一种基于静力触探试验的剪切波速估算方法与流程

本发明属于岩土工程勘察和建筑抗震中地基土场地类别判别领域，具体涉及一种基于静力触探试验的剪切波速估算方法。

背景技术：

目前，根据等效剪切波速的范围进行建筑场地类别判定是公认的场地类别划分的方法之一，场地类别对建筑结构抗震设计影响较大，甚至影响到结构方案选型。勘察时若不进行钻探工作，则无法进行剪切波测试工作。而钻探工作在成本、工期、环境保护等方面需要较大的投入，且工程的前期勘察阶段往往不具备钻探施工条件。因此，如何采用其他手段，精确地估算剪切波速值已成为亟待解决地问题。

静力触探试验是工程勘察，尤其在工程前期的勘察阶段，最常使用的方法之一，测试较便捷，测试数据离散性较小。随着工程的日益开展，积累了大量工程的该类测试数据。因此，基于静力触探试验数据，建立估算剪切波速vs与静力触探锥尖阻力qc值的关系，可以准确地估算等效剪切波速，对建筑场地类别判定具有非常重要的指导意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出一种基于静力触探试验的剪切波速估算方法，采用静力触探试验手段，无需现场钻探工作，现场测试工作较简便，工作量小。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于静力触探试验的剪切波速估算方法，包括以下步骤：

(1)定义代表土层，确定对应于每一代表土层中静力触探试验的锥尖阻力qc值，利用所有的锥尖阻力qc值形成散点图；

(2)基于设定深度范围剪切波的传播时间，求得每一土层的初始估算剪切波速vs值，利用所有的初始估算剪切波速vs值形成散点图；

(3)对数据进行预处理，然后选取拟合函数分别对锥尖阻力qc和初始估算剪切波速vs的散点图进行拟合分析，获得拟合公式；

(4)基于锥尖阻力qc和初始估算剪切波速vs，考虑土层有效上覆土压力σ'v0影响，分别得到修正过的估算剪切波速vs1和修正过的锥尖阻力qc1的关系式，代入步骤(3)中的拟合公式，并利用孔隙比e进行公式修正，得到最终的估算剪切波速vs'计算公式，完成基于静力触探试验的剪切波速估算。

优选地，所述步骤(1)之前还包括确定静力触探试验孔选取原则，所述确定静力触探试验孔选取原则具体包括：

若剪切波速测试孔同时进行静力触探试验，则将该剪切波速测试孔作为静力触探试验孔，将该剪切波速测试孔中的静力触探数据作为后续计算中使用的静力触探数据；

若剪切波速测试孔未进行静力触探试验，则选用与剪切波速测试孔最邻近静力触探试验孔作为静力触探试验孔，并将该最邻近静力触探试验孔中的静力触探数据作为后续计算中使用的静力触探数据。

优选地，所述步骤(1)具体为：

根据静力触探深度与贯入阻力曲线绘制出土的力学剖面图；

根据力学剖面图中的静力触探试验记录曲线的线性特征，划分土层和判定土类，计算各土层锥尖阻力qc。

优选地，所述划分土层和判定土类具体为：

根据《岩土工程勘察规范》gb50021划分土层和判定土类。

优选地，所述步骤(2)具体为：

根据步骤(1)中土层的划分原则确定不同土层深度；

根据不同土层深度范围内剪切波的传播时间，计算出每一土层的初始估算剪切波速值vs。

优选地，所述步骤(3)具体为：

选用乘幂函数模型对锥尖阻力qc和初始估算剪切波速vs的散点图进行拟合分析，乘幂函数的非线性拟合公式为：

式中，a、b为拟合系数。

优选地，所述步骤(4)包括以下子步骤：

(4.1)把初始估算剪切波速vs修正到有效上覆土压力为一个标准大气压，则修正后的剪切波速值vs1表示为：

修正后的锥尖阻力qc1表示为：

式中，m、n为拟合系数；

(4.2)采用乘幂函数表示修正后的剪切波速vs1与锥尖阻力qc1的相关关系，即：

(4.3)考虑有效上覆土压力修正的剪切波速vs1与锥尖阻力qc1的相关关系，以及孔隙比e对剪切波速的影响，得到最终的估算剪切波速vs'和锥尖阻力qc的关系式为：

式中，β为孔隙比的拟合系数。

优选地，所述步骤(4)后还包括：针对不同土体类别，通过拟合回归分析数学方法，提出基于静力触探试验的剪切波速估算公式，所述步骤(5)具体为：

对于黏土，剪切波速估算公式为：

对于粉质黏土，剪切波速估算公式为：

对于粉土，剪切波速估算公式为：

对于粉细砂，剪切波速估算公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出了一种利用静力触探试验锥尖阻力qc来估算土层剪切波速vs'的方法，该方法采用静力触探试验手段，无需现场钻探工作，现场测试工作较简便，工作量小。

对于工程前期勘察阶段，有效降低了工程勘察成本、节省了勘察工期，较之传统的规范法，提高了场地类别判断的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种实施例的方法的流程图；

图2为本发明一种实施例中的黏土层剪切波速vs'与锥尖阻力qc的关系示意图；

图3为本发明一种实施例中的粉质黏土层剪切波速vs'与锥尖阻力qc的关系示意图；

图4为本发明一种实施例中的粉土层剪切波速vs'与锥尖阻力qc的关系示意图；

图5为本发明一种实施例中的粉细砂层剪切波速vs'与锥尖阻力qc的关系示意图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明提出了一种基于静力触探试验的剪切波速估算方法，包括以下步骤：

步骤(1)：确定静力触探试验孔选取原则；具体包括以下子步骤：

(1.1)若剪切波速测试孔同时进行静力触探试验，则将该剪切波速测试孔作为静力触探试验孔，将该剪切波速测试孔中的静力触探数据作为后续计算中使用的静力触探数据；

(1.2)若剪切波速测试孔未进行静力触探试验，则选用与该剪切波速测试孔最邻近静力触探试验孔作为静力触探试验孔，并将该最邻近静力触探试验孔中的静力触探数据作为后续计算中使用的静力触探数据。

步骤(2)：定义代表土层，确定对应于每一代表土层中静力触探试验锥尖阻力qc值，利用所有的锥尖阻力qc值形成散点图；具体包括以下子步骤：

根据静力触探深度与贯入阻力曲线绘制出土的力学剖面图；所述的贯入阻力曲线是根据实际测量的数据得到的；所述力学剖面图的绘制采用的是现有技术，此处不做赘述；

基于力学剖面图中的静力触探试验记录曲线的线性特征，根据《岩土工程勘察规范》gb50021划分土层和判定土类，并计算各土层锥尖阻力qc，所述锥尖阻力qc的计算过程也是现有技术；

具体地，在本发明的一种具体实施例中：根据上述方法，将土层厚度进行划分，在相应划定范围内的静力触探试验点即为一组；对一组内的qc值取平均值作为参照qc值，对静力触探试验点的深度取平均值作为参照qc值的对应深度。如埋深14.00～15.00m范围内qc的平均值为2.97mpa，则取qc＝2.97mpa。

(3)基于设定深度范围内剪切波的传播时间，求得每一土层的初始估算剪切波速vs值，利用所有的初始估算剪切波速vs值形成散点图；所述步骤(3)具体为：

根据步骤(2)中土层的划分原则确定不同土层深度；

根据不同土层深度范围内剪切波的传播时间，计算出每一土层的初始剪切波速值vs。如某土层i的厚度为δhi，剪切波从该土层顶传至层底时的传播时间为δti，则该层的初始估算剪切波速vs＝δhi/δti；

(4)应用概率论中关于异常点剔除的理论对数据进行处理，然后选取拟合函数分别对锥尖阻力qc和初始估算剪切波速vs的散点图进行拟合分析，获得拟合公式；

由于乘幂函数模型相比于零截距线性、非零截距线性准确性更高，并且考虑到公式的简便性，因此，本发明中选用乘幂函数模型对锥尖阻力qc和初始估算剪切波速vs的散点图进行拟合分析，乘幂函数的非线性拟合公式为：

式中，a、b为拟合系数。

(5)考虑到土层有效上覆土压力σv'0及孔隙比e对土体密实度的影响，进而影响剪切波速，因此，在本发明中，考虑土层有效上覆土压力σ'v0及孔隙比e，分别得到修正过的剪切波速qc1和锥尖阻力qc1的关系式，具体包括以下子步骤：

(5.1)把初始估算剪切波速修正到有效上覆土压力为一个标准大气压，则修正后的剪切波速值vs1表示为：

修正后的锥尖阻力qc1的修正公式为：

式中，m、n为拟合系数。

采用乘幂函数表示修正后的剪切波速与锥尖阻力的相关关系，即：

考虑有效上覆土压力修正的剪切波速vs1与锥尖阻力qc1的相关关系，得到估算剪切波速和锥尖阻力qc的关系式，鉴于孔隙比e对剪切波速的影响，得到最终估算剪切波速vs'和锥尖阻力qc的关系式：

式中，β为孔隙比的拟合系数。

(6)针对不同土体类别，采用幂函数形式，通过拟合回归分析数学方法，提出基于静力触探试验的剪切波速估算方法；所述步骤(6)具体为：

对于黏土，剪切波速估算公式为：参见图2；

对于粉质黏土，剪切波速估算公式为：参见图3。

对于粉土，剪切波速估算公式为：参见图4。

对于粉细砂，剪切波速估算公式为：参见图5。

为验证所得成果的合理性，选取一批剪切波速测试孔做验证分析，与现行规范《构筑物抗震设计规范》gb50191-2012附录b提供的方法以及现场实测数据对比如下表(1)-(3)所示。

(1)黏土

表1黏土层剪切波速工程验证

(2)粉土

表2粉土层剪切波速工程验证

(3)粉细砂

表3粉细砂层剪切波速工程验证

结合表(1)-(3)可以得出，本发明的方法无论是对于黏土、粉土还是粉细砂，其估算精度均远远高于现有的规范法，估算误差极小。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。