[发明专利]一种基于挤密效果的加固测试与优化方法

摘要

本发明公开了一种基于挤密效果的加固测试与优化方法，该方法是通过钻孔，向钻孔内设置土压力盒以及利用夯锤对钻孔内的土进行夯击，以优化夯锤形状和夯击次数。本发明通过土压力盒测定桩周稳定挤密力和桩底挤密力，解决了如何测定夯锤挤密效果的问题；通过挤密力、土的压实系数、夯击能之间的关系，提出了优化夯锤形状、夯击次数和夯锤落距的方法，解决了何种形状夯实工具在最小击实能下获得最优夯实效果的问题；建立了桩身压实系数与微型贯入仪之间的关系，提出了贯入阻力测定桩身压实系数的方法，减小了对夯击桩的扰动，减小夯击过程的能量损失。根据击实能最小及夯击次数超过某击次挤密力基本不增长原则，提出了适合既有铁路最优化组合。

主权项

1.一种基于挤密效果的加固测试与优化方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：(1)试验模型设计挤密桩依靠在既有铁路路基中钻孔一、并向孔一内充填水泥土、以及使用夯锤夯实形成，挤密桩在夯锤作用下发生密实，同时向两侧挤密桩周的原有土体，孔一内每30cm夯实一层，其具有重复性，仅选择最下一层作为研究对象；(1.1)钻孔设计：钻直径为25cm、深度为60cm的9个间距大于1m的孔一，各孔一内虚铺厚度为40cm、重量为35kg的水泥土；(1.2)夯锤形状设计：设计直径均为24cm的锤底形状为平底、球底和锥底三种夯锤，夯锤重量为20kg；(1.3)土压力盒布置设计：在孔一的直径方向两侧分别钻一个直径为9cm的孔二，两个孔二对称布置，孔二距离孔一底部15cm高度，在孔一的底部中心和两个孔二的底部中心均分别放置有一个直径为8cm、高度为2cm的土压力盒，并用泥土对孔二进行封堵，各土压力盒通过穿出泥土外的测试数据线连接至动静态应变分析系统，动静态应变分析系统连接至显示终端；(1.4)夯击参数设计：夯锤底到挤密桩桩面之间的夯锤落距选用30cm、60cm和90cm三种情况，夯锤选用平底夯锤、球底夯锤和锥底夯锤三种情况，分别测定5、10、20、30、40次夯击次数的桩底挤密力与桩身贯入阻力；(2)数据采集与整理(2.1)挤密力数据采集：利用夯锤夯击孔一内的水泥土，对土压力盒产生挤密力，土压力盒将接收的挤密力通过测试数据线传输给动静态应变分析系统，并通过显示终端显示；(2.2)桩身压实系数数据采集与标定方法：在夯击5、10、20、30、40次后，在桩顶面使用微型贯入仪进行均匀贯入，并记录峰值时的贯入阻力，每次夯击测定6个测试点，贯入时分6个区域进行，下次测试点离开上次测试点3cm以上；贯入阻力与桩身压实系数关系标定：在最优含水率下配制水泥土试样，在轻型击实筒内放入1.8kg混合料，分三层击实，对于不同的试样每层分别击实总次数为5、10、15、20、25、30、35、40次，对每一组夯击后分别测定贯入阻力，然后用推土器推出试样用环刀法测定试样的密度、含水率，计算试样的干密度，其计算公式如式(1)所示：式中：ρd—各击次下的干密度ρ—各击次下用环刀法测定试样的密度w—击实试样的含水率，以百分数计。贯入仪贯入阻力单位是N，压实系数是试样干密度与最大干密度的比值，其计算公式如式(2)所示：式中ρdmax—最大干密度对不同击实次数下试样进行测定贯入阻力，同时测定试样的干密度，并计算桩身的压实系数K，压实系数K与贯入阻力F存在乘幂函数关系，数学表达关系式如式(3)所示：K＝28.917F0.2635  (3)(3)基于挤密力二元优化方法(3.1)挤密力与夯锤落距、夯击次数都呈对数函数关系,夯击次数超过30击后挤密力增加幅度较小，因此夯击次数不宜超过30击，挤密力与夯锤落距、夯击次数的关系如式(4)所示：P＝Alog(N)+Blog(D)+C  (4)式(4)中，P为夯锤在桩底或桩侧产生的挤密力；N为夯击次数(次)；D为夯锤落距(cm)；Log为以10为底的对数函数；利用Excel的回归分析功能，得到桩底和桩侧挤密力的表达式分别如式(5)和式(6)所示：P＝92.309log(N)+41.729log(D)+77.895  (5)P＝110.212log(N)+47.880log(D)+16.338  (6)(3.2)根据微型贯入仪标定的数据，可以得到某落距和某夯击次数的桩身压实系数K，也利用Excel的回归分析功能，得到桩身压实系数与夯锤落距、夯击次数的函数关系式如(7)所示：K＝23.729log(N)+10.301log(D)+41.963  (7)(4)优化方法(4.1)基于挤密力的夯锤形状优化：以三种夯锤采用30cm落距，30夯击次数为例，根据挤密力进行优化。①底部挤密力：平底锤的挤密力为295.31kPa,球底锤的挤密力为247.94kPa,锥底锤280.15kPa；设平底锤桩底挤密力设为1，则圆底锤为平底锤的84％，锥底锤为平底锤95％。②桩侧挤密力：平底锤209.32kPa,球底锤223.97kPa,锥底锤247.05kPa；设平底锤桩侧挤密力为1，则球底锤为平底锤的108％，锥底锤为平底锤的116％。根据以上数据如果仅夯实桩身，优选平底锤；如果挤密桩周土体，优选锥底锤；既有铁路不但要加强桩身密实度，同时还要挤密桩周土体，从而提高承载力，因此选平底锤适宜，把圆底锤和锥底锤比较，锥底锤的桩底挤密力和桩侧挤密力均好于圆底锤，因此锥底锤较圆底锤好，宜优选；(4.2)基于桩身压实系数与夯击能的夯击次数与夯锤落距的优选：当夯击次数超过30击后挤密力增加幅度较小，因此夯击次数不宜超过30击，施工优化的目的是用最小的夯击能来达到规定的桩体压实系数，夯击能计算见式(8)：m为夯锤质量，kg；W为桩体每层达到压实系数97％时的夯击能，N.m。