一种超长杆重型、超重型圆锥动力触探锤击数修正方法与流程

本发明涉及原位测试技术，尤其涉及一种超长杆重型、超重型圆锥动力触探锤击数修正方法。

背景技术：

目前，我国水电开发主要集中在西部地区，而西部地区因构造活动频繁、河流作用强烈、地质灾害频发，河床覆盖层往往厚度较大(一般厚达数十米甚至上百米)、成因复杂(冲积、洪积、坡积、崩积、滑坡堆积混杂)、结构松散(呈颗粒状、无胶结)、颗粒较粗(以卵、砾石或碎、块石等粗粒为主)，空间变化大。河床深厚覆盖层属散粒材料，钻进(造孔)难、取原状样更难，其物理力学特性指标获取主要依赖现场原位测试。受现场试验条件所限，适于河床深厚覆盖层原位测试的方法很少，圆锥动力触探因操作简单、适用土类多而往往成为首选。

根据《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)规定，重型、超重型圆锥动力触探适用范围分别为杆长20m、锤击数50与杆长19m、锤击数40，这已不能适应或满足深厚覆盖层地区原位测试需要。对超出规范适用范围，圆锥动力触探杆长适用范围及其修正问题，除个别学者提出简单处理方法外，至今不仅尚无成熟经验借鉴与公认标准可依，而且也鲜有研究。

因此，为适应我国西部地区水电开发对河床深厚覆盖层测试的需要，开展圆锥动力触探杆长适应性及其修正问题研究已成为圆锥动力触探试验方法应用扩展亟待解决的难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种超杆长重型、超重型圆锥动力触探锤击数修正方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超长杆重型、超重型圆锥动力触探锤击数修正方法，包括以下步骤：

1)在探杆上安装应变计，所述应变计在探杆上间隔设置；

2)按照《岩土工程试验监测手册》规定的圆锥动力触探试验技术要求开展现场试验，记录每贯入10cm的锤击数，同时保存每一次锤击时各应变计测点的应变值，根据应变值画出应力-时间曲线、应力-杆长曲线；

3)利用LS-DYNA软件，建立圆锥动力触探数值计算模型，包括落锤、探杆、土体模型，并确定落锤、探杆、土体模型的尺寸及计算参数，所述计算参数包括密度、弹性模量、泊松比；

4)确定阻尼系数；

4.1)杆长0至20m部分的阻尼系数：将设置的初始阻尼系数和现场试验结果代入步骤3)建立的模型中计算得到锤击数杆长修正系数，若得到的结果与现行国标《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)锤击数修正系数一致，则确定；否则调整初始阻尼系数继续计算直至得到的结果与现行国标《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)锤击数修正系数一致；所述现场试验结果包括杆底冲击力和有效能，由步骤2)中各应变计测点的应变值以及根据应变值画出应力-时间曲线、应力-杆长曲线计算获得；

4.2)超过20m杆长且无原位测试试验数据的阻尼系数：根据4.1)中的阻尼系数画出阻尼系数与杆长变化图，通过拟合得到超过20m杆长且无原位测试试验数据的阻尼系数，同时也反演落锤、探杆与土体的相关参数；

5)利用得到的阻尼系数，开展杆长为20～120m的数值试验，计算杆底冲击力和有效能，并得到锤击数杆长修正系数。

按上述方案，所述步骤1)中应变计设置在每个探杆接头处，并在每两个探杆接头之间均匀间隔设置。

按上述方案，所述步骤1)中在每两个探杆接头之间均匀间隔设置3个应变计，探杆两端接头处亦分别设置应变计。

按上述方案，圆锥动力触探数值计算模型建模尺寸如下：按照实际圆锥动力触探的尺寸建模，不考虑重锤内径；落锤、探杆、土体均采用SOLID164单元离散，单元水平方向尺寸控制在10mm以内，探杆铅直方向控制在20倍水平方向尺寸以内。

本发明产生的有益效果是：本发明将圆锥动力触探现场试验与数值试验结合起来，在现场圆锥动力触探试验与现行《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)圆锥动力触探锤击数修正系数表基础上，通过数值模拟，引入阻尼系数，将实际问题简化，进而计算得到杆长20m外的重型、超重型圆锥动力触探锤击数杆长修正系数，填补了国内岩土工程勘察中动力触探试验锤击数杆长修正系数(杆长超20m)外延的空白。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的探杆各测点应变片布置图；

图3是本发明实施例的应力-时间曲线、应力-杆长曲线示意图；

图4是本发明实施例的动力触探数值模拟网格模型示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种超长杆重型、超重型圆锥动力触探锤击数修正方法，步骤如下：

1.在圆锥动力触探试验现场，在探杆上安装应变计，应注意在探杆与探杆接头处及探杆上不同位置安装如图2所示，并调试好应变测试系统，保证每个位置的应变计在应变测试系统中读数正常；

2.严格按照《岩土工程试验监测手册》规定的圆锥动力触探试验技术要求开展试验，记录每贯入10cm的锤击数，并在应变测试系统中，保存每一次锤击时，各测点的应变值，并建立应力-时间曲线、应力-杆长曲线，如图3所示，并计算各测点冲击力及有效能；

3.利用LS-DYNA软件，建立圆锥动力触探数值计算模型，包括落锤、探杆、土体模型，如图4所示，并确定落锤、探杆、土体模型尺寸及计算参数，包括密度、弹性模量、泊松比，有以下注意事项：

简化处理：影响圆锥动力触探因素较多，且具有非常大的随机性，为使问题简化，在数值分析时进行了理想化假设，假设落锤、探杆、土体为弹性材料，由于土体穿透模型不定，不考虑探头贯入土体，同时引入阻尼系数等效综合考虑探杆的实际边界条件和能量耗散效果；

模型尺寸：按照实际圆锥动力触探的尺寸建模，适当简化，不考虑重锤内径，模型尺寸见表1所示，落锤、探杆、土体均采用SOLID164单元离散，单元水平方向尺寸控制在10mm以内，探杆铅直方向控制在20倍水平方向尺寸以内，网格模型如图4所示，网格单元可根据计算机运行能力适当调整疏密，本次网格单元70008个，结点101260个；

表1数值试验模型尺寸表

边界条件：对于边界、土体顶面(即与探杆地面接触的面为自由面)，土体底面为非反射边界，以此减少土的反射波对杆的影响；落锤与探杆、探杆与土体的接触均采用自动面面接触；

参数反演：杆长0～20m阻尼系数主要根据现场试验成果(杆底冲击力、有效能等)及现行国标《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)锤击数修正系数反演得到，超过20m杆长且无原位测试试验数据的阻尼系数，则根据杆长变化规律外延得到，同时也反演落锤、探杆与土体的相关参数；

阻尼系数：不断重复参数反演过程，确保在杆长0～20m范围内，数值计算得到的杆底冲击力与现场试验得到的一致，同时计算得到的锤击数杆长修正系数与现行国标基本一致，以此建立阻尼系数与杆长的非线性关系如图4，并推求超过20m杆长阻尼系数的数据；

4.利用得到的阻尼系数，开展杆长为20～120m的数值试验，计算杆底冲击力和有效能，并得到锤击数杆长修正系数；

5.从能量衰减幅度、杆底冲击力贯入土体能力等指标分析杆长适应性：参考《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)关于桩端阻力的取值建议表和《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)关于桩尖极限承载力的取值建议表，取极限承载力为5000kPa，探头截面积取43cm²，而此时贯入土体所需要的冲击力为21.5kN，而根据数值试验能量衰减规律分析，对于重型动力触探试验，杆长72m时，杆底冲击力约为24kN，能量衰减约73％，即表明杆长超过72m后，传至杆底冲击力不易将探头贯入卵砾块石土中；对于超重型动力触探试验，亦是如此，杆长114m时杆底冲击力约为24kN，能量衰减约83％，杆长超过114m后，24kN的冲击力已不易贯入卵砾块石土中。

本发明将圆锥动力触探现场试验与数值试验结合起来，在现场圆锥动力触探试验与现行《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)圆锥动力触探锤击数修正系数表基础上，通过数值模拟，引入阻尼系数，将实际问题简化，进而计算得到杆长20m外的重型、超重型圆锥动力触探锤击数修正系数见表2和表3，从而为西部地区深厚覆盖层圆锥动力触探试验锤击数杆长修正提供依据，为工程设计选取科学合理的参数提供有力保障，解决了深厚覆盖层地区动力触探超规范杆长修正系数无据可依的问题，填补了国内岩土工程勘察中动力触探试验锤击数杆长修正系数(杆长超20m)外延的空白。

表2重型动力触探锤击数杆长修正系数表

表3超重型动力触探锤击数杆长修正系数表

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。