CN113591305B - 超重型动力触探试验的锤击数修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及圆锥动力触探试验技术领域，公开了一种超重型动力触探试验的锤击数修正方法，解决后的试验深度大于20m的深厚覆盖层在进行超重型动力触探试验时，难以进行锤击数修正的问题。本发明首先根据触探杆长和现场实测锤击数计算锤击数修正系数，然后使用锤击数修正系数进行锤击数修正；其中，锤击数修正系数的计算公式为

本发明适用于超重型动力触探试验的锤击数修正。

Description

超重型动力触探试验的锤击数修正方法

技术领域

本发明涉及圆锥动力触探试验技术领域，特别涉及超重型动力触探试验的锤击数修正方法。

背景技术

在诸多岩土工程原位测试试验方法中，圆锥动力触探试验较为简洁便利的原位测试方法之一，根据测试击数，依据相关规范进行修正计算后，可用于定量判断各类土层的物理力学性质，如:砂类土和碎石土的密度,粘性土的状态，以及砂类土、碎石土、粘性土的承载力、变形模量等，有广泛的应用。然而在实际应用中，国内岩土工程勘察规范等相关规程规范对锤击数修正仅适用于试验深度20m以内的浅覆盖层(因为《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)只给出了触探杆长(试验深度)小于20m的锤击数修正系数)，随着西南地区大型水电站的陆续建设，在遇到深厚乃至超深厚覆盖层的地质勘察工作中，试验深度往往超过20m，达到70-80m乃至100m以下。故此常规的试验修正已经无法满足工程需要，未修正的试验值又无法进行准确的地基承载力、变形模量等重要工程地质参数的判别转化等应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种超重型动力触探试验的锤击数修正方法，解决后的试验深度大于20m的深厚覆盖层在进行超重型动力触探试验时，难以进行锤击数修正的问题。

为解决上述问题，本发明采用的第一种技术方案是：超重型动力触探试验的锤击数修正方法，其中，超重型动力触探试验锤击时所用的锤子的质量为120kg，其特征在于，首先根据触探杆长和现场实测锤击数计算锤击数修正系数，然后使用锤击数修正系数进行锤击数修正；其中，锤击数修正系数的计算公式如下：

其中，N‘₁₂₀为现场实测锤击数，L为触探杆长，α为修正系数。

进一步的，本发明中锤击数修正系数的计算公式通过以下步骤获得：

S1.选取一个样本区域，并对样本区域的覆盖层中的多处位置同时进行超重型动力触探试验和旁压试验，并将所得的试验数据划分为两组，其中，第一组为试验深度小于20m的试验数据，第二组为试验深度大于20m的试验数据；

S2.对于第一组试验数据中的现场实测锤击数和触探杆长，根据已有行业规范将现场实测锤击数转换成锤击数修正值；对于第一组试验数据中的旁压模量，将旁压模量转换成变形模量；

S3.对步骤S2所得的锤击数修正值和变形模量进行第一次关系拟合，得到关于锤击数修正值与变形模量的关系式一；

S4.对于第二组试验数据中的旁压模量，根据步骤S3所得的关系式一，将旁压模量转换成相应的锤击数修正值；

S5.根据第二组试验数据中的现场实测锤击数以及步骤S4所得的锤击数修正值，计算得到相应的锤击数修正系数；

S6.对步骤S5所得的锤击数修正系数以及第二组试验数据中的现场实测锤击数和触探杆长进行第二次关系拟合，得到关于锤击数修正系数、现场实测锤击数和触探杆长的关系式二，所述关系式二即为锤击数修正系数的计算公式。

进一步的，步骤S2中，所述根据已有行业规范将现场实测锤击数转换成锤击数修正值是指：首先根据触探杆长，从《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)附录B圆锥动力触探锤击数修正表B.0.2中获取推荐的锤击数修正系数；然后根据现场实测锤击数以及推荐的锤击数修正系数计算出锤击数修正值。

进一步的，步骤S2通过以下公式将旁压模量转换成变形模量：

E₀＝KE_m

K＝1+61.1m^-1.5+0.00065(V₀-167.6)

其中，K为变形模量与旁压模量关系系数；V₀为初始旁压器中腔体积，单位为cm³；m为旁压模量与旁压试验静力极限压力比值；E₀为变形模量，单位为Mpa；E_m为旁压模量，单位为Mpa。

进一步的，所述关系式一为：

E₀＝2.475N₁₂₀+11.1

其中，N₁₂₀为锤击数修正值，E₀为变形模量。

进一步的，第一次关系拟合和第二次关系拟合时，均使用Matlab软件并基于信赖域(Turst-Region)法和双平方(Bisquare)法进行拟合。

本发明采用的第二种技术方案是：超重型动力触探试验的锤击数修正方法，其中，超重型动力触探试验锤击时所用的锤子的质量为120kg，其特征在于，首先获取杆长，然后使用触探杆长进行锤击数修正，锤击数修正公式如下：

其中，N‘₁₂₀为现场实测锤击数，L为触探杆长，L＞20m，N₁₂₀为锤击数修正值。

通过对比以上的第一种技术方案和第二种技术方案可知，这两种方案所采用的经验公式本质上是一样的，因为将公式

代入现有规范公式N₁₂₀＝αN′₁₂₀就可以得到公式了

两个方案的主要差异在于：第一种技术方案为间接法，第一种技术方案在锤击数修正时，需要先利用触探杆长求锤击数修正系数，再利用锤击数修正系数间接完成锤击数修正；第一种技术方案为直接法，第二种技术方案在锤击数修正时，在直接利用触探杆长直接完成锤击数修正。

本发明的有益效果是：本发明参考相关规程规范、国内外文献等资料并结合西南某水电站项目深厚覆盖层建坝工程项目实例，突破规范限制，基于MATLAB软件，使用Trust-Region法与Bisquare法等数学方法，得到关于锤击数修正系数、现场实测锤击数和触探杆长的关系式，即锤击数修正系数的计算公式

从而在锤击数修正时，我们可以选择根据触探杆长和现场实测锤击数计算锤击数修正系数，利用锤击数修正系数间接完成锤击数修正，或者选择直接利用触探杆长直接完成锤击数修正。有效解决了目前试验深度大于20m的深厚覆盖层在进行超重型动力触探试验时，难以进行锤击数修正的问题。

附图说明

图1为实施例获取锤击数修正系数数学模型的流程图；

图2为变形模量E₀与锤击数修正值N₁₂₀拟合分析图；

图3为变形模量E₀与锤击数修正值N₁₂₀拟合结果残差图；

图4为相对误差与绝对误差统计分析图；

图5为实际修正系数与计算值统计分析图。

具体实施方式

实施例为得到可应用于深厚(厚度大于20m)覆盖层的岩土工程原位测试方法，利用中国西南某大型水电工程中在数个钻孔中同步开展钻孔旁压试验与超重型动力触探的相关成果，利用两种试验成果应用均为转换地基土变形模量的特点，采用信赖域法(Trust-Region)、双平方原理(Bisquare)相结合的优化算法，基于MATLAB数学优化软件，对现行规范中的超重型动力触探锤击数杆长修正系数进行了非线性拟合与误差分析。研究获取了一套超过规范限制、适用于深厚覆盖层的超重型动力触探杆长修正系数的二元函数模型，同时根据试验成果锤击数修正值所得相关关系求解并获得了地基土变形模量、地基承载力与实测锤击数之间的相关关系模型，为当前规范与学术成果中的经验数据表提供了更大范围使用的可行性。以下对实施例的具体过程进行详细说明。

一、研究思路与计算原理

1.1研究思路

根据前人大量工作实践，针对于覆盖层厚度小于20m的地基土，我国《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)附录B中列出了超重型圆锥动力触探锤击数修正系数(杆长小于20m)

N₁₂₀＝α·N‘₁₂₀    (10)

其中N₁₂₀为锤击数修正值，N‘₁₂₀为现场实测锤击数，a为修正系数，在20m以上地基土中可在规范中查表获得。20m以上地基土的修正系数由于通过大量的工程项目验证总结，其适用性广泛且具有较高的准确度。

N₁₂₀获取后，可结合土体地层岩性、物理力学性质的基础上，用于判别地基承载力与地基变形模量等相关重要工程地质参数，在我国相关规程规范中列举了数种不同N₁₂₀与土层变形模量E₀的数学关系(N₁₂₀～E₀)，如铁道部《动力触探技术规定》(TBJ18-87)中附表，《成都地区建筑地基基础设计规范》关系式等，且各规范中N₁₂₀～E₀关系式只反映土体本身的物理力学特性，与土层深度无关。

由此可见，针对不同工程区地质条件，可通过现场动力触探试验获取准确可信的试验深度在20m以内(即触探杆长L小于20米)土层的N₁₂₀，并可根据规范或其他试验方式(如钻孔旁压试验)获取试验深度在20m以内的土体的变形模量，从而获得该工程区N₁₂₀～E₀关系式，该关系式在工程区土体相同地层岩性的情况下，可向下延展至试验深度超过20m深度，在如已知土体变形模量E₀与实测锤击数N‘₁₂₀的情况下，可通过数学关系，利用非线性拟合反推导出试验深度在20m以上的锤击数修正系数，从而延展我国当前规程规范的局限性，并推广至土体物理力学特性相近的其他工程范围中。

1.2工程数据来源

实施例所开展的样本区域研究，采用中国西南某大型水电工程的现场实测资料，在工程场区布设了多个勘探试验钻孔，其中多个钻孔中同步开展了多组超重型动力触探试验与钻孔旁压试验，既包含试验深度20m以内的覆盖层土体，亦包含试验深度超过20m的覆盖层土体，且该工程场区地层为一套河湖相沉积的中细沙，特性较为单一，可利用实施例研究思路，探索出一套试验深度超过20m的锤击数修正与应用模型。

1.3数学拟合计算方法

实施例主要应用Trust-Region法及双平方法(Bisquare)通过MATLAB数学计算软件开展相关建模与研究。

信赖域方法的研究起始于Powell。该算法在每次迭代时强制性地要求新的迭代点与当前的迭代点之间的距离不超过某一个控制量。引入控制步长是因为传统的线性搜索方法常常由于步长过大而导致算法失败，特别是当问题是病态时尤为如此。控制步长实质上等价于在以当前迭代点为中心的一个邻域内对一个近似于原问题的简单模型求极值。这种技巧可理解为只在一个邻域内对近似模型信赖，所以此邻域被称为信赖域，利用这一技巧的方法也就被称为信赖域法。信赖域的大小通过迭代逐步调节。一般来说，如果在当前迭代模型较好地逼近原问题，则信赖域可扩大，否则信赖域应缩小。

信赖域方法的关键组成部分是如何得信赖域试探步以及怎样决定试探步是否可以接受，试探步一般是子问题的解。所以，如何求得信赖域试探步，实质上归结于子问题的构造，决定试探步是否可被接受通常是利用某一价值函数，看试探步是否使价值函数下降，对于无约束优化问题，价值函数显然就是目标函数，对于约束优化问题，价值函数常常是一罚函数。

综合以上1.1-1.3思路，实施例获取锤击数修正系数数学模型的流程可如图1所示。

二、试验模型建立与成果分析

根据勘探揭示，西南某工程坝址覆盖层深厚且层次结构复杂，按成因类型主要有冲洪积、堰塞湖相沉积、冰积与冰水堆积，以及坡洪积、泥石流堆积、风积等。

其中试验的主要工作集中在地表6m～12m以下土层厚度200m以内的第③层含砾中粗砂层中。

本次研究主要收集下坝址覆盖层在9个钻孔内共进行了100余组现场孔内旁压试验数据，试验孔编号为：ZK102(12.0m～95.2m)、ZK106(16.2m～82.4m)、ZK204(14.5m～78.2m)、ZK401(15.8m～52.8m)、ZK403(21.8m～84.2m)、ZK404(13.9m～67.2m)、ZK504(10.5m～45.2m)、ZK505(23.5m～92.2m)、ZK506(19.8m～82.5m)。按照研究思路，实施例整理分析了各钻孔在同段深度位置既开展了超重型动力触探试验又进行了钻孔旁压试验的资料，经过采用以上统计判别法进行勘测数据的预处理，舍弃个别异常数据(差异性较大的数据)，同时，对差异性相对较小的数量(可信区间内)进行了适当调整，从而减小数据获取途径中各种因素对样本数据所造成的影响，最终整理13组位于试验深度小于20m的覆盖层，这13组数据记为第一组试验数据，61组位于试验深度超过20m的覆盖层，这61组数据记为第二组试验数据。

2.1试验深度小于20m的试验数据分析

对于第一组试验数据中的旁压模量，根据工程地质手册(第四版)公式，计算获得变形模量：

E₀＝K·E_m(12)

K＝1+61.1m^-1.5+0.0065(V₀-167.6)(13)

其中，K为变形模量与旁压模量关系系数；V₀为初始旁压器中腔体积(cm³)，m为旁压模量与旁压试验静力极限压力比值；E₀为变形模量(Mpa)；E_m为旁压模量(Mpa)。

对于第一组试验数据中的现场实测锤击数和触探杆长，并将该深度(即触探杆长)相对应的动力触探实测击数按《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)附录B进行修正，得出正确可行的修正后锤击数N₁₂₀，详见表1

表1试验深度＜20m变形模量E₀和修正锤击数N₁₂₀统计表

Table 1Statistics ofdeformation modulusE₀and modified hammeringcounts N₁₂₀at depth＜20m

基于MATLAB软件平台，将变形模量E₀与锤击数修正值N₁₂₀进行第一次拟合分析，可以看出拟合效果较好，详见图2和图3。

Matlab计算结果如下(源代码略)：

根据Matlab软件拟合计算结果可以获得变形模量与锤击数修正值之间的关系式：

E₀＝2.475·N₁₂₀+11.1(14)

该关系值与我国《工程地质手册》(第四版)中表3-2-24成都地区卵石土N₁₂₀与变形模量E₀的关系表进行验证分析，可得|ΔE|∈[0.08，2.77]，相对误差δ∈[0.25％，6.93％]，拟合结果具有较高吻合度，同时考虑到本项目土层与成都地区卵石土工程地质特性的差异，存在上述误差是合理的。

为此可将式(14)成果继续向试验深度超过20m的深厚覆盖层中进一步分析与模型建立。

2.2试验深度超过20m的深厚覆盖层中超重动力触探锤击数修正系数计算

试验深度＞20m的深厚覆盖层中，第二组试验数据的61组数据，以此为原始资料数据，(见表2)。

其中E₀数据均为钻孔旁压试验数据根据(12)、(13)公式计算而得，N₁₂₀'为现场实测数据，并将实测锤击数N₁₂₀'与变形模量E₀根据相应深度(杆长)位置整理而得。

利用上述2.1节中计算得到的(14)计算式，并结合式(10)，可计算得到相应61组数据中各组的锤击数修正系数α值(见表3)。

表2试验深度＞20m变形模量E₀和实测锤击数N`₁₂₀统计表

Table 2Statistics of deformation modulusE₀and in-situ test hammeringcounts N`₁₂₀at depth＞20m

表3试验深度＞20m修正锤击数N₁₂₀与锤击数修正系数α统计表

Table 3Statistics of modified hammering counts N₁₂₀and modifycoefficientαat depth＞20m

由上表成果，本次研究已获得61组覆盖层深度在20-80m之间的试验深度(触探杆长)L，实测锤击数N₁₂₀'，以及通过钻孔旁压试验成果，由变形模量作为桥接关系反算得到的锤击数修正系数α，试验数据量较为充足，通过Matlab基于Turst-Region法和Bisquare法第二次拟合数学模型。

Matlab计算结果如下(源代码略)：

根据上述计算结果可知，a＝3.487，b＝-0.4368，c＝0.0489，d＝-0.3201，因此，动力触探锤击数修正系数计算公式如下：

2.3误差分析

根据上述计算公式得到了不同样品的修正系数计算值，同时，根据以下公式分别计算得到绝对误差与相对误差。

锤击数修正系数的绝对误差Δα可表示为：

Δα＝α-α₀(16)

锤击数修正系数的相对误差δ可以表示为：

根据16式和17式对拟合结果进行误差分析，分析结果如图4和图5所示，根据分析结果可以看出，拟合结果与原始数据具有较高的吻合度，说明项目建立的动力触探锤击数修正系数具有一定的准确性和适用性。

三、试验方法成果验证

本部分采用中国金沙江乌东德水电站相关文献材料对第二部分所得深厚覆盖层杆长修正系数模型(即公式)进行了验证。

乌东德水电站坝址河床覆盖层深厚，影响坝型选择、围堰稳定和消能方式，是坝址主要工程地质问题之一。2003年以来，长江三峡勘测研究院针对河床覆盖层厚度大、成份结构复杂、成因多样而原状样采取与原位测试困难之情况，采取国内各种有效的钻探取样、原位测试等手段对其进行了大量勘探试验研究，查明了河床覆盖层物质组成、结构及其工程特性。该工程在覆盖层深度46.3m位置也同步开展了钻孔旁压试验与实测超重型动力触探，获取了相关数据，因此适用于本文研究思路，可将本文所得关系式在该项目中做一次初步验证(见表4)，以分析本文模型应用效果。实例数据来源于文献。

表4乌东德水电站覆盖层动力触探、旁压试验成果通过本文研究方法计算结果对比

采用本文数学模型，将实测锤击数进行修正并转换为变形模量后，与乌东德水电站实测旁压试验变形模量进行对比，计算后误差分析对比表见表5

表5误差分析对比表

由上可知，在金沙江乌东德水电站实测杆长46.3m位置的实测旁压试验数据与实测超重型动力触探数据所进行的试验对比，本发明实施例采用的方法的相对误差仅为0.17％，有很高的准确性。

四、成果应用

当锤击数修正时，我们可以先根据触探杆长、现场实测锤击数以及公式(15)计算锤击数修正系数，然后使用锤击数修正系数以及公式(10)进行锤击数修正。

如果我们将公式(15)代入公式(10)可得一种基于触探杆长的锤击数修正公式：

由此，在进行锤击数修正时，我们可以不必计算锤击数修正系数，而使用触探杆长、并通过公式(18)直接进行锤击数修正。

Claims (5)

1.超重型动力触探试验的锤击数修正方法，超重型动力触探试验锤击时所用的锤子的质量为120kg，其特征在于，首先根据触探杆长和现场实测锤击数计算锤击数修正系数，然后使用锤击数修正系数进行锤击数修正；其中，锤击数修正系数的计算公式如下：

α＝2.919L^-0.3911Ν′₁₂₀ ^{(0.0349lnL-0.2645)}

其中，N‘₁₂₀为现场实测锤击数，L为触探杆长，L＞20m，α为修正系数；

锤击数修正系数的计算公式通过以下步骤获得：

S1.选取一个样本区域，并对样本区域的覆盖层中的多处位置同时进行超重型动力触探试验和旁压试验，并将所得的试验数据划分为两组，其中，第一组为试验深度小于20m的试验数据，第二组为试验深度大于20m的试验数据；

S2.对于第一组试验数据中的现场实测锤击数和触探杆长，根据已有行业规范将现场实测锤击数转换成锤击数修正值；对于第一组试验数据中的旁压模量，将旁压模量转换成变形模量；

S3.对步骤S2所得的锤击数修正值和变形模量进行第一次关系拟合，得到关于锤击数修正值与变形模量的关系式一；

S4.对于第二组试验数据中的旁压模量，根据步骤S3所得的关系式一，将旁压模量转换成相应的锤击数修正值；

S5.根据第二组试验数据中的现场实测锤击数以及步骤S4所得的锤击数修正值，计算得到相应的锤击数修正系数；

S6.对步骤S5所得的锤击数修正系数以及第二组试验数据中的现场实测锤击数和触探杆长进行第二次关系拟合，得到关于锤击数修正系数、现场实测锤击数和触探杆长的关系式二，所述关系式二即为锤击数修正系数的计算公式。

2.如权利要求1所述的超重型动力触探试验的锤击数修正方法，其特征在于，步骤S2中，所述根据已有行业规范将现场实测锤击数转换成锤击数修正值是指：首先根据触探杆长，从《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)附录B圆锥动力触探锤击数修正表B.0.2中获取推荐的锤击数修正系数；然后根据现场实测锤击数以及推荐的锤击数修正系数计算出锤击数修正值。

3.如权利要求1所述的超重型动力触探试验的锤击数修正方法，其特征在于，步骤S2通过以下公式将旁压模量转换成变形模量：

E₀＝KE_m

K＝1+61.1m^-1.5+0.00065(V₀-167.6)

其中，K为变形模量与旁压模量关系系数；V₀为初始旁压器中腔体积，单位为cm³；m为旁压模量与旁压试验静力极限压力比值；E₀为变形模量，单位为Mpa；E_m为旁压模量，单位为Mpa。

4.如权利要求3所述的超重型动力触探试验的锤击数修正方法，其特征在于，所述关系式一为：

E₀＝2.475N₁₂₀+11.1

其中，N₁₂₀为锤击数修正值，E₀为变形模量。

5.如权利要求1所述的超重型动力触探试验的锤击数修正方法，其特征在于，第一次关系拟合和第二次关系拟合时，均使用Matlab软件并基于信赖域方法和双平方法进行拟合。

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