專利名稱：地基變形模量和承載力的動測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于用機(jī)械應(yīng)力測試固體材料的強(qiáng)度特性，特別涉及用動測方法確定地基變形模量和承載力。
地基變形模量和容許承載力是工業(yè)與民用建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中最主要的兩個指標(biāo)。按照我國有關(guān)規(guī)范規(guī)定，應(yīng)在現(xiàn)場作靜荷載試驗(yàn)來確定，而且每一均質(zhì)土層至少要進(jìn)行三個以上的試驗(yàn)并取三次試驗(yàn)結(jié)果的平均值(三次試驗(yàn)結(jié)果的極差不超過平均值的30%，否則還應(yīng)增加試驗(yàn)次數(shù))。顯然，這樣試驗(yàn)費(fèi)時、費(fèi)工、費(fèi)錢，要求的工作面積大，而且有時還會出現(xiàn)安全事故。
本申請人CN86107964.7專利“共振試樁法”提供了一種動力試樁方法，它是對樁基系統(tǒng)施加電磁激振力，并由量測系統(tǒng)量測其動態(tài)反應(yīng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算而間接獲得單樁承載力，與靜荷載試樁結(jié)果基本吻合。但是，樁與地基不同，前者是有限體，而后者是半無限體，因此不能直接對地基施加激振力進(jìn)行測試。87100975.7號申請推薦的動測地基承載力的裝置，是目前許多動測裝置中的一種，該裝置復(fù)雜、麻煩，現(xiàn)場運(yùn)輸安裝均不方便，雖然提出可以由“質(zhì)量塊”等與地基形成一個單自由的振動體系，但是該質(zhì)量塊是由不同數(shù)量的金屬板組成，還要加工定位孔與螺栓配合，質(zhì)量塊之間還要安裝支承彈簧，而且并沒有確定“質(zhì)量塊”的面積、剛性大小及形狀等，而這些都與地基剛度有關(guān)。用該裝置測地基承載力是先假定土的“參振質(zhì)量”，測出單自由度體系的振動頻率得出動剛度，再作靜荷載試驗(yàn)，用動靜關(guān)系確定承載力。這里，土的“參振質(zhì)量”及動靜關(guān)系等均無明確的確定方法，而且“參振質(zhì)量”在工程學(xué)術(shù)界至今都是有爭議的問題;所謂動靜關(guān)系要由荷載試驗(yàn)定，即每動測一次要相應(yīng)地作一次靜載試驗(yàn)，這就失去了動測的意義。
總之，現(xiàn)有技術(shù)沒有解決只進(jìn)行動力測定而不作靜載試驗(yàn)即能確定地基的變形模量和承載力的問題。
本發(fā)明的目的就是要利用現(xiàn)有動測設(shè)備儀器，只進(jìn)行動測而不作靜荷載試驗(yàn)即能確定地基的變形模量與承載力，并使其與靜荷載試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合。
要達(dá)到上述目的，其關(guān)鍵問題是用什麼樣的荷載板以及建立動測結(jié)果同地基變形模量與承載力之間的關(guān)系并使由此關(guān)系得出的結(jié)果與靜荷載試驗(yàn)的結(jié)果基本吻合。
所用荷載板必須是剛性的，其底面與欲測地基土完全接觸，現(xiàn)場最好用現(xiàn)澆混凝土板，預(yù)制板也可以，對其施加激振力有兩種方法可以選擇，一種是施加穩(wěn)態(tài)掃頻激振力，另一種是施加瞬態(tài)沖擊激振力。前者通過電磁激振器施加，后者可用手錘激振。激振應(yīng)保證地基土處于彈性變形狀態(tài)，因此不能用大能量的沖擊荷載或機(jī)械激振器，否則應(yīng)控制土的動應(yīng)變量級并進(jìn)行適當(dāng)修正。測振采用固定在荷載板(或稱基礎(chǔ)板)頂面的傳感器，信號放大后輸入分析記錄儀，考慮到荷載板可能產(chǎn)生水平振動，宜用2個傳感器。必要時也可在荷載板中心的激振點(diǎn)處增設(shè)力傳感器。
施加激振力后，測定荷載板的振動速度頻域響應(yīng)曲線或位移時域響應(yīng)曲線，經(jīng)計(jì)算得出地基的彈性剛度K;
對于施加電磁激振力產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動K＝m(2πfn)2或K＝Q0(2πfi)/Vi式中 m-剛性荷載板的質(zhì)量;
fn-頻域響應(yīng)曲線上的共振頻率;
Q0-激振力的幅值;
fi-頻域響應(yīng)曲線上低頻直線段的任一頻率;
Vi-對應(yīng)于fi的振動速度幅值。
對于手錘激振產(chǎn)生的自由振動K＝m(2π/T)2式中，T為時域響應(yīng)曲線上所得的振動周期，其它符號的物理意義同上。
本發(fā)明人根據(jù)其多年來所作的大量的靜動現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，建立了該彈性剛度K與靜載試驗(yàn)的地基變形模量E0及地基容許承載力fK之間的下列較好的吻合關(guān)系，并據(jù)此關(guān)系用動測法方便地解決了實(shí)際工程問題，即E0=Kβ0F(1+F10/F)]]>fk=4K[S]πd(1-μ2)β0F(1+F10/F)]]>式中 β0-與地基土性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)(取0.4～1.6);
F-荷載板實(shí)際面積;
F10-荷載板基準(zhǔn)面積(取10m2);
μ-土的泊松比;
d-荷載板的寬度或直徑;-規(guī)范規(guī)定的容許沉降量。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為地基土的單位面積動剛度(K/F)隨荷載板面積(F)的變化曲線;
圖2為鞍鋼礦渣地基的振動響應(yīng)曲線;
圖3為鞍鋼礦渣地基的靜荷載試驗(yàn)曲線;
圖4為大連港大窯灣碎石地基的振動響應(yīng)曲線;
圖5為大連港大窯灣碎石地基的靜荷載試驗(yàn)曲線;
圖6為青?；ㄍ翜消}漬土地基振動響應(yīng)曲線;
圖7為青?；ㄍ翜消}漬土地基靜荷載試驗(yàn)曲線;
圖8為懷北礦石料倉碎石樁復(fù)合地基振動響應(yīng)曲線;
圖9為懷北礦石料倉碎石樁復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)曲線。
上述動靜關(guān)系的建立，現(xiàn)結(jié)合圖1闡明如下地基土的動剛度必須通過荷載板(或稱基礎(chǔ)板)來測定，但由此測得的地基剛度與荷載板的面積、剛性大小以及形狀都有關(guān)系(形狀影響較小)，不是個定值，而地基土的變形模量和承載力都是定值，反映土的好壞。這樣兩者就無法直接建立關(guān)系，現(xiàn)有技術(shù)至今沒有解決這個問題，上述“動測地基承載力裝置”如不能解決這個問題，該裝置也無法應(yīng)用，所以，只能每動測一次，相應(yīng)地做一次靜荷載試驗(yàn)。
本申請人根據(jù)多年的動靜試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在剛性荷載板下，測出來的地基土的單位面積動剛度(K/F)有如圖1所示的變化曲線，即當(dāng)荷載板面積F≥10m2時，地基土的單位面積動剛度(K/F)趨于定值(K10/F10)。這樣就可以與土的變形模量或承載力建立相關(guān)關(guān)系，即K10/F10＝2β0E0(β0與土的類別有關(guān)，E0為地基變形模量)。
由上所述，要通過動測確定地基變形模量或承載力，第一，需要通過一個剛性荷載板，這一點(diǎn)現(xiàn)場可以實(shí)現(xiàn)，即保證板為剛性的任何材料，如混凝土或鋼材均可;第二，荷載板的面積應(yīng)大于或等于10m2，這在現(xiàn)場就很難實(shí)現(xiàn)，而且大大降低了動測的意義。但是根據(jù)上述變化曲線可以在現(xiàn)場用小面積(F)的荷載板進(jìn)行試驗(yàn)，將其結(jié)果(K)修正到面積為F10即10m2的荷載板時的動剛度K10即可。這個公式即圖1的曲線K10＝2KF10/(F+
)與K10/F10＝2β0E0比較，最終得
E0=Kβ0F(1+F10/F)]]>由此便順利解決了用動測方法確定地基變形模量或承載力的工程技術(shù)難題。
本法與現(xiàn)有技術(shù)相比，本法的優(yōu)點(diǎn)是明顯的，只需用小面積的荷載板做現(xiàn)場動力試驗(yàn)，即能確定地基變形模量和容許承載力而不用做費(fèi)時費(fèi)錢的靜荷載試驗(yàn)。由于方法簡便，可在現(xiàn)場進(jìn)行多點(diǎn)測試，提供場地地基承載力和變形模量的統(tǒng)計(jì)值，從而比少量靜荷載試驗(yàn)更能反映場地實(shí)際情況，消除因選點(diǎn)偶然性產(chǎn)生的因素，為地基設(shè)計(jì)計(jì)算和人工地基質(zhì)量檢驗(yàn)提供可靠依據(jù)。
用現(xiàn)場混凝土板或預(yù)制混凝土板做荷載板時，其形狀為方形，圓形也可。其底面面積應(yīng)≥0.25m2，厚度≥0.15m，寬厚比或直徑與厚度之比＜4，這樣可保證其剛性。
這一方法不僅可用于天然地基，也可用于人工地基，如碎石樁、擠密砂樁，灰土樁等復(fù)合地基以及強(qiáng)夯后的地基。本發(fā)明經(jīng)在鞍鋼燒結(jié)廠、青海石油基地、大連港大窯灣、懷北礦倉等工程以及一些民用建筑工程中實(shí)際應(yīng)用證明，效果較好，與靜載試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，已被冶金工業(yè)部工程質(zhì)量監(jiān)督總站批準(zhǔn)為檢驗(yàn)地基的合法手段。
實(shí)施例一鞍鋼燒結(jié)廠為礦渣地基，其中三燒廠配電室礦渣厚度為3.8m，經(jīng)推土機(jī)碾壓并以3t錘，3m落距夯實(shí);1號庫礦渣厚度2.6m，分層回填夯實(shí)三遍。
測試所用的儀器設(shè)備與共振法試樁相同。采用穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫激振，通過信號發(fā)生器，輸出一可變頻率的正弦信號，經(jīng)功率放大器，由電磁激振器將一正弦激振力作用于荷載板的中心，使荷載板產(chǎn)生相應(yīng)的正弦振動。(當(dāng)用自由振動激振如手錘敲擊荷載板中心時，則荷載板將產(chǎn)生衰減的自由振動)。荷載板產(chǎn)生的振動，均可通過安裝在荷載板頂面的傳感器測得，信號經(jīng)放大后，輸入分析記錄儀即可。以下實(shí)施例也與此相同。本例的荷載板為現(xiàn)澆混凝土板，長寬各為0.5m，厚為0.25m。測得其響應(yīng)曲線及其共振頻率fn(圖2)按前述公式，取β0＝0.6，計(jì)算出這兩工程地基的變形模量E0分別為35.6MPa和24.4MPa。按規(guī)范規(guī)定取[S]＝0.01B(B即為本申請所說的荷載板寬度d，下同)。取μ＝0.35，則得地基的容許承載力fK分別為0.44MPa和0.30MPa。
為檢驗(yàn)本法的可靠性，在現(xiàn)場做了靜荷載試驗(yàn)，現(xiàn)場的靜荷載試驗(yàn)結(jié)果(圖3)表明，兩個工程的E0分別為36.8MPa和24.3MPa;承載力fK分別為0.46MPa和0.31MPa，與上述動測結(jié)果吻合較好。
實(shí)施例二大連港大窯灣一期工程是建在破碎石料填海的地基上，并采用強(qiáng)夯加固，為檢驗(yàn)強(qiáng)夯的效果，應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行大量動力測試，并有少量靜荷載試驗(yàn)驗(yàn)證。如車庫區(qū)，采用預(yù)制混凝土荷載板，長、寬各為1m，厚為0.5m，按上述同樣方法，測得其夯前和夯后的動力響應(yīng)曲線(圖4)。根據(jù)所測得的共振頻fn為41Hz(夯前)和58Hz(夯后)，取β0＝1.5，分別計(jì)算出強(qiáng)夯前后地基的變形模量E0分別為12.4MPa和26MPa。并按規(guī)范規(guī)定，取容許沉降量[S]＝0.01B＝10mm，并取泊松比μ＝0.3，求得相應(yīng)夯前和夯后的承載力fK為0.155MPa和0.325MPa。
現(xiàn)場的靜荷載試驗(yàn)(圖5)表明，夯前及夯后的E0為1.44MPa和23.2MPa，fK為0.18MPa和0.29MPa。
實(shí)施例三青海石油基地花土溝老鉆井隊(duì)的鹽漬土地基，分別進(jìn)行了浸水前后的動和靜的現(xiàn)場檢驗(yàn)。采用的現(xiàn)澆混凝土荷載板，長、寬各為0.5m，厚為0.35m。用動測方法測得其浸水前后的響應(yīng)曲線(圖6)，根據(jù)所測得的共振頻率fn，取浸水前后的β0分別為0.5和1，計(jì)算出浸水前后的E0分別為79.9MPa和17MPa;取μ＝0.3，得浸水前后fK分別為0.4MPa([S]＝2mm)和0.21MPa([S]＝5mm)。
該場地的靜荷載試驗(yàn)曲線(圖7)表明，該鹽漬土地基在浸水前后的E0為94MPa和22MPa;fK分別為0.42MPa(因試驗(yàn)只加載至0.4MPa，故取[S]＝2mm水平線與靜荷載試驗(yàn)曲線的延長線相交求得)和0.275MPa([S]＝5mm)。
實(shí)施例四懷北礦石料倉采用碎石樁復(fù)合地基，基礎(chǔ)下的碎石樁加固深度為11m，加固深度范圍內(nèi)的土為輕亞粘土、亞粘土和礫砂等組成，樁徑為430mm。動測所采用的荷載板為圓形的現(xiàn)澆混凝土板，直徑有兩種，即1.24m和0.95m，厚度為0.5m，將混凝土澆于碎石樁頂面，并復(fù)蓋部分原土，測得兩處的響應(yīng)曲線及共振頻率fn(圖8)。將fn值代入推薦的公式，取β0＝1.2，算得復(fù)1和復(fù)2兩處的地基變形模量E0分別為22.6MPa和30.7MPa，并取[S]＝0.01d和μ＝0.3，即得fK分別為0.32MPa和0.43MPa。
靜荷載試驗(yàn)不是在動測點(diǎn)上進(jìn)行的，而另在試驗(yàn)樁上進(jìn)行，試驗(yàn)碎石樁的直徑較工程樁大，約為d＝490mm，荷載板直徑為1.26m，試驗(yàn)曲線為圖9，由圖9可求得E0為31.4MPa和66.5MPa;fK為0.37MPa和0.63MPa，均較動測值高，這是合理的。
權(quán)利要求
1.地基變形模量和承載力的動測方法，包括對激振系統(tǒng)施加激振力并量測其動態(tài)反應(yīng)數(shù)據(jù)，其特征在于a對底面與欲測地基上完全接觸的剛性荷載板施加穩(wěn)態(tài)掃頻激振力或瞬態(tài)沖擊激振力；b測定荷載板的振動速度頻域響應(yīng)曲線，或位移時域響應(yīng)曲線，得到彈性剛度K；c該彈性剛度K與靜荷載試驗(yàn)的地基變形模具E0及地基容許承載力fk有下列關(guān)系，即E0=Kβ0F(1+F10/F)]]>fk=4K[S]πd(1-μ2)β0F(1+F10/F)]]>式中β0-與地基土性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)(取0.4～1.6)；F-荷載板實(shí)際面積；F10-荷載板基準(zhǔn)面積(取10m2)；μ-土的泊松比；d-荷載板的寬度或直徑；[S]-規(guī)范規(guī)定的容許沉降量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的方法，其特征是所說的荷載板為現(xiàn)澆或預(yù)制的混凝土塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所說的方法，其特征是荷載板的形狀為方形或圓形，其底面積≥0.25m2，厚度≥0.15m，寬厚比或直徑與厚度之比＜4。
全文摘要
地基變形模量和承載力的動測方法。對底面與地基土完全接觸的剛性荷載板(現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土板均可)施加穩(wěn)態(tài)掃頻激振力或瞬態(tài)沖擊激振力，測其響應(yīng)曲線得到彈性剛度K，再與靜荷載試驗(yàn)的地基變形模量E
文檔編號E02D33/00GK1055405SQ9110295
公開日1991年10月16日 申請日期1991年5月9日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月9日
發(fā)明者徐攸在 申請人:冶金工業(yè)部建筑研究總院, 北京市海淀區(qū)中科工程技術(shù)應(yīng)用研究所