本發(fā)明涉及原位測(cè)試技術(shù)，尤其涉及一種超長(zhǎng)桿重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正方法。

背景技術(shù)：

目前，我國(guó)水電開發(fā)主要集中在西部地區(qū)，而西部地區(qū)因構(gòu)造活動(dòng)頻繁、河流作用強(qiáng)烈、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，河床覆蓋層往往厚度較大(一般厚達(dá)數(shù)十米甚至上百米)、成因復(fù)雜(沖積、洪積、坡積、崩積、滑坡堆積混雜)、結(jié)構(gòu)松散(呈顆粒狀、無膠結(jié))、顆粒較粗(以卵、礫石或碎、塊石等粗粒為主)，空間變化大。河床深厚覆蓋層屬散粒材料，鉆進(jìn)(造孔)難、取原狀樣更難，其物理力學(xué)特性指標(biāo)獲取主要依賴現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試。受現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件所限，適于河床深厚覆蓋層原位測(cè)試的方法很少，圓錐動(dòng)力觸探因操作簡(jiǎn)單、適用土類多而往往成為首選。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)規(guī)定，重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探適用范圍分別為桿長(zhǎng)20m、錘擊數(shù)50與桿長(zhǎng)19m、錘擊數(shù)40，這已不能適應(yīng)或滿足深厚覆蓋層地區(qū)原位測(cè)試需要。對(duì)超出規(guī)范適用范圍，圓錐動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)適用范圍及其修正問題，除個(gè)別學(xué)者提出簡(jiǎn)單處理方法外，至今不僅尚無成熟經(jīng)驗(yàn)借鑒與公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)可依，而且也鮮有研究。

因此，為適應(yīng)我國(guó)西部地區(qū)水電開發(fā)對(duì)河床深厚覆蓋層測(cè)試的需要，開展圓錐動(dòng)力觸探桿長(zhǎng)適應(yīng)性及其修正問題研究已成為圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)方法應(yīng)用擴(kuò)展亟待解決的難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種超桿長(zhǎng)重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種超長(zhǎng)桿重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正方法，包括以下步驟：

1)在探桿上安裝應(yīng)變計(jì)，所述應(yīng)變計(jì)在探桿上間隔設(shè)置；

2)按照《巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)》規(guī)定的圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)技術(shù)要求開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，記錄每貫入10cm的錘擊數(shù)，同時(shí)保存每一次錘擊時(shí)各應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)變值畫出應(yīng)力-時(shí)間曲線、應(yīng)力-桿長(zhǎng)曲線；

3)利用LS-DYNA軟件，建立圓錐動(dòng)力觸探數(shù)值計(jì)算模型，包括落錘、探桿、土體模型，并確定落錘、探桿、土體模型的尺寸及計(jì)算參數(shù)，所述計(jì)算參數(shù)包括密度、彈性模量、泊松比；

4)確定阻尼系數(shù)；

4.1)桿長(zhǎng)0至20m部分的阻尼系數(shù)：將設(shè)置的初始阻尼系數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果代入步驟3)建立的模型中計(jì)算得到錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)，若得到的結(jié)果與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)錘擊數(shù)修正系數(shù)一致，則確定；否則調(diào)整初始阻尼系數(shù)繼續(xù)計(jì)算直至得到的結(jié)果與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)錘擊數(shù)修正系數(shù)一致；所述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果包括桿底沖擊力和有效能，由步驟2)中各應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值以及根據(jù)應(yīng)變值畫出應(yīng)力-時(shí)間曲線、應(yīng)力-桿長(zhǎng)曲線計(jì)算獲得；

4.2)超過20m桿長(zhǎng)且無原位測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的阻尼系數(shù)：根據(jù)4.1)中的阻尼系數(shù)畫出阻尼系數(shù)與桿長(zhǎng)變化圖，通過擬合得到超過20m桿長(zhǎng)且無原位測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的阻尼系數(shù)，同時(shí)也反演落錘、探桿與土體的相關(guān)參數(shù)；

5)利用得到的阻尼系數(shù)，開展桿長(zhǎng)為20～120m的數(shù)值試驗(yàn)，計(jì)算桿底沖擊力和有效能，并得到錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)。

按上述方案，所述步驟1)中應(yīng)變計(jì)設(shè)置在每個(gè)探桿接頭處，并在每?jī)蓚€(gè)探桿接頭之間均勻間隔設(shè)置。

按上述方案，所述步驟1)中在每?jī)蓚€(gè)探桿接頭之間均勻間隔設(shè)置3個(gè)應(yīng)變計(jì)，探桿兩端接頭處亦分別設(shè)置應(yīng)變計(jì)。

按上述方案，圓錐動(dòng)力觸探數(shù)值計(jì)算模型建模尺寸如下：按照實(shí)際圓錐動(dòng)力觸探的尺寸建模，不考慮重錘內(nèi)徑；落錘、探桿、土體均采用SOLID164單元離散，單元水平方向尺寸控制在10mm以內(nèi)，探桿鉛直方向控制在20倍水平方向尺寸以內(nèi)。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明將圓錐動(dòng)力觸探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)合起來，在現(xiàn)場(chǎng)圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)與現(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)表基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬，引入阻尼系數(shù)，將實(shí)際問題簡(jiǎn)化，進(jìn)而計(jì)算得到桿長(zhǎng)20m外的重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)巖土工程勘察中動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)(桿長(zhǎng)超20m)外延的空白。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的探桿各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變片布置圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的應(yīng)力-時(shí)間曲線、應(yīng)力-桿長(zhǎng)曲線示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的動(dòng)力觸探數(shù)值模擬網(wǎng)格模型示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種超長(zhǎng)桿重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正方法，步驟如下：

1.在圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，在探桿上安裝應(yīng)變計(jì)，應(yīng)注意在探桿與探桿接頭處及探桿上不同位置安裝如圖2所示，并調(diào)試好應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，保證每個(gè)位置的應(yīng)變計(jì)在應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中讀數(shù)正常；

2.嚴(yán)格按照《巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)》規(guī)定的圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)技術(shù)要求開展試驗(yàn)，記錄每貫入10cm的錘擊數(shù)，并在應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)中，保存每一次錘擊時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，并建立應(yīng)力-時(shí)間曲線、應(yīng)力-桿長(zhǎng)曲線，如圖3所示，并計(jì)算各測(cè)點(diǎn)沖擊力及有效能；

3.利用LS-DYNA軟件，建立圓錐動(dòng)力觸探數(shù)值計(jì)算模型，包括落錘、探桿、土體模型，如圖4所示，并確定落錘、探桿、土體模型尺寸及計(jì)算參數(shù)，包括密度、彈性模量、泊松比，有以下注意事項(xiàng)：

簡(jiǎn)化處理：影響圓錐動(dòng)力觸探因素較多，且具有非常大的隨機(jī)性，為使問題簡(jiǎn)化，在數(shù)值分析時(shí)進(jìn)行了理想化假設(shè)，假設(shè)落錘、探桿、土體為彈性材料，由于土體穿透模型不定，不考慮探頭貫入土體，同時(shí)引入阻尼系數(shù)等效綜合考慮探桿的實(shí)際邊界條件和能量耗散效果；

模型尺寸：按照實(shí)際圓錐動(dòng)力觸探的尺寸建模，適當(dāng)簡(jiǎn)化，不考慮重錘內(nèi)徑，模型尺寸見表1所示，落錘、探桿、土體均采用SOLID164單元離散，單元水平方向尺寸控制在10mm以內(nèi)，探桿鉛直方向控制在20倍水平方向尺寸以內(nèi)，網(wǎng)格模型如圖4所示，網(wǎng)格單元可根據(jù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行能力適當(dāng)調(diào)整疏密，本次網(wǎng)格單元70008個(gè)，結(jié)點(diǎn)101260個(gè)；

表1數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽绫?/p>

邊界條件：對(duì)于邊界、土體頂面(即與探桿地面接觸的面為自由面)，土體底面為非反射邊界，以此減少土的反射波對(duì)桿的影響；落錘與探桿、探桿與土體的接觸均采用自動(dòng)面面接觸；

參數(shù)反演：桿長(zhǎng)0～20m阻尼系數(shù)主要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果(桿底沖擊力、有效能等)及現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)錘擊數(shù)修正系數(shù)反演得到，超過20m桿長(zhǎng)且無原位測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的阻尼系數(shù)，則根據(jù)桿長(zhǎng)變化規(guī)律外延得到，同時(shí)也反演落錘、探桿與土體的相關(guān)參數(shù)；

阻尼系數(shù)：不斷重復(fù)參數(shù)反演過程，確保在桿長(zhǎng)0～20m范圍內(nèi)，數(shù)值計(jì)算得到的桿底沖擊力與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的一致，同時(shí)計(jì)算得到的錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)基本一致，以此建立阻尼系數(shù)與桿長(zhǎng)的非線性關(guān)系如圖4，并推求超過20m桿長(zhǎng)阻尼系數(shù)的數(shù)據(jù)；

4.利用得到的阻尼系數(shù)，開展桿長(zhǎng)為20～120m的數(shù)值試驗(yàn)，計(jì)算桿底沖擊力和有效能，并得到錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)；

5.從能量衰減幅度、桿底沖擊力貫入土體能力等指標(biāo)分析桿長(zhǎng)適應(yīng)性：參考《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)關(guān)于樁端阻力的取值建議表和《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.5-2005)關(guān)于樁尖極限承載力的取值建議表，取極限承載力為5000kPa，探頭截面積取43cm²，而此時(shí)貫入土體所需要的沖擊力為21.5kN，而根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)?zāi)芰克p規(guī)律分析，對(duì)于重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，桿長(zhǎng)72m時(shí)，桿底沖擊力約為24kN，能量衰減約73％，即表明桿長(zhǎng)超過72m后，傳至桿底沖擊力不易將探頭貫入卵礫塊石土中；對(duì)于超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，亦是如此，桿長(zhǎng)114m時(shí)桿底沖擊力約為24kN，能量衰減約83％，桿長(zhǎng)超過114m后，24kN的沖擊力已不易貫入卵礫塊石土中。

本發(fā)明將圓錐動(dòng)力觸探現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)合起來，在現(xiàn)場(chǎng)圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)與現(xiàn)行《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)表基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬，引入阻尼系數(shù)，將實(shí)際問題簡(jiǎn)化，進(jìn)而計(jì)算得到桿長(zhǎng)20m外的重型、超重型圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)修正系數(shù)見表2和表3，從而為西部地區(qū)深厚覆蓋層圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正提供依據(jù)，為工程設(shè)計(jì)選取科學(xué)合理的參數(shù)提供有力保障，解決了深厚覆蓋層地區(qū)動(dòng)力觸探超規(guī)范桿長(zhǎng)修正系數(shù)無據(jù)可依的問題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)巖土工程勘察中動(dòng)力觸探試驗(yàn)錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)(桿長(zhǎng)超20m)外延的空白。

表2重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)表

表3超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)桿長(zhǎng)修正系數(shù)表

應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。