采用剪切波速确定夯/压实填土层承载力特征值的方法与流程

本发明涉及岩土工程勘察技术领域，具体是一种采用剪切波速确定夯/压实填土层承载力特征及变形模量的方法。

技术背景

国内冶金钢厂原料场大多位于江边或者海边，项目建设料堆地基大多进行过强夯地基处理，使用过程中又经过分级堆载压实。受环保升级和智能化改造要求，原来的a型料条有的需要改造为封闭的c型料条，对地基强夯填土层的物力理学指标特别是抗剪强度指标需要准确测定，依据现行《岩土工程勘察规范》(gb50021-2001)，填土层的勘察主要为原位测试，包括现场载荷试、现场直接剪切试验和剪切波速试验，但是，强夯地基夯填材料多为开山石渣，在夯填施工过程中，不会对来料进行分选，夯填的材料有的是巨石，有的则为粘性土，夯填材料的不同，物理力学指标差异很大，另外，由于夯实填土经过矿料的露天分级堆载压实，承载力特征值相对较高，加上料堆作用，夯压实层表层板结，当采用大面积载荷试验时，由于加载荷重受限，影响深度很难达到夯填层底部及以下，如何采用科学手段准确确定夯/压实填土的承载力特征值、变形模量和抗剪强度指标，需要进行技术创新。

夯/压回填材料是一种特殊岩土，它具有人工填土和天然土的特性，它是人工地基，并具有一定厚度，未经过分选，其承载力特征值与粒径的大小、含量、含水量等有密切的关系，载荷试验由于受到加载和影响深度限制，并不能准反应各填土层的承载力特征值的变形模量指标，如何利用现场剪切试验成果，建立不同粒径含的夯/压实填土剪切波速值(v)与承载力特征值、变形模量的对应关系，为岩土工程勘察、地基检测其意义便显得极为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是克服技术背景的不足，提供一种用剪切波速确定夯/压实填土层承载力特征的方法，该方法通过应用现场剪切试验成果确定的夯填土的承载力特征值，建立承载力特征值与剪切波速值(v)的关系表格，并通过线性回归得到不同填土层的剪切波速值(v)及变形模量的方法，同时还建立了利用剪切波速值(v)确定承载力特征值与变形模量的经验公式，可以解决大面积载荷试验的影响深度受限问题，工程实用性强。

为了解决上述问题，本发明提供的一种采用剪切波速确定夯/压实填土层承载力特征值的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)在施工现场对夯/压实层填土进行钻探取样，并结合夯/压实为开山石料源特点与地基处理工艺，根据填土颗粒粒径的不同含量对夯/压实层填土层分成块石填土层、碎石填土层、砾石填土填土层和粘粒土混砾石填土层，其中

a.块石填土层：其中d≧200mm的块石和60mm﹤d≦200mm的碎石总含量15％～50％，且块石含量大于碎石含量；

b.碎石填土层：其中d≧200mm块石和60mm﹤d≦200mm碎石的总含量15％～50％，且碎石含量大于块石含量；

c.砾石填土层：其中2mm﹤d≦60mm的砾石含量15％～50％；

d.粘粒土混砾石填土层：其中0.005mm﹤d≦0.0075mm的粘粉粒含量大于50％，且d≧2mm的粗粒含量25％～50％的土；

(2)对步骤(1)中四种填土层分别进行现场直接剪切试验，用实测值得到各类填土层的抗剪强度指标土的粘聚力c和内摩擦角φ，并利用抗剪强度指标计算出各类填土层承载力特征值fak，其计算公式如下：

fak＝mbγb+mdγmd+mcc

式中：fak—由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值(kpa)；

mb、md、mc—承载力系数；

γ—基础底面以下土的重度(kn/m³),地下水位以下取浮重度；

γm—基础底面以上土的加权平均重度(kn/m³)，位于地下水位以下的土层取有效重度；

d—基础埋置深度(m)；

b—基础底面宽度(m),大于6m时按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值；

c—基底下一倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值(kpa)。

基础底面宽度b取值6，计算夯/压实填土层地基承载力时，基础埋置深度按0考虑，即d取值0；

(3)在步骤(2)中直接剪切试验点间距1.0m以内范围，采用孔中激震式波速测试仪进行波速测试测试深度为间隔0.5m测试一次，确定出每个填土层的剪切波速值，然后将每个钻孔内进行的测试得到的剪切波速与四种不同粒径填土层进行对应，建立对应关系表，将对应关系表中的数据通过散点图进行分析，然后通过线性回归，得到四种填土层的承力特征值fak与剪切波速值v关系方程式：

块石填土层：fak＝50+v

碎石填土层：fak＝55+0.78v

砾石填土层：fak＝60+0.71v

粘性土混砾石填土层：fak＝75+0.56v。

(5)在后期从事岩土工程勘察工作时，对施工现场对夯/压实层填土进行钻探取样确定施工现场夯/压实层填土层的种类，然后按照步骤(4)中的公式直接计算出同类填土层的承载力特征值。

本发明较优的技术方案：所述步骤(2)中直接剪切试验是采用平推法，剪切荷载平行于剪切面，剪切面积1.0m²，高度0.5m，所示块石填土、碎石填土、砾石填土和粘粒土混砾石填土每种类型各3组试验，块石填土、碎石填土、砾石填土和粘粒土混砾石填土的法向应力分别采用150t、300t、450t、600t。

本发明较优的技术方案：在步骤(2)计算出各类填土层承载力特征值fak之后，分别计算出块石填土、碎石填土、砾石填土和粘粒土混砾石填土的变形模量e0，e0按照固体材料胡克定律经验，根据已知的承载力特征值对照《工程地质手册》(第五版)等现有规范参数表对应取得，并建立剪切波速值(v)与承力特征值(fak)的对应关系表，采用对应关系表中的数据通过散点图进行分析，进行线性回归，得到夯/压实填土变形模量e0与剪切波速值v关系方程式：

块石填土层：e0＝4.0+0.053v

碎石填土层：e0＝5.8+0.046v

砾石填土层：e0＝7.0+0.04v

粘性土混砾石填土层：e0＝3.0+0.04v。

本发明较优的技术方案：所述步骤(3)中剪切波速的测试采用xg-i悬挂式波速测井仪进行测试，其测试过程为：将两个井液耦合检波器悬挂在井孔震源下方，在震源向井壁作用一冲击力后，沿井壁地层就有s波向下传播，s波传播到检波器位置时，通过井液耦合检波器把s波的初至时间和振动波形转换成电信号，由记录仪器记录下来，并由s波的初至时间差可计算出两道间地层的波速值。

本发明的有益效果：

1.本发明通过不同填土颗粒的含量将填土层进行分类，并通过剪切试验得到不同类填土层抗剪强度指标土的粘聚力c和内摩擦角φ，然后计算出不同类填土层的承载力特征值，并在剪切试验点周围钻孔进行采用孔中激震式波速测试仪进行波速测试，并将剪切波速与分类的填土层进行对应，并建立不同填土层的剪切波速与承载力特征值对应关系式表格，然后通过数值采用线性回归的方式得到不同类夯/压填土的剪切波速与承载力特征值的经验方程式，填补了《工程地质手册》及相关规范对夯(压)实填土采用超重型动力触探确定承载力特征值的空白，可以在后期进行实测时，直接通过该经验方程式来对不同填土层的承载力特征值进行计算，其计算方式简单、方便；

2.本发明在得到承载力特征值与剪切波速的对应表格的同时，可以计算出不同填土层的变形模量，并建立不同填土层的剪切波速与变形模量之间的对应表格，并可以得到剪切波速与变形模量的经验方程式，在确定承载力特征值的同时，也能得到不同填土层的变形模量值；

本发明提供了一种除载荷试验方法以外更为便捷、经济的确定夯(压)实填土承载力特征值的方法，同时克服了大面积载荷试验的影响深度受限问题，工程实用性强，该方法是建立在夯(压)实填土层岩土工程勘察所进行的大量现场原位测试与各项试验基础上的发现和创新。

附图说明

图1是实施例中四种填土的承力特征值(fak)与剪切波速的线性回归图；

图2是实施中四种填土的变形模量(e0)与剪切波速的线性回归图。

具体实施方法：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例提供的一种采用剪切波速确定夯(压)实填土层承载力特征值及变形模量的方法，具体步骤如下：

(1)在施工现场对夯(压)实层填土进行钻探取样，并结合夯(压)实为开山石料源特点与地基处理工艺，根据填土颗粒粒径的不同含量对夯(压)实层填土层分成块石填土层、碎石填土层、砾石填土填土层和粘粒土混砾石填土层，其分层具体是通过夯(压)实层填土进行钻探取样，送实验室进行粒径分析，测定块石、碎石、卵石、石屑、角砾、圆砾、砾砂、粗砾、中砂及粘性土质量含量百分比，结合夯(压)实为开山石料源特点与地基处理工艺，将填土颗粒由粗到细组成和含量，划分出四类填土地层，钻孔内按厚度分层，分层标准如下：

①块石填土层：块石(d≧200mm)和碎石(60mm﹤d≦200mm)含量15％～50％，且块石含量大于碎石含量。混粗粒及细粒土及粘性土；

②碎石填土层：块石(d≧200mm)和碎石(60mm﹤d≦200mm)含量15％～50％，且碎石含量大于块石含量。混粗粒及细粒、粉粒及粘粒土；

③砾石填土层：砾石(2mm﹤d≦60mm)含量15％～50％，混少量块石、砂粒和粘粒土；

④粘粒土混砾石填土层：粘粉粒(0.005mm﹤d≦0.0075mm)含量大于50％且粗粒(d≧2mm)含量25％～50％的土。

(2)测量剪切波速值(v)(m/s)，在现场直接剪切试验点间距1.0m以内范围，采用孔中激震式波速测试仪进行波速测试，测试深度为间隔0.5m测试一次，具体是采用xg-i悬挂式波速测井仪进行测试，其测试过程为：将两个井液耦合检波器悬挂在井孔震源下方，在震源向井壁作用一冲击力后，沿井壁地层就有s波向下传播，s波传播到检波器位置时，通过井液耦合检波器把s波的初至时间和振动波形转换成电信号，由记录仪器记录下来，并由s波的初至时间差可计算出两道间地层的波速值。

(3)现场剪切试验确定抗剪强度指标(c、φ)，采用平推法，剪切荷载平行于剪切面，剪切面积1.0m²，高度0.5m，按四种夯填土类型各3组试验，法向应力分别采用150t、300t、450t、600t。试验完成整理计算出各夯填土层的抗剪强度指标(c、φ)，利用抗剪强度指标确定各填土层承载力特征值采用国家标准《建筑地基基础设计规范》(gb50007-2011)中5.2.5公式计算，其计算公式具体如下：

fak＝mbγb+mdγmd+mcc

式中：fak—由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值(kpa)；

mb、md、mc—承载力系数；

γ—基础底面以下土的重度(kn/m³),地下水位以下取浮重度；

γm—基础底面以上土的加权平均重度(kn/m³)，位于地下水位以下的土层取有效重度；

d—基础埋置深度(m)；

b—基础底面宽度(m),大于6m时按6m取值，对于砂土小于3m时按3m取值；

c—基底下一倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值(kpa)。

基础底面宽度b取值6，计算夯(压)实填土层地基承载力时，基础埋置深度按0考虑，即d取值0。

(4)基于大量的剪切波速值(v)、现场直接剪切试验数据，依据规范和工程经验确定出夯(压)实填土层的承载力特征值和变形模量，其中变形模量按照固体材料胡克定律经验，根据已知的承载力特征值对照《工程地质手册》(第五版)等现有规范参数表对应取得，其对应关系表如表1所示。

表1为四个填土层的承载力特征值和变形模量的关系

(5)通过表1可以建立剪切波速值(v)与承力特征值(fak)的对应关系，详见表2：

表2四种不同填土的剪切波速值(v)与承力特征值(fak)的对应关系

通过散点图进行分析，通过线性回归(详见图1)，得到夯(压)实填土承力特征值(fak)与剪切波速值(v)关系方程式(r²表示线性回归的可靠程度，该值越接近1，表示回归公式越可靠)：

块石填土层：fak＝50+v

碎石填土层：fak＝55+0.78v

砾石填土层：fak＝60+0.71v

粘性土混砾石填土层：fak＝75+0.56v。

(6)通过表1可以建立剪切波速值(v)与变形模量(e0)的对应关系，详见表3。

表3四种不同填土的剪切波速值(v)与变形模量(e0)的对应关系

通过散点图进行分析，同样可通过线性回归(详见图2)，得到夯(压)实填土变形模量(e0)与剪切波速值(v)关系方程式(r²表示线性回归的可靠程度，该值越接近1，表示回归公式越可靠)：

块石填土层：e0＝4.0+0.053v

碎石填土层：e0＝5.8+0.046v

砾石填土层：e0＝7.0+0.04v

粘性土混砾石填土层：e0＝3.0+0.04v。

实施案例：马钢股份港务原料场a～e料条场地上部填土层经强夯地基处理并受多年料条使用期间的堆载，因环保升级及智能化改造要求，拟在原料条上建设c型料条，c型料条对沉降、变形特别敏感，为c型料条基础设计，则需要提供约4m厚夯(压)实填土层承载力特征值及变形模量。因工期紧张，利用传统的载荷试验及现场直接剪切试验将耗费大量的时间与财力，故在岩土工程勘察中利用本发明中确定夯(压)实填土层承载力特征值及变形模量的方法，利用钻探取样对填土进行颗分试验并按颗粒成份含量及大小将填土层进行分为块石填土、碎石填土、粘性土混砾石填土三个大类，并同步进行剪切波速试验，根据剪切波速值(v)及此发明确定各填土层的承载力特征值及变形模量，确定过程如下：

利用此种方法大大节约了时间，并及时的为c型料条设计提供了准确可靠的数据，获得业主单位好评。为验证数据的可靠性，后期在动力触探点位又进行了载荷试验，载荷试验采用面积为4m²的方形钢制压板，按预估特征承载力2.4倍的1/8分级加荷，首级荷载按分级荷载的2倍进行施加，载荷试验结果显示与上表一致，充分验证了本发明方法的可靠性。

以上所述，只是本发明的一个实施例，以上所述实施例仅表达了本，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。