的长度；第i次锤击递增段的极限侧阻力qsj按式⑦计算,即
Figure BDA0002274925200000082
式中，qsj为第i次锤击递增段土的极限侧阻力，qsi为第i次锤击计算得到土的极限侧阻力、qsi-1为第i-1次锤击计算得到土的极限侧阻力；li-1为第i次锤击前套管4进入土层的长度；hi为第i次锤击套管4下沉的深度、hi-1为第i-1次锤击套管4下沉的深度。
土的极限侧阻力按式⑥和⑦计算，可求取一系列极限侧阻力值，然后按钻孔、土层类别分层进行统计分析，求取土的极限侧阻力值标准值，而关于土层的类别一般通过钻孔岩芯来鉴定；需要说明的是，孔壁土对套管4的作用力是套管4所穿过土层对套管4的综合作用力，因而利用式⑥求得是套管4所穿过土层的总体极限侧阻力，通过式⑦既可求得同一土层内某段土的侧阻力,也可求得不同土层的极限侧阻力。
求得土的极限侧阻力标准值是本发明的目的，此外，利用求得的极限侧阻力也可分析极限侧阻力随深度的变化、不同位置的变化等情况。至于计算桩基承载力用到的土的极限端阻力一般较容易求得，这就不是本发明的范畴了。
套管4是钻孔常用的护壁措施，尤其在含砂、砾石、卵石(碎石)、漂石(块石)等地层中施工时，孔壁稳定性差，常用套管4来护壁。由于护壁套管4与孔壁土层的相护作用类似于桩与桩周土的作用机理，通过套管4与孔壁土的相互作用力就可反算求得土的极限侧阻力，从而为桩基承载力的计算提供参数。土的极限侧阻力的反算利用了动量守恒定律和牛顿第三定律，式⑥中的参数已知或可直接测得。
其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (3)

1.利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：利用钻机起吊套管(4)置于钻孔(5)中并固定，套管(4)顶部有套管盖头(3)，然后起吊穿心吊锤(1)，穿心吊锤(1)通过导向杆(2)与套管(4)连接；
步骤2：测量穿心吊锤(1)距套管盖头(3)顶面的距离、套管盖头(3)距地面的距离和套管(4)已进入土层的长度，穿心吊锤(1)的质量和套管(4)的外直径已知；
步骤3：穿心吊锤(1)采用自动落锤方式锤击套管(4)，并记录穿心吊锤(1)开始下落至套管(4)停止下沉的时间长度、锤击后套管盖头(3)顶面距地面的距离；
步骤4：重复上述步骤2-3，锤击套管(4)至预定深度；
步骤5：根据上述步骤所获得的参数计算土的极限侧阻力，然后对计算所得数据进行统计分析，得出土的极限侧阻力标准值；
在步骤5中，以第i次锤击套管(4)计算土的极限侧阻力的原理及公式推导如下：
1)穿心吊锤(1)自由下落至锤击套管(4)产生的动量按式①计算，
即Pi1＝Mvi ①
其中vi＝gti1
Figure FDA0002981653380000011
得
Figure FDA0002981653380000012
式中，Pi1为穿心吊锤(1)自由下落产生的动量；M为穿心吊锤(1)的质量；vi为穿心吊锤(1)锤击套管(4)时的瞬时速度；g为重力加速度；ti1为穿心吊锤(1)自由下落的时间长度；Si为穿心吊锤(1)自由下落高度；
2)套管(4)受到穿心吊锤(1)锤击产生的动量按式③计算，
即Pi2＝Fi1ti2 ③
其中
Figure FDA0002981653380000021
得
Figure FDA0002981653380000022
式中，Pi2为套管(4)受到穿心吊锤(1)锤击产生的动量；Fi1为套管(4)对孔壁土的作用力；ti2为套管下沉的时间长度；Ti为穿心吊锤(1)开始下落至套管(4)停止下沉的时间长度；
3)根据牛顿第三定律，套管(4)对孔壁土的作用力与孔壁土对套管(4)的作用力大小相等，即
Fi1＝Fi2
其中Fi2＝uqsili
u＝πD
li＝li-1+hi
hi＝Hi1-Hi2
则
Figure FDA0002981653380000023
将上式代入式④，得
Figure FDA0002981653380000024
式中，Fi2为孔壁土对套管(4)的作用力；u为套管(4)周长；qsi为土的极限侧阻力；li为本次锤击后套管(4)进入土层的长度；π为圆周率；D为套管(4)外直径；li-1为本次锤击前套管(4)进入土层的长度；hi为本次锤击套管(4)下沉的深度,计算孔壁土对套管的作用力时取深度的二分之一；Hi1为锤击前套管盖头(3)顶面距地面的距离；Hi2为锤击后套管盖头(3)顶面距地面的距离；
4)根据动量守恒定律，穿心吊锤(1)与套管(4)相互的动量大小相等，即
Pi1＝Pi2
将式②和式⑤代入上式，得
Figure FDA0002981653380000031
由上式计算土的极限侧阻力，得
Figure FDA0002981653380000032
式中，qsi为土的极限侧阻力；M为穿心吊锤(1)的质量；g为重力加速度；Si为穿心吊锤(1)自由下落高度；π为圆周率；D为套管(4)外直径；li-1为本次锤击前套管(4)进入土层的长度；Hi1为锤击前套管盖头(3)顶面距地面的距离；Hi2为锤击后套管盖头(3)顶面距地面的距离；Ti为穿心吊锤(1)开始下落至套管(4)停止下沉的时间长度。
2.根据权利要求1所述的利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法，其特征在于：在步骤5中，每一次锤击套管与土层相互作用长度是在前次的基础上递增，即本次套管(4)与土层相互作用的长度包含了本次锤击前套管(4)已经进入土层的长度；第i次锤击递增段的极限侧阻力qsj按式⑦计算,即
Figure FDA0002981653380000041
式中，qsj为第i次锤击递增段土的极限侧阻力，qsi为第i次锤击计算得到土的极限侧阻力、qsi-1为第i-1次锤击计算得到土的极限侧阻力；li-1为第i次锤击前套管(4)进入土层的长度；hi为第i次锤击套管(4)下沉的深度、hi-1为第i-1次锤击套管(4)下沉的深度。
3.根据权利要求2所述的利用护壁套管估算桩基土的极限侧阻力的方法，其特征在于：利用式⑥求得是套管(4)所穿过土层的总体极限侧阻力，通过式⑦既可求得同一土层内某段土的侧阻力,也可求得不同土层的极限侧阻力。
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