CN112779901A - 一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法 - Google Patents

一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法,属于承载力检测技术领域。该方法利用埋设土压力盒方法测量夯实过程中,回填土内土压力变化情况,利用高密度电阻率成像系统探测夯实前后地层中电阻率的分布情况,得出不同深度下地层的电阻率,利用电阻率的分布情况可以间接判断出重锤夯击影响到的范围和未影响到的范围,重锤夯击影响到的地层电阻率与基准电阻率值比较,得出不同深度地层电阻率的级差,通过对地层电阻率的计算分析,得到电阻率与孔隙率的关系,再通过孔隙比与承载力的关系,间接得到电阻率与承载力的关系,建立起电阻率‑密实度‑承载力三者之间的函数关系,最终得出大粒径碎石地基强夯的承载力。

Description

一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法
技术领域
本发明涉及承载力检测技术领域,特别是指一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法。
背景技术
滨海工程中为了加快施工进度和取材经济方便,施工过程中常直接以开山爆破碎石作为碎石地基垫层。但是爆破后的岩石多为大粒径散体碎石,级配差、疏松、透水性强,有别于传统的砂土或软粘土回填材料,可定义为典型的大粒径散体物质体系。目前,利用大粒径散体碎石回填基础在国内外滨海工程中越来越多,是岩土工程界一个亟待研究的新的工程背景。
将爆破后的开山石夯击压实直接作为地基垫层这一工艺面临的关键问题是如何有效评价碎石地基夯击影响深度及地基承载力。针对散体物质体系,目前工程上常利用强夯法进行加固处理,并利用动力触探(超重型)和平板载荷试验确定其夯实效果和承载力。
平板荷载试验是在一定尺寸的刚性承压板上分级施加荷载,观测各级荷载作用下天然地基土随压力和变形的原位试验,适用于地表浅层地基,特别适用于各种填土、含碎石的土类。
动力触探即圆锥动力触探试验,它利用一定的锤击能量,将一定规格的探头打入土中,按贯入的难易程度来评价土的力学性质,重型动力触探适用于砂土和砾卵石,超重型动力触探适用于砾卵石。
将爆破后的开山石夯击压实直接作为地基垫层这一工艺面临的关键问题是如何有效评价碎石地基夯击影响深度及地基承载力,爆破碎石粒径和级配远大于现行路基施工技术规范的范围,现行规范没有明确其压实质量控制标准,对如何有效检测与评价其强夯加固效果缺乏行之有效的检测方法。
(1)《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)中对地基岩土的分类方法中规定将大于2mm的颗粒含量超过全重50%的土定义为碎石土,而爆破后的碎石粒径分布远远大于规范中的定义范围。
(2)针对大粒径碎石回填强夯后密实度和承载能力的评定亦是缺乏标准,《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB50202-2002)中对于碎石土地基承载力主要采用动力触探(超重型)和平板载荷试验对碎石土进行评价。动力触探受限于触探设备尺寸,探头直径小于爆破碎石尺寸;平板荷载试验的影响深度范围不超过两倍承压板宽度(或直径),故只能了解地表浅层地基土的特性;承压板的尺寸比实际基础小,在刚性板边缘产生塑性区的开展,更易造成地基的破坏,使预估的承载力偏低,此外平板载荷试验平板面积小于爆破碎石粒径,难以获得有效承载力。
因此,传统的地基基础理论及标准在大粒径散体碎石基础承载力分析计算方面有所欠缺,利用它无法得到有效的结果,亟需探索一种新的方法有效的解决这一问题,弥补该检测技术空白,为大粒径散体碎石地基承载力检测方法奠定基础。
强夯加固处理是普遍采用的一种地基施工方法,然而,在实际工程中由于大粒径碎石块度分布不均、级配差、工程性质复杂,即使在夯击情况下也不能完全填充大粒径碎石空隙,夯击后往往形成骨架—空隙型结构,现行规范没有明确其压实质量控制标准,对如何有效检测与评价其强夯加固效果缺乏行之有效的检测方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法。
该方法首先利用埋设土压力盒方法测量夯实过程中,回填土内土压力变化情况,进而据此分析夯击影响深度,获得结果与计算所得值进行比较分析,建立相应影响深度判据,利用高密度电阻率成像系统探测夯实前后地层中电阻率的分布情况,得出不同深度下地层的电阻率,利用电阻率的分布情况可以间接判断出重锤夯击影响到的范围和未影响到的范围,以重锤夯击未影响到的地层电阻率为基准电阻率值,重锤夯击影响到的地层电阻率与之比较,得出不同深度地层电阻率的级差,通过对地层电阻率的计算分析,得到电阻率与孔隙率的关系,再通过孔隙比与承载力的关系,间接得到电阻率与承载力的关系,建立起电阻率-密实度-承载力三者之间的函数关系,最终得出大粒径碎石地基强夯的承载力。
具体包括步骤如下:
(1)利用埋设土压力盒方法,测量夯实过程中,回填土内土压力变化情况,得到有效加固深度,将测量得到的有效加固深度与经梅娜法计算得到的有效加固深度进行比较分析,为基于高密度电阻率法评价强夯加固深度提供参照;
(2)利用高密度电阻率成像系统探测夯实前后地层中电阻率的分布情况,得出不同深度下地层的电阻率,得到探测剖面电阻率分布云图及电阻率—深度关系图;
(3)利用步骤(2)中得到的电阻率的分布情况间接判断出重锤夯击影响到的范围和未影响到的范围;
(4)重锤夯击影响到的地层电阻率与基准电阻率值比较,得出不同深度地层电阻率的级差;
(5)通过利用Archie电阻率法对地层电阻率的计算分析,得到电阻率与孔隙率的关系,再通过孔隙比与承载力的关系,间接得到电阻率与承载力的关系,建立起电阻率-密实度-承载力三者之间的函数关系,最终得出大粒径碎石地基强夯的承载力。
其中,步骤(3)具体为:根据探测剖面电阻率分布云图及电阻率—深度关系图进行判别,碎石土的密实度与电阻率的关系为碎石土密实度越高孔隙度越低电阻率越低,相反情况下密实度越低孔隙度越大电阻率越高,密实度表征了夯击影响范围,根据夯击前后电阻率变化反应密实度变化,从而获得影响范围。
步骤(4)中以重锤夯击未影响到的地层电阻率为基准电阻率值。
本发明的上述技术方案的有益效果如下:
上述方案中,不同于传统的砂土或软粘土回填材料,大粒径散体碎石级配差、疏松、透水性强,是典型的大粒径散体物质体系,又不同于一般碎石土地基,开山爆破的碎石缺乏可筛选性,在粒径和级配上远远超出了相关规范的分类范围;常用的平板载荷试验、触探试验、十字板剪切试验不再适用:平板荷载试验的影响深度范围有限不超过两倍承压板宽度(或直径),只能了解地表浅层地基土的特性,触探试验的设备甚至比大粒径碎石还小,十字板剪切试验多用于土体,在大粒径碎石土承载能力检测上难有作为;本技术成果基于高密度电法,具有成本低、效率高、信息丰富等特点,测量过程中,电极布设一次完成,高密度电法充分发挥了物探技术在精准勘查中的优势,在技术开发中,攻克了电阻率-密实度-承载力三者之间的理论定量关系,在大粒径碎石土地基检测中充分发挥了高密度电法无损探测技术优势,填补了我国在大粒径碎石土地基这一工程领域的检测技术空白。
附图说明
图1为本发明方法的流程图;
图2为本发明实施例中夯击测试点及土压力盒埋设位置图;
图3为本发明实施例中土压力盒线缆布置与保护示意图;
图4为本发明实施例中试验测点电阻率探测反演结果图,其中,(a)为强夯前,(b)为强夯后;
图5为本发明实施例中不同夯击次数垂直方向位移云图;
图6为本发明实施例中单夯点夯击前后电阻率变化图;
图7为本发明实施例中不同埋深沉降量与夯击次数关系曲线图;
图8为本发明碎石地基电阻率变化与密实度变化关系曲线图;
图9为本发明实施例中承载力、密实度与电阻率与埋深关系图;
图10为本发明实施例中测线承载力随深度变化汇总图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法。
该方法研究中利用高密度电阻率法探测夯击后的碎石地基电阻率分布情况和分析强夯前后幅值变化,建立了电阻率-密实度-承载力三者之间的相关关系,为通过高密度电法确定强夯的影响范围提供了重要理论支持。利用高密度电阻率成像系统探测夯实后地层中电阻率的分布情况,得出了不同深度下地层的电阻率,并利用电阻率的分布情况可以评价大粒径碎石地基重锤夯击后影响范围。建立了根据现场所用碎石的级配、密度、以及不同深度地层电阻率的级差分析计算不同深度下地层的密实度的方法,获得了不同密实度散体的抗剪强度,并通过计算其承载能力与现场静力试验结果综合分析,得出了夯击影响的深度以及不同密实度下的地基承载能力。
具体的,如图1所示,本方法首先利用埋设土压力盒方法测量夯实过程中,回填土内土压力变化情况,进而据此分析夯击影响深度,获得结果与计算所得值进行比较分析,建立相应影响深度判据,利用高密度电阻率成像系统探测夯实前后地层中电阻率的分布情况,得出不同深度下地层的电阻率,利用电阻率的分布情况可以间接判断出重锤夯击影响到的范围和未影响到的范围,以重锤夯击未影响到的地层电阻率为基准电阻率值,重锤夯击影响到的地层电阻率与之比较,得出不同深度地层电阻率的级差,通过对地层电阻率的计算分析,得到电阻率与孔隙率的关系,再通过孔隙比与承载力的关系,间接得到电阻率与承载力的关系,建立起电阻率-密实度-承载力三者之间的函数关系,最终得出大粒径碎石地基强夯的承载力。
梅纳(Menard)法具体为:
土体的加固影响深度是任何一种地基处理方法都要重点考虑的问题之一。在强夯法中,加固或影响深度不仅是上部结构基础设计的重要依据,也是对强夯夯击能量的确定、夯点布设、加固的均匀性等几乎起着直接决定的作用。因此,梅纳强夯加固深度公式问世以来,对这一方面的研究便一直未间断,取得了一定的成绩。
梅纳最早分析主要影响因素强夯单击能提出的加固影响深度H经验公式为:
Figure BDA0002882856770000051
式中:H——加固有效深度(m);
W——夯锤重(t);
h——夯锤下落高度(m)。
但是,梅纳公式存在的问题很多,最明显的是公式左右两侧量纲不统一,该式很简单,抓住了单击夯击能这一主要影响因素,对某些松散粗粒土较符合。对影响深度无严格定义,很多工程实践与其不符。
第一:加固影响深度的提法过于简单,没有严格的定义,加固应该是地表以下一定深度土体在经过强夯加固之后土体的各种强度指标均在原来的基础上有所提高,对工程而言,还必须满足设计要求的强度指标,否则谈不上加固。只有加固了土体深度才可理解为加固深度,而影响深度,概念较为广泛,土体的强度指标亦可提高,也可降低,只要土体的特征有所变化均可理解为受其影响。
第二:公式只考虑了能量因素,而对因施加能量而加固的对象土体则未作任何考虑,很明显,施加同一能量给不同的土体,其结果的不同是可想而知的。能量和土体座位矛盾的双方缺一不可。作为强夯加固离开了能量和土体(特别是土体所表现的物理的、化学的、矿物学的特征)任何一方,则建立的任何公式都是不完善的。
第三:公式考虑的是总的单位夯击能或总动压力,而对因夯锤触地面积的不同而引起冲击力在加固体中的差异未作考虑。国内科研院校80年代在分析国内外几十项工程强夯实践的资料后,认为应对加过深度H界定。为区别成为有效加固深度H,考虑不同类型土由于结构性不同,对加固效果有明显的影响,提出下列公式。
有效深度修正式:
Figure BDA0002882856770000061
式中k—有效加固深度影响系数,一般的粘性土、砂土0.45~0.6;高填土0.6~0.8。土强度大,单位能高取低值,反之取高值。
电阻率-密实度-承载力三者之间的函数关系具体建立过程如下:
密实度的高低也就是孔隙率的高低变化,Archie(阿尔奇)电阻率法则及已有的研究文献表明物体电阻率与孔隙率联系紧密,孔隙率、饱和度和含水率之间存在着一定的换算关系,因此采用推广的阿尔奇公式来表示土的电阻率ρ0即:
ρ0=Kφ-mSr-nρw
φ:土的孔隙率
Sr:饱和度
ρw:孔隙水的电阻率
K、m、n:为与土有关的系数。
在饱和度为1的时候,阿尔奇公式也可写成
Figure BDA0002882856770000071
用ρ0代表强夯之前的电阻率,
Figure BDA0002882856770000072
代表夯前孔隙率,ρ1代表夯后的电阻率,
Figure BDA0002882856770000073
代表夯后孔隙率,可得到公式:
Figure BDA0002882856770000074
Figure BDA0002882856770000075
两式相比可得
Figure BDA0002882856770000076
由于夯击对原始地层的影响较小,原始地层被压缩效应可以忽略,因此认为夯击引起的高度变化全为垫层压实所致,同时夯击后碎石向周围让压扩散效应也忽略不计,因此夯击前后密实度变化可用夯击前后高度变化表示,同理前后孔隙率也可用夯击前后高度变化表示:
Figure BDA0002882856770000077
其中h表示夯前深度,h′表示夯后深度
可将式子转化成用前后高度表示孔隙率的比值,即
Figure BDA0002882856770000078
夯前孔隙率φ0可以用堆积密度和岩石密度的比值来表示,即
Figure BDA0002882856770000079
根据现场资料及查表得ρ=1.3~1.5g/cm3,ρ=2.520~3.070g/cm3,计算可得孔隙率φ0的范围在0.489~0.595。
表1 1号强夯沉降量表
Figure BDA0002882856770000081
表2 2号强夯沉降量表
Figure BDA0002882856770000082
根据每次夯击的沉降量,见表1和2可算出夯击前后高度差,Δh1=2.4m,Δh2=2.24m。
Figure BDA0002882856770000083
Figure BDA0002882856770000084
综上可得[φ]=φ10=0.7084~0.8259
可将上式转化成用ρ0,ρ1,[φ]用表示m的式子:
Figure BDA0002882856770000085
因为通过之前填埋的数据,回填高度为+5米,推断海底标高为-6米左右,地面为基准标高±0.00,可推断在-5m以下的地基是处于海水浸没的,所以无论怎么夯击,空隙的饱和度都为1,所以取-7m,-8m,-9m,-10m,-11m处的电阻率进行计算,如表3。
表3各点电阻率
Figure BDA0002882856770000091
由表看出第三组数据是错误数据,因此不纳入计算。
将上述数据带入公式,可得一组m值,见下表4和表5。
表4 1号强夯点m值
Figure BDA0002882856770000092
表5 2号强夯点m值
Figure BDA0002882856770000093
当[φ]取0.7328的时候,求得m的平均值为-2.4174,当[φ]取0.8259的时候,求得m的平均值为-4.3568。所以m的取值范围在[-2.4174,-4.3568]。
所以公式可以写成
Figure BDA0002882856770000094
查资料得3.4%的海水电导率为1/p=0.04s/cm,所以海水的电阻率ρw=1/0.04Ω/cm2=25Ω/cm2
由于ρ0,φ0和ρw已知,可以求出K值。ρ0取值为4.4,4.3,4.2,4.1,4.0,φ0取值范围为0.489~0.595,ρw=25Ω/cm2
将上式转化成用ρ0
Figure BDA0002882856770000101
和ρw表示K的形式为
Figure BDA0002882856770000102
将数值带入计算,取平均得K为2.1908。由此,上式可表达为
Figure BDA0002882856770000103
将ρw=25Ω/cm2带入公式得
ρ=54.77φ2.4174~4.3568
由于是利用电阻率求孔隙率,所以将上式改为
Figure BDA0002882856770000104
根据密实度与孔隙率的关系,可以求出密实度的关系式为:
Figure BDA0002882856770000105
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
研究发现地基夯实后的电阻率高低形态能够有效判断地基夯实的均匀性以及有效加固深度,可利用强夯前后电阻率的变化幅值,确定强夯的影响范围,并建立电阻率-密实度-承载力三者之间的关系,利用其相关性建立强夯加固散体碎石地基的有效深度及适用的判定指标。工程中可根据高密度电阻率图像的分布形态、预埋土压力盒的数据、夯沉量及其曲线确定最优强夯击数,从而为优化强夯设计提供参考。
选取青岛某码头工程现场设计开展了电阻率-密实度-承载力实验,见图2和图3试验安排两个夯实点进行夯实测量,压力盒设计埋深为-4m,-6m,-7m和-8m四个水平层埋设,设置2组(2个夯击点),2组土压力盒水平相距5m。重锤直径2.5m,重量17.5吨,重锤起吊高度为17.2m,夯击方式为梅花型夯击,夯击间距5m,点夯16次方式,如图4、图5、图6、图7及图8所示。
通过理论分析与工程试验最终表明,电阻率反演断面图中呈现出高阻区和低阻区,可直观反映不良碎石地基的形态、规模和埋深情况,通过电阻率变化对夯实度定量分析,得到电阻率变化与密实度变化线性相关,再分析电阻率、密实度和承载力三者之间相关性,能够定量分析强夯加固散体碎石地基的效果(图9和图10)。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法,其特征在于:包括步骤如下:
(1)利用埋设土压力盒方法,测量夯实过程中,回填土内土压力变化情况,得到有效加固深度,将测量得到的有效加固深度与经梅娜法计算得到的有效加固深度进行比较分析,为基于高密度电阻率法评价强夯加固深度提供参照;
(2)利用高密度电阻率成像系统探测夯实前后地层中电阻率的分布情况,得出不同深度下地层的电阻率,得到探测剖面电阻率分布云图及电阻率—深度关系图;
(3)利用步骤(2)中得到的电阻率的分布情况间接判断出重锤夯击影响到的范围和未影响到的范围;
(4)将重锤夯击影响到的地层电阻率与基准电阻率值比较,得出不同深度地层电阻率的级差;
(5)通过利用Archie电阻率法对地层电阻率的计算分析,得到电阻率与孔隙率的关系,再通过孔隙率与承载力的关系,间接得到电阻率与承载力的关系,建立电阻率-密实度-承载力三者之间的函数关系,最终得出大粒径碎石地基强夯的承载力。
2.根据权利要求1所述的大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法,其特征在于:所述步骤(3)具体为:根据探测剖面电阻率分布云图及电阻率—深度关系图进行判别,碎石土的密实度与电阻率的关系为碎石土密实度越高孔隙度越低电阻率越低,相反情况下密实度越低孔隙度越大电阻率越高,密实度表征了夯击影响范围,根据夯击前后电阻率变化反应密实度变化,从而获得影响范围。
3.根据权利要求1所述的大粒径碎石地基夯实效果与承载力的无损检测方法,其特征在于:所述步骤(4)中基准电阻率值为步骤(3)中重锤夯击未影响到的地层电阻率。
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