CN115374616A - 一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，属于地基处理领域。所述判定方法首先获得拟成孔土层的粘聚力、内摩擦角、重度、土体与成孔锤锤尖侧面的摩擦系数；获取锤重、锤尖圆锥形母线长和底面圆半径、成孔锤重心到锤尖的距离；以成孔锤锤尖圆锥形侧表面的一半作为锤与孔壁的接触面，接触面在竖直面上的投影面积由椭圆圆冠形面积S₁和等腰三角形面积S₂组成，分别通过积分求S₁和S₂面上被动土压力，并进一步求接触面上的被动土压力合力，再建立成孔锤倾覆状态下的力矩平衡方程，计算锥尖圆锥形底面圆到地表的垂直距离，并求得成孔锤最小安全入土长度，从而判定是否存在倾覆风险。本发明能够保障孔内深层强夯工法成孔时的施工安全。

Description

一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法

技术领域

本发明涉及一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，属于地基处理领域。

背景技术

孔内深层强夯工法作为常用的地基处理手段广泛应用于工程建设领域，其主要施工过程包括成孔、补料、孔内夯等步骤，其成孔阶段采用的成孔锤通常直径较小且高度较高，在成孔深度较浅时，容易出现桩周土约束不足，无法维持成孔锤的直立状态从而发生倾覆的事故，对现场施工人员和机械造成严重危害。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，通过计算成孔锤最小安全入土长度，判定成孔锤是否存在倾覆风险，确保孔内深层强夯工法成孔时的施工安全。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，包括以下步骤：

步骤S1，通过试验获得拟成孔土层的粘聚力c、内摩擦角

和重度γ，土体与成孔锤锤尖侧面的摩擦系数μ。

步骤S2，获取成孔锤的锤重G；将成孔锤的锤尖简化为圆锥形，获取所述圆锥形的母线长l及底面圆半径r，则有锥尖半角θ＝arcsin(r/l)，并获取成孔锤重心到锤尖的距离l_G。

步骤S3，以成孔锤锤尖圆锥形侧表面的一半作为锤与孔壁的接触面，所述接触面在竖直面上的投影图由S₁和S₂两部分组成，其中S₁为椭圆圆冠形面积，S₂为等腰三角形面积，S₁和S₂面上被动土压力合力E_p计算公式如式(7)所示：

E_p＝k_pH+b_p (7)

式(7)中，H为锥尖圆锥形底面圆到地表的垂直距离，k_p和b_p计算公式如式(8)和式(9)所示：

式(8)和式(9)中，k＝γK_P，

K_p为被动土压力系数，

本步骤中，要计算E_p，需要将S₁面上的被动土压力e_p1在S₁面上进行荷载集度求和，S₂面上的被动土压力e_p2也要在S₂面上进行荷载集度求和，荷载集度求和的过程在数学上就是被动土压力e_p在S面上的积分，需要建立S₁、S₂、e_p1、e_p2与锤尖圆锥形母线的函数关系。定义在母线上移动的自变量x₁和x₂，其定义域为x₁∈[0,rsinθ]和x₂∈[0,lcos²θ]，则有S₁和S₂的面积计算公式如式(1)和式(2)所示：

S₁和S₂面上的被动土压力e_p1和e_p2同样为x₁和x₂的函数如式(3)和式(4)所示：

分别将e_p1和e_p2在S₁和S₂面上进行积分，可以分别得到e_p1在S₁上的被动土压力合力E_p1和e_p2在S₂上的被动土压力合力E_p2，积分结果如式(5)和式(6)所示：

则S₁和S₂面上被动土压力合力E_p＝E_p1+E_p2，计算公式如式(7)所示。

步骤S4，由被动土压力合力E_p和摩擦系数μ，可得成孔锤侧面与土层间的摩擦力F_摩如式(10)，F_摩方向竖直向下。

F_摩＝μE_p＝μk_pH+μb_p (10)

步骤S5，孔底直径D计算公式如式(11)所示，对成孔锤与孔边最高接触点O点建立倾覆状态下的力矩平衡公式如式(12)所示，将式(7)、式(10)和式(11)代入式(12)得式(13)，通过式(13)采用迭代的方式即可计算得到H。

G(sinθl_G-D)-E_pH-F_摩D＝0 (12)

步骤S6，锤身最小安全入土长度l_min计算公式如式(14)所示：

当成孔锤入土长度y≤l_min时，判定成孔锤存在倾覆风险；当成孔锤入土长度y>l_min时，判定成孔锤无倾覆风险。施工时需保证成孔锤入土长度y>l_min，以确保孔内深层强夯工法成孔时的施工安全。

本步骤中，对于最小安全入土长度的l_min计算结果还可以有一个判断合理性的过程，当计算出的l_min≤l_G，则计算结果成立；当计算出的l_min>l_G，则计算结果失效。

本发明实施例具有如下有益效果：

所提供的孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，以成孔锤锤尖圆锥形侧表面的一半作为锤与孔壁的接触面，将孔壁与成孔锤接触面上的被动土压力合力作为已知条件建立成孔锤倾覆极限状态下的力矩平衡方程，获得成孔锤最小安全入土长度的计算公式；根据计算结果，当成孔锤入土长度小于等于最小安全入土长计时，则存在倾覆风险，因此，需确保施工时成孔锤入土长度大于所计算出的最小安全入土长度，从而指导现场施工，为孔内深层强夯工法成孔时的施工安全性提供理论依据，不仅保证了现场施工的安全，同时提高了施工效率。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例中成孔锤倾覆极限状态时的受力分析图；

图2为本发明实施例中成孔锤锤尖与孔壁接触面；

图3为本发明实施例中成孔锤锥尖圆锥形一半侧面积在过虚线AB的竖直面上的投影面。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

本发明实施例提供了一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，以成孔锤锤尖圆锥形侧表面积的一半作为孔壁接触面积，将此接触面积上的被动土压力合力作为已知条件建立成孔锤倾覆极限状态下的力矩平衡方程，获得成孔锤最小安全入土长度的计算公式，当成孔锤的入土长度小于最小安全入土长度时，判定成孔锤有倾覆风险，从而确保孔内深层强夯工法成孔时的施工安全。

本发明实施例所提供的孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，包括如下步骤：

步骤S1，通过试验获得拟成孔土层的粘聚力c＝25kPa、内摩擦角

和重度γ＝19kN/m³，土体与成孔锤锤尖侧面的摩擦系数μ＝0.1。

步骤S2，如图1所示，获取成孔锤的锤重G＝200kN；将成孔锤的锤尖简化为圆锥形，获取该圆锥形的母线长l＝1.77m，获取该圆锥形底面圆半径r＝0.5m，则有锥尖半角θ＝arcsin(r/l)＝16.4°；获取成孔锤重心到锤尖的距离l_G＝5.7m。

步骤S3，假定成孔锤倾覆时与孔壁接触面面积为锥尖圆锥形侧面积的一半，如图2所示，其在过虚线AB的竖直面上的投影面积如图3所示，所述投影面积由一部分圆在竖直面上的投影面积S₁，和一个三角形面积S₂组成。如图3所示，定义在母线l上移动的自变量x₁∈[0,rsinθ]和x₂∈[0,lcos²θ]，则有S₁和S₂的计算公式如式(1)和式(2)所示：

S₁和S₂面上的被动土压力e_p1和e_p2同样为x₁和x₂的函数如式(3)和式(4)所示，H为锥尖底面圆到地表的垂直距离如图1所示，K_p为被动土压力系数，K_p＝tan²(45°+10/2)＝1.42。

分别将e_p1和e_p2在S₁和S₂面上进行积分，可以分别得到e_p1在S₁上的被动土压力合力E_p1和e_p2在S₂上的被动土压力合力E_p2，积分结果如式(5)和式(6)所示：

则S₁和S₂面上被动土压力合力E_p＝E_p1+E_p2，计算公式如式(7)所示：

其中k_p和b_p计算公式如式(8)和式(9)所示：

步骤S4，由被动土压力合力E_p和摩擦系数μ，可得成孔锤侧面与土层间的摩擦力F_摩如式(10)所示，F_摩方向竖直向下：

F_摩＝μE_p＝μk_pH+μb_p＝2.49H+7.04 (10)。

步骤S5，孔底直径D计算公式如式(11)所示，对孔边O点进行力矩求和如式(12)所示，将式(7)、式(10)和式(11)代入式(12)得式(13)，通过式(13)采用迭代的方式即可计算得到H＝0.7m。

G(sinθl_G-D)-E_pH-F_摩D＝0 (12)

200(1.61-0.294H-1.04)-(24.9H+70.4)H-(2.49H+7.04)(0.294H+1.04)＝0

(13)。

步骤S6，锤身最小安全入土长度l_min计算公式如式(14)所示：

本步骤中，可以判断l_min计算结果是否合理，当计算出的l_min≤l_G，则计算结果成立。本实施例中，l_G＝5.7m，2.58m<5.7m，符合l_min≤l_G，l_min计算结果成立。

当成孔锤入土长度y≤l_min＝2.58m时，则判定成孔锤有倾覆风险，施工时需保证成孔锤入土长度y>l_min＝2.58m，以确保孔内深层强夯工法成孔时的施工安全。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，接孔壁与成孔锤接触面上的被动土压力合力作为已知条件建立成孔锤倾覆极限状态下的力矩平衡方程，获得成孔锤最小安全入土长度的计算公式；根据计算结果，指导现场施工，为孔内深层强夯工法成孔时的施工安全性提供理论依据，不仅保证了现场施工的安全，同时提高了施工效率。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，通过试验获得拟成孔土层的粘聚力c、内摩擦角

重度γ，土体与成孔锤锤尖侧面的摩擦系数μ；

步骤S2，获取成孔锤的锤重G；成孔锤的锤尖为圆锥形，获取所述圆锥形的母线长l及底面圆半径r，则有锥尖半角θ＝arcsin(r/l)，并获取成孔锤重心到锤尖的距离l_G；

步骤S3，以成孔锤锤尖圆锥形侧表面的一半作为锤与孔壁的接触面，所述接触面在竖直面上的投影图由S₁和S₂两部分组成，其中S₁为椭圆圆冠形面积，S₂为等腰三角形面积，S₁和S₂面上被动土压力合力E_p计算公式如式(7)所示：

E_p＝k_pH+b_p (7)

式(7)中，H为锥尖圆锥形底面圆到地表的垂直距离，k_p和b_p计算公式如式(8)和式(9)所示：

式(8)和式(9)中，k＝γK_P，

K_p为被动土压力系数，

步骤S4，由被动土压力合力E_p和摩擦系数μ，可得成孔锤侧面与土层间的摩擦力F_摩如式(10)，F_摩方向竖直向下：

F_摩＝μE_p＝μk_pH+μb_p (10)；

步骤S5，孔底直径D计算公式如式(11)所示，对成孔锤与孔边最高接触点O点建立倾覆状态下的力矩平衡公式如式(12)所示，将式(7)、式(10)和式(11)代入式(12)得式(13)：

G(sinθl_G-D)-E_pH-F_摩D＝0 (12)

通过式(13)采用迭代的方式计算得到H；

步骤S6，锤身最小安全入土长度l_min计算公式如式(14)所示：

当成孔锤入土长度y≤l_min时，判定成孔锤存在倾覆风险；当成孔锤入土长度y>l_min时，判定成孔锤无倾覆风险。

2.根据权利要求1所述的一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，其特征在于，步骤S3中S₁和S₂面上被动土压力合力E_p计算过程如下：

将S₁面上的被动土压力e_p1在S₁面上进行荷载集度求和，S₂面上的被动土压力e_p2在S₂面上进行荷载集度求和；建立S₁、S₂、e_p1、e_p2与锤尖圆锥形母线的函数关系，定义在母线上移动的自变量x₁和x₂，S₁和S₂面上的被动土压力e_p1和e_p2同样为x₁和x₂的函数，分别将e_p1和e_p2在S₁和S₂面上进行积分，分别得到e_p1在S₁上的被动土压力合力E_p1和e_p2在S₂上的被动土压力合力E_p2，则S₁和S₂面上被动土压力合力E_p＝E_p1+E_p2。

3.根据权利要求2所述的一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，其特征在于，所述母线上移动的自变量x₁和x₂的定义域为x₁∈[0,rsinθ]和x₂∈[0,lcos²θ]。

4.根据权利要求3所述的一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，其特征在于，S₁和S₂的面积计算公式如式(1)和式(2)所示：

S₁和S₂面上的被动土压力e_p1和e_p2表征为x₁和x₂的函数如式(3)和式(4)所示：

k＝γK_P

分别将e_p1和e_p2在S₁和S₂面上进行积分，分别得到e_p1在S₁上的被动土压力合力E_p1和e_p2在S₂上的被动土压力合力E_p2，积分结果如式(5)和式(6)所示：

5.根据权利要求4所述的一种孔内深层强夯工法成孔锤倾覆判定方法，其特征在于，将公式(5)和(6)代入S₁和S₂面上被动土压力合力公式E_p＝E_p1+E_p2，被动土压力合力计算公式如式(7)所示：

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