确定有效加固范围的评价指标的方法及装置

技术领域

本申请涉及土木工程相关技术领域，尤其涉及一种确定有效加固范围的评价指标的方法及装置。

背景技术

强夯法加固地基的方法是将填料分层铺筑，利用重锤从预定高度下落对土体进行分层夯击，土体受到冲击作用，以夯击点为中心形成不同程度的挤密区。有效加固范围是确定填料松铺厚度、夯击点间距的核心参数，也是强夯加固质量控制和表征土体动力响应的重要理论指标。

现阶段有效加固范围的研究主要集中在加固深度方面。参见公式(1)，利用修正系数c对夯击能MH进行折减，最后得到有效加固深度d。

公式(1)中，夯击能MH为自变量，有效加固深度d为因变量，根据唯一性原则可知，在自变量MH相同的情况下，应得到唯一的因变量d。然而，大量试验表明，夯击能MH相同时，“重锤低落(M大H小)”和“轻锤高落(M小H大)”两种夯击方式得到的有效加固深度d并不相同，因此，利用夯击能MH作为有效加固范围的评价指标并不准确，其并未揭示夯锤重力M和落距H对土体的加固机理。

因此，如何提供一种有效加固范围的评价指标及其获取方法，以揭示强夯过程中夯锤重力M和落距H对土体的加固机理，成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种确定有效加固范围的评价指标的方法，其能够解决现有利用夯击能MH作为有效加固范围的评价指标不能准确地揭示夯锤重力M和落距H对土体的加固机理的问题。

另一目的还在于提供一种确定有效加固范围的评价指标的装置。

第一方面，本申请实施例提供一种确定有效加固范围的评价指标的方法，其包括：

构建强夯加固地基机理试验模型，并在强夯加固地基机理试验模型中开展多组强夯试验；

在每组试验中，选取α和MH

不同组试验所对应的α和MH

查找每组试验中多种夯击方式对应的有效加固深度是否相同，若相同，则该组试验对应的MH

在一种可能的实施方案中，构建强夯加固地基机理试验模型包括：

分层铺筑试验土样，并在相邻两层试验土样之间设置染色土样作为标记层；

设置用于采集试验土样内部动应力参数的采集点；

引入数字成像设备，调整数字成像设备的成像范围，该成像范围需满足数字成像设备记录标记层的位置变化。

在一种可能的实施方案中，在设置用于采集试验土样内部动应力参数的采集点之前，分层铺筑试验土样，并在相邻两层试验土样之间设置染色土样作为标记层之后，还包括：

引入马氏瓶，马氏瓶与试验土样形成U型过水通道；调整马氏瓶中水位以使马氏瓶中水位与试验土样中水位一致。

在一种可能的实施方案中，每种夯击方式的试验过程包括：

在夯锤上设置加速度传感器，加速度传感器用于获取夯锤加速度时程；

夯锤自对应的落距处自由下落对同一夯击点进行多次夯击过程；

同一夯击点的相邻两次夯击过程中，若该夯击点的夯沉量小于预设值，该夯击方式的试验结束。

在一种可能的实施方案中，获取每种夯击方式所对应的有效加固深度包括：

采集每种夯击方式中的土体动力响应信息；土体动力响应信息包括试验土样内部动应力参数、标记层的位置变化和夯锤加速度时程；

根据土体动力响应信息获取每种夯击方式所对应的有效加固深度。

在一种可能的实施方案中，在根据土体动力响应信息获取每种夯击方式所对应的有效加固深度的步骤中，根据标记层的位置变化获取每种夯击方式中经多次夯击后的试验土样位移场；根据试验土样位移场确定出每种夯击方式所对应的有效加固深度。

在一种可能的实施方案中，在不同组试验所对应的α和MH

第二方面，本申请实施例提供一种确定有效加固范围的评价指标的装置，该装置按照上述确定有效加固范围的评价指标的方法确定有效加固范围的评价指标；该装置包括：

试样箱，配置有多层试验土样，相邻两层试验土样之间设置标记层；试样箱的一个侧面为透明侧面；

多个不同质量的夯锤，其质心的两侧均设有通孔；

导向机构和吊装机构，吊装机构用于将夯锤移动至预设高度；导向机构包括两个导向滑杆，用于在夯锤穿设于该导向滑杆并从预设高度自由下落时对夯锤的下落路径导向；

数据采集机构，包括动应力传感器、数字成像设备及加速度传感器；动应力传感器用于采集每种夯击方式中试验土样内部动应力参数；数字成像设备用于记录每种夯击方式中标记层的位置变化；加速度传感器用于获取夯锤加速度时程。

在一种可能的实施方案中，该装置还包括马氏瓶，该马氏瓶与试样箱其中一个侧面连通并构成U型过水通道。

与现有技术相比，本申请的有益效果：

本申请提供了一种确定有效加固范围的评价指标的方法，利用该方法能够确定出有效加固范围的新评价指标，该评价指标唯一时，其对应的有效加固深度唯一，因此该评价指标能够揭示夯锤重力M和落距H对土体的加固作用机理并对现行规范提供实质改进意见。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种确定有效加固范围的评价指标的方法的示意图；

图2为根据本申请实施例示出的一种确定有效加固范围的评价指标的装置的正视图；

图3为根据本申请实施例示出的一种确定有效加固范围的评价指标的装置的右视图；

图4为根据本申请实施例示出的一种不同夯击方式所对应的夯锤重力M、落距H及MH

图5为根据本申请实施例示出的一种夯锤的仰视图。

图示说明：

10试样箱；11出水孔；12监测孔；20夯锤；21通孔；22螺杆；30导向机构；31导向滑杆；32升降支架；40吊装机构；41磁铁；42钢丝绳；43电机；44滑轮；45钢丝绳转筒架；50数据采集机构；51动应力传感器；52数字成像设备；53孔隙水压力传感器；54湿度传感器；60马氏瓶；70服务器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请具体实施方式的技术方案作进一步详细说明，这些实施方式仅用于说明本申请，而非对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“顶部”、“底部”、“上”和“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

根据本申请的一个方面，提供了一种确定有效加固范围的评价指标的方法。参见图1，该方法包括以下步骤：

S1、构建强夯加固地基机理试验模型，并在强夯加固地基机理试验模型中开展多组强夯试验。

在一种实施方式中，构建强夯加固地基机理试验模型包括以下步骤：

步骤一、分层铺筑试验土样，并在相邻两层试验土样之间设置染色土样作为标记层。每层试验土样的厚度优选为10cm。

步骤二、设置用于采集试验土样内部动应力参数的采集点。

在试验土样上预设一个夯击点，在该夯击点下方的试验土样的水平方向和高度方向上埋设多个动应力传感器，该夯击点附近的动应力传感器之间的布置密度要大于远离该夯击点的动应力传感器之间的布置密度。该动应力传感器用于采集试验土样不同位置的动应力参数，根据该动应力参数能够获取后续夯击过程中及夯击后试验土样内部的动应力传播及耗散信息。

步骤三、引入数字成像设备，调整数字成像设备的成像范围，该成像范围需满足数字成像设备记录标记层的位置变化。

数字成像设备的基本原理为：首先，利用该数字成像设备记录每一标记层位置分布情况，形成颗粒初始位置图像。然后，在后续每次夯击完成后，利用该数字成像设备记录每一标记层的位置变化，形成变形后的位置图像。将变形后的位置图像与颗粒初始位置图像进行比较，分析夯击前后标记层位置变化，并获取每层试验土样的位移变化和试验土样位移场信息。汇总每次夯击试验土样位移场信息得到多次夯击后试验土样位移场。

调整数字成像设备的成像范围，使数字成像设备的成像范围对准上述夯击点所对应的试验土样位置，以使该数字成像设备记录标记层的位置变化。

较佳地，在步骤二设置用于采集试验土样内部动应力参数的采集点之前，步骤一分层铺筑试验土样，并在相邻两层试验土样之间设置染色土样作为标记层之后，还包括：

引入马氏瓶，该马氏瓶与试验土样形成U型过水通道；调整马氏瓶中水位以使马氏瓶中水位与试验土样中水位一致。该U型过水通道用于模拟地下水位，在后续夯击过程中，试验土样中的水从试验土样中排出，根据该试验土样的排水量以及有效应力原理，确定整个试验土样的塑性变形量。

S2、在每组试验中，选取α和MH

在一种实施方式中，在每组试验中，根据当α取值为定值时“MH

较佳地，夯锤由多个直径相同的半圆形钢片堆叠而成，调节半圆形钢片的数量即可调整夯锤的质量，进而调整夯锤的重力。半圆形钢片的半径可选为100mm，厚度可选为10mm。

每种夯击方式的试验过程包括以下步骤：

在夯锤上设置加速度传感器，加速度传感器用于获取夯锤加速度时程。根据该夯锤加速度时程能够进一步明确夯锤位移、夯击动应力时程特性。

夯锤自对应的落距H处自由下落对同一夯击点进行多次夯击过程。

同一夯击点的相邻两次夯击过程中，若该夯击点的夯沉量小于预设值，该夯击方式的试验结束。该夯击点的夯沉量小于预设值中的预设值可选为20mm。

在一种实施方式中，获取每种夯击方式所对应的有效加固深度包括以下步骤：

采集每种夯击方式中的土体动力响应信息；土体动力响应信息包括试验土样内部动应力参数、标记层的位置变化和夯锤加速度时程。

根据土体动力响应信息获取每种夯击方式所对应的有效加固深度。具体地，根据标记层的位置变化获取每种夯击方式中经多次夯击后的试验土样位移场，进而根据该试验土样位移场确定出每种夯击方式所对应的有效加固深度。

S3、不同组试验所对应的α和MH

S4、查找每组试验中多种夯击方式对应的有效加固深度是否相同，若相同，则该组试验对应的MH

例如，以图4的每个试验组为例说明，α的取值为0.25时，该组多种夯击方式中的有效加固深度不相同；α的取值为0.3时，该组多种夯击方式中的有效加固深度不相同；α的取值为0.5时，该组多种夯击方式中的有效加固深度相同；α的取值为1时，该组多种夯击方式中的有效加固深度不相同。

由于α的取值为0.5时，该组多种夯击方式中的有效加固深度相同，即多种夯击方式中的夯击效果相同，则该组试验所对应的MH

根据本申请的一个方面，提供了一种确定有效加固范围的评价指标的装置。该装置按照上述实施例中确定有效加固范围的评价指标的方法确定有效加固范围的评价指标。

参见图2和图3，该装置包括试样箱10、多个不同质量的夯锤20、导向机构30和吊装机构40以及数据采集机构50。

试样箱10内部配置有多层试验土样，相邻两层试验土样之间设置标记层。试样箱10为顶部开口的立方体结构，且其中一个侧面为透明侧面，该透明侧面用于观察试验土样的变形情况。试样箱10的尺寸为1.0m×0.5m×1.0m。例如，该透明侧面可由透明钢化玻璃制成，其他非透明侧面及底面可由铝合金板制成。在非透明侧面设置一层阻尼橡胶层，该阻尼橡胶层用于在夯击试验土样时避免冲击波反射的干扰。

试验箱10的其中一个侧面连接有马氏瓶60，该马氏瓶60与试样箱10构成U型过水通道，调整马氏瓶60中水位以调整试验土样中水位。该U型过水通道用于模拟地下水位，在后续夯击过程中，试验土样中的水从试验土样中排出，根据该试验土样的排水量以及有效应力原理，确定整个试验土样的塑性变形量。具体地，试验箱10左侧面的下侧设置有出水孔11，该出水孔11与马氏瓶60连接。

参见图5，夯锤20由多个直径相同的半圆形钢片堆叠而成，调节半圆形钢片的数量即可调整夯锤20的质量，进而调整夯锤20的重力。半圆形钢片的半径可选为100mm，厚度可选为10mm。由巴普斯定理可知，质心与圆心之间的距离为4R/3π，则在夯锤20半径为100mm时，该夯锤质心与夯锤圆心之间的距离为42.5mm。夯锤质心的两侧均设有通孔21，两个通孔21中心之间的距离为115mm。位于夯锤20最下方的半圆形钢片焊接有两根螺杆22，两根螺杆22分设在夯锤质心的两侧，用于防止夯锤20自由下落时由于偏心而发生偏转的情况。两根螺杆22中心之间的距离为155mm。

导向机构30包括两个导向滑杆31和升降支架32。该升降支架32与试验箱10的顶部连接，且升降支架32的高度可调整。例如，该升降支架32包括一个横板和四个纵板，四个纵板的一端固定在试样箱10上，另一端通过螺栓连接在横板的每个边角处，调节螺栓即可调节该升降支架32的高度。夯锤20通过其质心两侧的通孔穿设在两个导向滑杆31上，该导向滑杆31用于夯锤20从预设高度自由下落时对夯锤20的下落路径导向。

每个导向滑杆31均与横板连接，且其与横板的连接处均配置有一个导向环，该导向环的中心线与夯锤20上对应通孔的中心线重合，用于保证导向滑杆31在夯锤20自由下落过程中处于铅直状态，以及夯锤20在自由下落过程中不会发生自由扭转。通过调节该导向环即可调节导向滑杆31最底部的位置，保证导向滑杆31最底部的位置与试样箱10内试验土样之间的高度恰好为夯锤20厚度。

吊装机构40包括磁铁41、电机43、滑轮44以及与磁铁41连接的钢丝绳42。电机43和滑轮44均固定在横板上，钢丝绳42卷设在滑轮44上，其一端固定在钢丝绳转筒架45上，另一端与磁铁41连接。在电机43向磁铁41供电时，磁铁41吸住夯锤20，钢丝绳42将磁铁41和夯锤20移动至预设高度；在电机43不向磁铁41供电时，磁铁41将夯锤20从预设高度释放，使夯锤20在导向滑杆31的导向作用下自由下落。磁铁41选用为电磁铁ZYE-P80/38。

数据采集机构50包括多个动应力传感器51、数字成像设备52、加速度传感器、孔隙水压力传感器53以及湿度传感器54。多个动应力传感器51、数字成像设备52、加速度传感器、孔隙水压力传感器53以及湿度传感器54均与服务器70连接并将采集的数据传输给服务器70，服务器70用于对获取的数据进行分析。

多个动应力传感器51埋设在夯击点下方试验土样的水平方向和高度方向上，位于夯击点附近的动应力传感器51之间的布置密度要大于远离该夯击点的动应力传感器51之间的布置密度。该动应力传感器51用于采集每种夯击方式中试验土样不同位置的动应力参数，根据该动应力参数能够确定应力波的传播规律，进而获取后续夯击过程中及夯击后试验土样内部的动应力传播及耗散信息。

数字成像设备52与试验箱10距离预设距离，且数字成像设备52的成像范围对准上述夯击点所对应的试验土样位置，以使该数字成像设备52记录每种夯击方式中标记层的位置变化。对于每种夯击方式来说，分析夯击前后标记层位置变化，并获取每层试验土样的位移变化和试验土样位移场信息，汇总每次夯击试验土样位移场信息得到多次夯击后试验土样位移场。根据该试验土样位移场即可确定出该夯击方式所对应的有效加固深度。

加速度传感器设在夯锤20上，该加速度传感器用于在夯锤20自由下落时获取夯锤加速度时程。根据该夯锤加速度时程能够进一步明确夯锤位移、夯击动应力时程特性。

在试验箱10的左右两侧分别设置多个监测孔12，该监测孔12用于穿设导线，该导线连接孔隙水压力传感器53与服务器70。该孔隙水压力传感器53用于监测夯击试验土样时其内部孔隙水压的分布情况。

湿度传感器54用于获取试验土样的含水率以及饱和度。

动应力传感器51、数字成像设备52、加速度传感器、孔隙水压力传感器53以及湿度传感器54能够获取夯锤20夯击过程中及夯击后试验土样内部动应力、应力波、试验土样位移场、夯锤加速度、孔隙分布、孔隙水压力、含水率以及饱和度等参数的变化和分布规律。上述参数数据用于分析试验土样内部颗粒重新排列，颗粒间孔隙减小，孔隙水排出以及试验土样变密实等变化规律，揭示夯锤重力、落距对试验土样的冲击作用规律，进而全面揭示强夯加固机理。

由以上的技术方案可知，本申请提供的确定有效加固范围的评价指标的方法能够确定一种有效加固范围的新评价指标，该评价指标唯一时，其对应的有效加固深度唯一，因此该评价指标能够揭示夯锤重力M和落距H对土体的加固作用机理并对现行规范提供实质改进意见。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。