一种基于能量的复合地基加固效果评估方法

本发明属于岩土工程复合地基评价领域，尤其是涉及了一种基于能量的复合地基加固效果评估方法。

背景技术：

1、随着我国经济社会的高速发展，建构筑物呈现大型化。由于这些大型构筑物往往本身荷载较大，或所处位置地震区烈度较高，天然地基往往很难满足承载力和抗液化等要求，此时需要采用合适的地基处理技术对天然地基的物理力学性质加以改善，使其满足工程需求。

2、强夯法和振冲法作为典型的地基处理方法，是通过相应的施工设备产生振动对天然地基的土体进行振动挤压，将原松散的土体振密或使填料和原地基组合成复合地基，从而达到提高地基承载力、减少地基沉降量、增加地基稳定性、提高地基抗地震液化能力，广泛应用于水电站坝基基础、港口码头基础、石化工程基础、公路铁路基础等软弱地基的加固。

3、施工过程中，施工机具通过相关设备处理土体并改变其状态的过程，实际上是对土体做功的过程，也是能量传递的过程。土体密度变化的过程反映了外力有效做功的多少，也即外力做功中被土体吸收的能量。通常认为，能量是一个状态量，能量的变化反映的是物体状态的变化，而物体达到某种状态所需的能量是固定的。对于土体来说，其达到某个密实度所需的能量是固定的。而且能量作为一个标量，其计算方便，应用范围大。

4、根据相关规范，复合地基通常采用触探试验和静载试验进行评价。这些方法通常需要在场地施工结束后的一定时间内才能进行，且采用抽检的方式进行地基处理效果评价。评价结果难以体现施工过程中的土体振密效果，具有局部性。因此，有必要发展一种准实时、全范围的地基处理效果评价方法。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，实现准实时、全范围的地基处理效果评价本发明的目的在于提供一种基于能量的复合地基加固效果评估方法，通过计算施工全过程的地基吸收能量来实时判断地基密实度，为判断施工质量提供依据。

2、本发明所采用的技术方案如下，包括以下步骤：

3、步骤s1、首先采集施工全过程中施工设备的工作参数；接着，划分不同施工阶段，并获取关键施工阶段内施工设备对场地的输入能量；

4、步骤s2、以施工设备作为振源，布置振动传感器，采集施工过程中振源的振动信号；然后根据振动信号，拟合获得振动衰减关系曲线；接着通过有效加固区域获得场地的输出能量；

5、步骤s3、根据场地的输入能量和输出能量，获得场地的土体平均吸收能量；对场地中的土体开展压缩试验，获得土体吸收能量和孔隙比的关系曲线，根据关系曲线获取复合地基加固后的土体工后密实度，并根据工后密实度对复合地基的加固效果进行评估。

6、所述的步骤s1具体为：

7、s11、首先利用施工设备的控制系统，采集不同施工方法在施工全过程中的施工设备的工作参数；

8、具体实施中，施工方法包括但不限于强夯施工法和振冲施工法。对于强夯施工法，主要采集施工全过程中夯锤重量和夯锤下落高度等关键工作参数；对于振冲施工法，主要采集施工全过程中振冲器深度、电流以及功率因数等关键工作参数。

9、s12、根据施工方法的种类，以及施工设备的工作参数的变化特征，将施工全过程划分为不同的施工阶段，并根据工程经验在所有的施工阶段中选出关键施工阶段，提取关键施工阶段内施工设备的工作参数；

10、利用强夯法和振冲施工法时，施工设备在空间上均具有往复“上提-下落”的特征，可以以此来区分各个施工阶段；振冲施工法包括造孔阶段、清孔阶段、留振成桩阶段和拔护筒阶段等施工阶段，选取留振阶段作为关键施工阶段；强夯法包括场地平整阶段、夯击阶段和回填复夯阶段，选取夯击阶段作为关键施工阶段。

11、s13、获取关键施工阶段内施工设备对场地的输入能量ein。

12、所述的步骤s2具体为：

13、s21、以施工设备作为振源，在未处理场地的不同土层中布置振动传感器，通过振动传感器实时采集施工过程中施工设备的振动信号；

14、s22、获取不同振动传播距离下，振动传感器所采集到的振动传感器的振动信号，所述的振动传播距离为振源和振动传感器之间的距离；对不同振动传播距离下所采集的振动信号进行处理，获得在未处理场地中振动速度与振动传播距离的拟合关系曲线并将该拟合关系曲线作为振动衰减关系曲线；

15、通过振动信号可得到对应的振动速度，不同的振动传播距离对应不同的振动速度，进而得到振动速度与振动传播距离的关系，即可以通过振动信号得到振动速度在未处理场地中的振动速度衰减规律；

16、具体实施中，每类土层中可仅布置一个振动传感器，也可在不同距离处布置多个振动传感器。同一个施工设备会随着施工进度移动作业，仅布置一个振动传感器时，可获取该振动传感器与不同距离处同一施工设备的振动信号；布置多个振动传感器时，可获取这些距离不同的振动传感器对同一施工设备的振动信号；

17、s23、根据施工设备的工作参数，得到施工过程中的有效加固区域；

18、s24：根据步骤s22中获得的振动衰减关系曲线，获得有效加固区域边界处土体质点的振动速度v，并按照下式处理得到场地的输出能量eout：

19、

20、其中，eout为场地的输出能量，sr为有效加固区域边界处波阵面面积，ek为土体质点的弹性波动能；ρ为土体饱和密度，vs为土体中剪切波传播的波速；v为土体质点振动速度；t1和t2均表示时刻，eout为具体为t2-t1时间段内场地的输出能量；对于强夯施工法，将振源视作在地基内以半球面的形式传播；对于振冲施工法，将振源视作在地基内以球面的形式传播。

21、具体实施中，可将区域半径rs代入振动衰减关系曲线中的振动传播距离，得到对应的振动速度即为土体质点的振动速度v。

22、所述的步骤s3具体为：

23、s31：根据步骤s13中所获得的输入能量ein和步骤s24中所获得的输出能量eout，按照以下公式处理得到有效加固区域内的土体平均吸收能量et：

24、

25、其中，et为有效加固区域内的土体平均吸收能量，ein为场地的输入能量，eout为场地的输出能量，ez为桩体吸收能量，vr为有效加固区域内的土体空间体积；对于强夯施工法，土体空间体积为半球体体积；对于振冲施工法，土体空间体积为球体体积；对于强夯施工法，桩体吸收能量ez取0；对于振冲施工法，桩体吸收能量按照桩/土能量吸收比确定，对于有散粒体桩体填充与振密的工艺，例如振冲碎石桩、挤密砂桩等施工方法，需要考虑桩体吸收的能量，土体吸收能量＝输入能量-输出能量-桩体吸收能量；

26、s32：选取未处理场地的地基土体作为原料，制备土体试样并开展压缩试验，获取土体试样在各级荷重下的变形值以及变形稳定后对应的孔隙比，将各级荷重与相应变形乘积的累积和作为该级荷重下的土体吸收能量，根据荷重分别与孔隙比和土体吸收能量的对应关系，建立土体吸收能量和孔隙比的关系曲线，每个土体吸收能量与一个孔隙比相对应；

27、具体实施中，第n级荷重下的土体吸收能量ea即为达到第n级孔隙比土体所需的吸收能量，土体吸收能量ea利用以下公式表示：

28、

29、其中，fj为第j级荷重，dj为第j级荷重所对应的土体变形。

30、s33：根据步骤s32所获得的土体吸收能量和孔隙比的关系曲线，设定步骤s31中所获得的土体平均吸收能量作为关系曲线中的土体吸收能量，将关系曲线所对应的孔隙比作为该土体平均吸收能量所对应的工后土体孔隙比ei，并根据工后土体孔隙比按照下式处理得到复合地基加固后的工后土体密实度dr：

31、

32、其中，dr为有效加固区域内土体的工后土体密实度，emax为土体最大孔隙比；emin为土体最小孔隙比；ei为有效加固区域内土体的工后孔隙比；

33、土体最大孔隙比和土体最小孔隙比均可通过对土体试样并开展三轴压缩试验得到。

34、s34：将工后土体密实度与预设的土体相对密实度进行比较：

35、若工后土体密实度dr大于土体相对密实度，则表明该复合地基加固合格；

36、否则，则表明该复合地基加固不合格。

37、按照《岩土工程勘察规范》(50021-2001)中土体相对密实度分类依据可将土体分为松散、中密、密实的三种密实状态；同时将工后土体密实度与设计的相对密实度进行比较，其中大于设计的相对密实度的记为质量合格，否则记为不合格，进而形成加固效果评价结果。

38、所述的施工方法包括强夯施工法和振冲施工法；

39、若采用强夯施工法，则步骤s13中施工设备对施工场地的输入能量ein采用以下公式处理得到：

40、ein＝m×h×g

41、其中，ein为夯锤对场地土体的输入能量，m为夯锤质量，单位为kg，h为夯锤下落高度，单位为m，g为重力常数，取9.8m/s2；

42、若采用振冲施工法，则步骤s13中施工设备对施工场地的输入能量ein采用以下公式处理得到：

43、ein＝e-ek

44、其中，ein为振冲器对场地土体的输入能量，e为施工时振冲器消耗电能所做的有效功，ek为振冲器动能，即空载时消耗电能所做的有效功；

45、对于强夯施工法，施工设备对场地的输出能量直接来自于夯锤的重力势能；对于振冲施工法，施工设备对场地的输入能量直接来自于振冲器消耗的电能。

46、所述步骤s23具体为：

47、若采用强夯施工法，则施工过程中的有效加固区域的区域半径rs按照如下修正的menard经验公式处理得到：

48、

49、其中，rs为以振源为圆心，强夯施工法的有效加固区域的区域半径，m为夯锤重量，h为夯锤下落高度，α1为给定的修正系数，取0.3-0.8；

50、若采用振冲施工法，则施工过程中的有效加固区域的区域半径rs按照以下公式处理得到：

51、

52、其中，rs为振冲施工法的有效加固区域的区域半径，p为振冲器功率，t为施工时振冲器留振时间，vp为土体中纵波传播的速度，k为经验系数，取3-5，a2为土体的能量吸收系数，砂土取0.01-0.03，粘土取0.04-0.1。

53、本发明是首先采集施工过程中施工设备的工作参数，计算施工时施工设备对地基土体的输入能量；埋设振动监测传感器，调试振动信号采集系统，采集、存储与分析施工过程中产生的场地振动信号，分析施工的有效加固区域，计算施工过程中场地的输出能量；计算施工过程中有效加固区域内土体吸收能量；开展室内压缩试验标定土体吸收能量与密度关系，计算工后土体相对密实度，对复合地基加固质量进行检测判断。

54、本发明是将地基施工所用的施工设备(如强夯法中的夯锤、振冲法中的振冲器)作为激振源，通过合理布置的检波器阵列接收地基中的振源弹性波信号，利用检波器幅值和检波器位置等已知参数计算地基的弹性波波动能量，最终通过计算地基有效吸收能量反演相对密实度运算，便可将施工过程中地基土体相对密实度实时变化情况检测出来。

55、本发明通过对施工过程中的振动监测以计算场地土体吸收能量进而推算工后场地土体相对密实度，适用于诸如强夯、振冲碎石桩等具有震源激振的地基处理方式，可以实现处理地基相对密实度的准实时检测与评价。

56、本发明的有益效果为：

57、1、本发明可实现复合地基施工全过程中地基土体相对密实度的评价，相比目前局部范围抽检的质检方式，本发明具有检测范围大，所形成的地基处理效果评价更全面的优点。

58、2、本发明通过对施工设备工作参数和施工振动信号的实时采集，可实现施工过程地基吸收能量的准时计算，可对施工过程中的地基加固效果进行小时级的准实时评价，比传统工后质检方法更有时效性。

59、3、本发明适用于诸如强夯、振冲碎石桩等具有震源激振的地基处理方式，可以实现地基相对密实度的实时检测与评价。