一种基于挤密效果的加固测试与优化方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于挤密效果的加固测试与优化方法
本专利技术涉及建筑
，尤其涉及一种基于挤密效果的加固测试与优化方法。
技术介绍
目前，国内许多既有铁路不能满足客货激增的需要，需要提速改造，但既有铁路路基的承载力可能不足，目前常用水泥土挤密桩进行路基加固。水泥土挤密桩加固是在既有铁路基床中采用机械成孔，成孔直径略小于轨枕间距，然后在孔内分层夯实水泥与素土的混合物的一种加固方法。加固完成后，水泥与素土混合物凝固成均匀性较好、强度高的水泥土桩，同时在夯实过程中，桩间土得到了挤密，桩间土承载力也提高了。加固后的路基水泥土桩与桩间土共同承受上部道床、轨道、轨枕及列车荷载，其承载力可以通过复合地基的承载力公式进行定量描述，其公式为：fsp＝mfp+(1-m)fs(1)公式中fsp-加固后路基的复合地基承载力；fp-加固后形成水泥土桩的承载力，其与桩长、桩身密实程度、水泥掺量有关；fs-加固后桩间土的承载力；m-桩的面积置换率；一般来说，要提高复合地基的承载力可以从以下3方面着手：(1)桩的承载力是桩间土承载力的数倍，因此提高桩的面积置换率可以提高复合地基的承载力，但既有铁路施工空间有限，如果增加面积置换率就要增加桩的数量，这在既有铁路中基本不现实的。(2)根据式(1)要提高增加复合地基的承载力，还要通过增加桩的承载力，提高桩的承载力可以增加桩的长度、增加桩的密实度，增加水泥掺量和增加桩的直径来实现。但过量增加水泥掺量会大幅增加成本，且提高桩的承载力并不显著，因此工程上常用的水泥掺量为5-10％。一般的增加桩的密实度也可以增加桩的承载力，一般工程上要求桩的密实度达到97％。(3)增加fsp也可以通过增加桩间土的承载力来提高，其方法就是通过夯锤夯扩桩体，桩体挤密周围的桩间土，从而提高桩间土的承载力。可见影响加固后承载力的因素很多，但最经济的是提高桩间土的承载力和桩本身的压实系数。现成通过夯锤夯实桩体，实现同时提高桩间土承载力和桩身密实度，存在的缺点如下：1)在夯实过程中，现场一般是通过橄榄锤进行人工夯实，一般锤重20kg，影响夯实效果的因素有夯实次数、夯锤落距、夯锤形状。目前在使用橄榄锤夯实中，橄榄锤锤底形状一般采用椭圆形、圆形、锥形、平底，制造全部依靠经验，在夯实过程中，夯锤落距、夯实次数一般也是依据经验来确定的，并没有考虑最优化设计。2)在挤密效果评价方面：传统的挤密评价时，通常是依据桩周土挤密系数来测定，即挤密后桩周土的平均干密度与挤密前桩周土的平均干密度之比。采用此法评价时存在的问题是：桩周土挤密是从桩向桩间土逐渐减小的，靠近桩时土被挤密的效果好，远离桩时土基本没有好的挤密效果。在何处取土来测定土的干密度，并用它来代替桩周土的平均干密度带有人为的主观性。测定桩周土的挤密效果时，传统的取样法测定的结果与选定的位置有关，受人为因素影响大，且对桩周土体开挖大，在不停的夯击过程中，桩周土体的可能发生向取样方向侧移，势必影响实验结果。其次在夯击过程中，无法动态掌握夯实效果，仅能取某个时刻某个点的干密度作为评价。桩本身的压实效果，目前也是通过桩身干密度来测定的，一般夯击完成后通过取环刀样来测定桩身的压实系数，不能测定每隔一定夯击次数时的干密度，也不能动态反应夯实效果。3)夯锤形状、夯击次数、夯锤落距优化方面：目前仅以水泥土桩身压实系数作为评价指标，当没有达标到规定的压实系数时，则需要增加夯击次数直到桩身干密度达到相关标准。在既有铁路水泥土挤密桩加固中，常借用铁路“天窗”时间进行施工，此时间一般很短，仅为3小时，在此段时间内，既有铁路所有列车停运，所以时间特别宝贵，因此需要考虑各个部分的优化，用最少的夯击能和最少的夯击时间来完成路基加固，达到最好的加固效果。目前还没有针对这些方面提出来优化的方法。4)测试实验密度的方法：目前常用的有灌砂法、灌水法、环刀法，其中灌砂法、灌水法取土体积较大，不符合小模型中密度的测试。环刀法需要在桩身的中部挖出一个环刀样，环刀样的体积为200cm3，这就严重影响了桩身密度，下次再夯实前必须填平环刀的凹坑，对10次、20次夯击后的桩身压实系数有重大影响。环刀法体积相对较小，在试坑中操作不便，还会破坏损伤上次的夯击面，不能保证测试的连续性，且测试后需要测定土的含水率，测试时间较长，不符合试验研究使用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于挤密效果的加固测试与优化方法，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和夯击次数的方法，解决了何种形状夯实工具在最小击实能能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，同时减小夯击过程因为环刀法凹坑而造成的能量损失；根据击实能最小及夯击次数超过某个击次基本不增长原则，提出了适合于既有铁路最优化的组合。为实现上述目的，本专利技术提供一种基于挤密效果的加固测试与优化方法，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、质量为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，对每一组夯击次数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。贯入仪贯本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵秀绍，李凯，徐长节，耿大新，石钰锋，莫林利，谭周勇，邹远航，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：江西,36