饱和土地基变形特性参数测量方法及设备

1.本公开主要应用于饱和土地基施工时对地基土力学性能参数的测量，特别涉及一种饱和土地基变形特性参数测量方法及设备。


背景技术：

2.桩基础是饱和土地基施工常用的处理方式之一。而锤击桩由于施工简单、施工质量易控制、工期短、在相同土层地质条件下单桩承载力最高、造价低等优点，是高层建筑桩基础施工中常用的桩型之一。锤击桩作为一种利用各种桩锤(包括落锤液压锤、穿心锤等)的反复跳动冲击力和桩体的自重将桩体沉到设计标高的一种施工方法，在施工过程中随着锤击次数的增加，管桩底部不断深入土层，提供了大量地层信息的测试数据，但并未得到充分利用。
3.另一方面，桩基础施工前需要对工程现场进行勘查，由于实际地层情况复杂，常用的勘查手段往往难以涵盖全部地质情况。工程中常用的地质勘查，采用现场抽样方式，在代表性区域内选点开展勘查工作，不能反映现场区域的全部地质条件。由于选点的随机性，依据抽样地质勘查结果的设计施工方案往往与实际情况不符，给现场施工造成困难，甚至造成较大安全事故。但由于成本及工期问题，现有地质勘查手段难以对全部工程现场开展完整勘查。因此需要发展成本低廉、可操作性强、勘查范围广的工程现场勘查手段。


技术实现要素：

4.本公开旨在解决上述问题之一。
5.为此，本公开第一方面实施例提供的成本低廉、可操作性强、适用范围广的饱和土地基变形特性参数测量方法，包括：
6.基于已有的各类土质的地基勘测数据，确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系；
7.在施工地基上测量每次锤击时的桩顶沉降量；
8.在施工地基上测量每次锤击时的桩端土压力和水压力；
9.根据每次锤击时的所述桩端土压力和水压力和管桩的底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载；
10.根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和所述桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度；
11.根据所述施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。
12.本公开第一方面实施例提供的饱和土地基变形特性参数测量方法，具有以下特点及有益效果：
13.1)实现对施工现场地基的全面勘查，避免抽样勘查不具有代表性的问题；
14.2)在施工过程中完成地基土的变形特性参数测试，减少前期勘查时间；
15.3)利用现有施工装置进行测试，成本低、可靠性强；
16.4)测量参数多，可在现有管桩锤击系统上安装不同传感器以实现土体压缩模量等多种土体变形特性参数的测量。
17.在一些实施例中，所述地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系为二次曲线。
18.在一些实施例中，各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系可以通过以下步骤得到：
19.在已经进行勘察得到地基土压缩模量e的地基上进行管桩施工，记录每次锤击时的桩顶沉降量和桩端土压力，根据每次锤击时的桩端土压力和管桩的底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载，根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和桩顶沉降量计算地基刚度k，采用下式对地基土压缩模量与地基刚度的函数关系进行二次曲线拟合，以确定该二次曲线：
20.e＝a
·
k2+b
·
k+c
21.其中，a，b，c为所述二次曲线拟合的系数。
22.在一些实施例中，通过刚度系数法得到各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系。
23.在一些实施例中，所述在施工地基上测量每次锤击时的桩顶沉降量包括：
24.在桩锤底部不与锤垫接触的部分安装激光位移传感器；
25.记录每次锤击时激光从发射到返回的时间；
26.根据下式计算每次锤击时的桩顶沉降量：
[0027][0028]
其中，s
n+1
为第n+1次锤击时的桩顶沉降量；v0为光在空气中的传播速度；tn为第n次锤击时激光从发射到返回的时间。
[0029]
在一些实施例中，根据下式计算所述每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载：
[0030]fn
＝(p
n-un)a
[0031]
其中，fn为第n次锤击时测量的对桩端下方土体所施加的有效荷载；pn为第n次锤击时测量的桩端土压力；un为第n次锤击时测量的桩端水压力；a为管桩的底部面积。
[0032]
本公开第二方面实施例提供的饱和土地基变形特性参数测量设备，适于锤击管桩施工中饱和土地基的变形特性参数测量，所述饱和土地基变形特性参数测量设备包括：
[0033]
位移测量单元，包括在桩锤底部不与锤垫接触部分设置的激光位移传感器，用于测量每次锤击的桩顶沉降量；
[0034]
力测量单元，包括设置在管桩桩端的土压力和水压力传感器，用于测量每次锤击时桩端的土压力和水压力；和
[0035]
上位机，与所述位移测量单元和所述力测量单元连接，用于基于已有的各类土质的地基勘测数据确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系，根据在的施工地基上每次锤击时桩端土压力和水压力以及管桩的底部面积计算每次锤击对桩端土体所施加的有效荷载，根据每次锤击时对桩端土体所施加的的有效荷载和桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度，根据施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基
刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。
[0036]
本公开第二方面实施例提供的饱和土地基变形特性参数测量设备，具有以下特点及有益效果：本发明可以通过在饱和土地基施工的管桩上增加测量设备，实现通过管桩每次贯入深度确定土的压缩模量。它的优点在于：(1)测量参数多。在管桩锤击系统上安装激光位移传感器，测量每次锤击的桩顶沉降量，基于已有的标准贯入等试验原理，管桩在一定能量下的入土深度与该土层的压缩模量具有关联性，可以据此确定土体压缩模量。(2)可重复利用。用于确定土体压缩模量的激光位移传感器安装在管桩锤击系统上，不随管桩贯入而移动，可配合多根管桩实现重复利用。(3)适用性广，勘测范围广，适用于可进行锤击桩施工的多种土质、多种工况。(4)可靠性强，成本低，安装简便。本发明在现有饱和土地基施工的管桩上增加测量设备，通过在管桩内侧壁刻槽，将土压力和水压力传感器的供电及测量线安装其中，并引至地面与数采系统连接，利用简单装置实现高精度测量。(5)可操作性强，测量设备与施工设备互相独立，不影响正常施工流程，不增加额外施工环节。(6)原理简单明确，基于已有的标准贯入的试验原理，明确管桩在一定能量下的入土深度与该土层的压缩模量的关系，可据此确定土体压缩模量。(7)易于改造，可在本发明基础上添加不同传感器以开发新用途。
[0037]
在一些实施例中，在所述管桩内侧壁刻有线槽，所述土压力和水压力传感器的电源线和信号线放置在所述线槽中，并与所述上位机连接。
附图说明
[0038]
图1为本公开第二方面实施例提供的饱和土地基变形特性参数测量设备的结构的示意图。
[0039]
图中：1-桩锤、2-锤垫、3-激光位移传感器、4-管桩桩端、5-土压力和水压力传感器、6-上位机、7-钢丝绳、8-导向触探杆、9-激光、10-管桩桩顶、11-线槽、12-电源线和信号线。
具体实施方式
[0040]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本技术，并不用于限定本技术。
[0041]
相反，本技术涵盖任何由权利要求定义的在本技术精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本技术有更好的了解，在下文对本技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本技术。
[0042]
参见图1，本公开第一方面实施例提供的饱和土地基变形特性参数测量方法，适于锤击管桩施工中饱和土地基的变形特性参数测量，包括：
[0043]
基于已有的各类土质的地基勘测数据，确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系；
[0044]
在施工地基上测量每次锤击时的桩顶沉降量；
[0045]
在施工地基上测量每次锤击时的桩端土压力和水压力；
[0046]
根据每次锤击时桩端的土压力和水压力以及管桩的底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载；
[0047]
根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度(认为桩体自身不发生变形，故桩顶沉降量可代表桩端沉降量)；
[0048]
根据施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。
[0049]
通过本实施例提供的测量方法，可以获得管桩施工地基的变形特性参数，包括管桩施工地基的地基刚度和地基土压缩模量。此外，本实施例提供的测量方法还可以输出每次锤击时的桩端土压力和水压力以及桩顶沉降量等中间参数，根据这些中间参数可以计算其他的管桩施工地基的变形特性参数。
[0050]
在一些实施例中，各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系可以通过以下步骤得到：
[0051]
在已经进行勘察得到地基土压缩模量e的地基上进行管桩施工，记录每次锤击时的桩顶沉降量和桩端土压力，根据每次锤击时的桩端土压力和管桩的底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载，根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和桩顶沉降量计算地基刚度k，采用式(1)对地基土压缩模量与地基刚度的函数关系进行二次曲线拟合，以确定该二次曲线，采用的式(1)为：
[0052]
e＝a
·
k2+b
·
k+c
ꢀꢀꢀ
(1)其中，a，b，c为二次曲线拟合的系数。
[0053]
除通过以上步骤得到各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系外，还可通过刚度系数法等其他方法确定，具体地，通过现场振动试验确定地基刚度系数c，再乘以基础面积得到地基刚度k，然后通过式(1)对地基土压缩模量与地基刚度的函数关系进行二次曲线拟合，以确定该二次曲线。
[0054]
在一些实施例中，测量每次锤击的桩顶沉降量包括：
[0055]
为保证管桩在锤击过程中保持直立，选择穿心锤进行锤击，在穿心锤底部不与锤垫接触的部分安装激光位移传感器；
[0056]
记录每次锤击时激光从发射到返回的时间；
[0057]
根据式(2)计算每次锤击时的桩顶沉降量：
[0058][0059]
其中，s
n+1
为第n+1次锤击时的桩顶沉降量，n为从1开始计数的正整数，从第2次锤击开始根据差值计算桩顶沉降量；v0为光在空气中的传播速度，取v0＝3
×
108m/s；tn为第n次锤击时激光从发射到返回的时间，t
n+1
为第n+1次锤击时激光从发射到返回的时间。
[0060]
在一些实施例中，测量每次锤击时桩端的土压力和水压力是通过在管桩的桩端处安装的土压力传感器和水压力传感器测量得到。
[0061]
在一些实施例中，根据式(3)计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载：
[0062]fn
＝(p
n-un)a
ꢀꢀꢀ
(3)
[0063]
其中，fn为第n次锤击时测量的对桩端下方土体所施加的有效荷载；pn为第n次锤击时利用压力传感器测量的桩端的土压力；un为第n次锤击时利用压力传感器测量的桩端的
水压力；a为管桩的底部面积。
[0064]
在一些实施例中，根据式(4)计算施工地基的地基刚度：
[0065][0066]
其中，kn为第n次锤击时测量的施工地基的地基刚度。
[0067]
本公开第一方面实施例提供的饱和土力学特性测试方法，具有以下优点：
[0068]
1)实现对施工现场地基的全面勘查，避免抽样勘查不具有代表性的问题；
[0069]
2)在施工过程中完成地基土的力学特性测试，减少前期勘查时间；
[0070]
3)利用现有施工装置进行测试，成本低、可靠性强；
[0071]
4)测量参数多，可在现有管桩锤击系统上安装不同传感器以实现土体压缩模量等多种土体变形特性参数的测量。
[0072]
参见图1，本公开第二方面实施例提供的饱和土地基变形特性参数测量设备，适于锤击管桩施工中饱和土地基的变形特性参数测量，包括：
[0073]
位移测量单元，包括在桩锤1底部不与锤垫2接触部分设置的激光位移传感器3，用于测量每次锤击的桩顶沉降量；
[0074]
力测量单元，包括设置在管桩桩端4的土压力和水压力传感器5，用于测量每次锤击时桩端的土压力和水压力；和
[0075]
上位机6，与位移测量单元和力测量单元连接，用于基于已有的各类土质的地基勘测数据确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系，根据在施工地基上每次锤击时桩端的土压力和水压力以及管桩的底部面积计算每次锤击对桩端土体所施加的有效荷载，根据每次锤击时对桩端土体所施加的的有效荷载和桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度，根据施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。
[0076]
在一些实施例中，桩锤1通过钢丝绳7与起重器械连接，使桩锤1可以进行重复提拉、下落的步骤。利用桩锤1的反复跳动冲击力和桩体的自重，克服桩身的侧壁摩阻力和桩端土层的阻力，将桩体沉到设计标高。桩锤1的底部安装有锤垫2，以缓冲落锤的冲击作用。桩锤1沿穿心导向触探杆8移动，以保证桩锤1下落方向竖直。
[0077]
在一些实施例中，安装在桩锤1底部的激光传感器可3发射激光9，通过向管桩桩顶10发射激光9和激光9碰到管桩桩顶10后返回所需要的时间，通过式(2)确定每次锤击的桩顶沉降量。
[0078]
在一些实施例中，在管桩内侧壁刻有线槽11，土压力和水压力传感器5的电源线和信号线12放置在线槽11中，并引至地面与上位机连接，可实现锤击时桩端的土压力和水压力的实时测量，且可保护土压力和水压力传感器5的电源线和信号线不受损坏。
[0079]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0080]
尽管已经示出和描述了本公开的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本公开的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本公开的范围由权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种饱和土地基变形特性参数测量方法，其特征在于，适于锤击管桩施工中饱和土地基的变形特性参数测量，所述饱和土地基变形特性参数测量方法包括：基于已有的各类土质的地基勘测数据，确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系；在施工地基上测量每次锤击时的桩顶沉降量；在施工地基上测量每次锤击时的桩端土压力和水压力；根据每次锤击时的所述桩端土压力和水压力和管桩的底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载；根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和所述桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度；根据所述施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。2.根据权利要求1所述的饱和土地基变形特性参数测量方法，其特征在于，所述地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系为二次曲线。3.根据权利要求1所述的饱和土地基变形特性参数测量方法，其特征在于，各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系可以通过以下步骤得到：在已经进行勘察得到地基土压缩模量e的地基上进行管桩施工，记录每次锤击时的桩顶沉降量和桩端土压力，根据每次锤击时的桩端土压力和管桩的底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载，根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和桩顶沉降量计算地基刚度k，采用下式对地基土压缩模量与地基刚度的函数关系进行二次曲线拟合，以确定该二次曲线：e＝a
·
k2+b
·
k+c其中，a，b，c为所述二次曲线拟合的系数。4.根据权利要求1所述的饱和土地基变形特性参数测量方法，其特征在于，通过刚度系数法得到各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系。5.根据权利要求1所述的饱和土地基变形特性参数测量方法，其特征在于，所述在施工地基上测量每次锤击时的桩顶沉降量包括：在桩锤底部不与锤垫接触的部分安装激光位移传感器；记录每次锤击时激光从发射到返回的时间；根据下式计算每次锤击时的桩顶沉降量：其中，s
n+1
为第n+1次锤击时的桩顶沉降量；v0为光在空气中的传播速度；t
n
为第n次锤击时激光从发射到返回的时间。6.根据权利要求1所述的饱和土地基变形特性参数测量方法，其特征在于，根据下式计算所述每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载：f
n
＝(p
n-u
n
)a其中，f
n
为第n次锤击时测量的对桩端下方土体所施加的有效荷载；p
n
为第n次锤击时测量的桩端土压力；u
n
为第n次锤击时测量的桩端水压力；a为管桩的底部面积。
7.一种饱和土地基变形特性参数测量设备，其特征在于，适于锤击管桩施工中饱和土地基的变形特性参数测量，所述饱和土地基变形特性参数测量设备包括：位移测量单元，包括在桩锤底部不与锤垫接触部分设置的激光位移传感器，用于测量每次锤击的桩顶沉降量；力测量单元，包括设置在管桩桩端的土压力和水压力传感器，用于测量每次锤击时桩端的土压力和水压力；和上位机，与所述位移测量单元和所述力测量单元连接，用于基于已有的各类土质的地基勘测数据确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系，根据在的施工地基上每次锤击时桩端土压力和水压力以及管桩的底部面积计算每次锤击对桩端土体所施加的有效荷载，根据每次锤击时对桩端土体所施加的的有效荷载和桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度，根据施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。8.根据权利要求7所述的饱和土地基变形特性参数测量设备，其特征在于，在所述管桩内侧壁刻有线槽，所述土压力和水压力传感器的电源线和信号线放置在所述线槽中，并与所述上位机连接。

技术总结
本公开提供的饱和土地基变形特性参数测量方法及设备，适于锤击管桩施工中饱和土地基的变形特性参数测量，包括：基于已有的各类土质的地基勘测数据，确定各类土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系；在施工地基上测量每次锤击时的桩顶沉降量；在施工地基上测量每次锤击时的桩端土压力；根据每次锤击时的桩端土压力、水压力和管桩底部面积计算每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载；根据每次锤击对桩端下方土体所施加的有效荷载和桩顶沉降量计算施工地基的地基刚度；根据施工地基的地基刚度以及确定的相应土质的地基土压缩模量与地基刚度间的函数关系得到施工地基的土压缩模量。本公开成本低廉、可操作性强且适用范围广。范围广。范围广。


技术研发人员：邓敏维 陈天翼 牟太平 罗方悦 梁铎强 张嘎 张力嘉 章志新
受保护的技术使用者：广东阳茂高速公路有限公司 清华大学
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/7