堆石體密度測定的附加質量法的製作方法

2023-08-07 01:32:46

專利名稱：：堆石體密度測定的附加質量法的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種堆石體密度的測定方法，具體地說是一種利用附加質量法測定水工建築物堆石壩的堆石體密度的方法。在水工建築物堆石壩的施工過程中，堆石密度監測是確保壩體質量的關鍵性工作，一般來講，堆石材料的粒徑級配是自然形成的，是極不均勻的，粒徑小者到砂子，毫米級，大到巨石，1米左右。在這種情況下測定堆石的密度是比較困難的。工程中常用的方法有如下幾種，規範的方法是挖坑、稱重、量體積，即在測點挖坑，並稱出所挖出砂石的質量，同時用灌水(鋪塑料布在坑中灌水)或灌砂的辦法測量所挖坑的體積，從而求出相應測點的密度值。這種方法的優點是可以直接得到坑測的密度值，比較直觀，缺點是遇到大塊石開挖困難，存在避重就輕等人為因素，所測密度值與實際情況有偏差，有時可能在巨石處產生較大偏差，另一方面，由於挖坑破壞了原堆石結構，需要將所挖之坑重新填充壓實，費工費時，不便布置足夠數量的測點，密度數據的代表性受到一定限制。第二種方法為壓實降觀測法，即觀測壓實前後堆石的高差以判斷其密度是否滿足設計要求，第三種方法為振動碾裝加速度計法。第四種方法為控制壓實遍數。第五種方法為靜彈模法。第六種方法為動彈模法。後五種方法都不能直接測出密度數據，是一種間接的、相對的、定性的、宏觀的方法。八十年代日本推出了GR-810面波探查機之後，很多研究者利用面波技術測定散填體或土基的密度，利用面波測堆石或地基土密度的方法基本上可分兩條思路一條是頻散曲線擬合法。由于波速的大小與介質的物理參數，如密度、剪切模量、壓縮模量、泊松比密切相關，因此可以通過對實測資料如頻散曲線的反演擬合得到巖土的橫波速度、縱波速度、密度等參數。但擬合本身是有多解性的，即不同解的任何一種組合都有可能得到與實測資料的最佳擬合，沒有唯一解。因此，這種方法至今未在工程中運用；文獻《堆石壩壓實密度快速無損檢測新技術》(孫繼增等，《水利水電技術》，1996年第1期)提出的另一條思路是利用數理統計方法，建立面波速度VR與堆石密度ρ的相關關係，該文獻認為VR與ρ是線性相關的，這樣利用所測VR很快即可推算出ρ。但從波動理論研究中可知VR、ρ是非線性關係，因此從測定VR去推算ρ的精度是很難保證的。中國專利ZL93107958.6公開了一種附加質量法測定地基承載力的方法，該方法採用由附加質量—承壓板—地基土體組成的振動體系，用重錘擊振體系使其振動，藉助儀器測出體系相應的自振頻率f，利用自振頻率f、體系振動園頻率ω、圓周率π之間的關係，代入公式D＝1/(2·π·f)2利用地基動剛度與相關函數D、參振質量△m的關係作D—△m曲線，求出地基動剛度，再建立動靜關係式，從而得出地基承載力。該方法很好地解決了地基土的參振質量mo，為研究堆石體密度的附加質量法測定打下了良好的基礎。本發明的目的是用附加質量法對堆石體密度進行原位、快速地測定。本發明的技術方案是這樣實現的一種堆石體密度測定的附加質量法，其測定步驟為a在測點由附加質量塊—承壓板—地基壩體組成振動體系，用附加質量法測出振動體系相應的自振頻率f，將f代入公式D＝1/ω2(ω＝2πf)作D—△m曲線，(△m為附加質量塊)，找出D—△m曲線與橫坐標交點到原點之間的絕對值即為地基壩體的參振質量mo；b在測點處布置檢波點(點距≤0.5m)，地震儀接收對體系錘擊所激發的彈性波，作地震時距曲線得直達波段曲線反斜率Vp，將Vp代入公式λ＝Vp/fo(fo為mo相應的體系自振頻率)，得介質由地面向深部傳播的縱波波長λ；c在測點採用挖坑、取樣、稱重、量體積的方法取得地基壩體點位的密度值ρ，將mo、λ、ρ代入公式ρ＝mo/(Ao·ho)得係數K(Ao為承壓板面積，ho＝λ/(2K))；在同一地基的不同點位利用附加質量法測出各點位的參振質量mo、壓板下介質縱波波長λ，利用所率定的係數K回代公式ρ＝mo/(Ao.ho)求得地基壩體測點位的密度。率定係數K時，所挖坑數至少為10，以保證有足夠的樣本數量，為採用算術平均法或線性回歸法率定係數K提供充分的數據。為保證測試精度所採用的承壓板為鋼板，面積至少為2m2，厚度至少為25mm。本發明的積極效果是1.簡便、快速、定量，在測量前率定係數K時只需開挖有限的坑，因而無損壩體結構的完整性；2.該方法適用廣泛，不僅適用於堆石壩在施工碾壓後的密度檢測，對於未碾壓後的天然或人工堆石、砂基、砂礫石地基以及各類土壤地基的檢測亦能適用。本發明是建立在無阻尼模型理論基礎上的，根據有關資料(《機械振動》，李文美、方同、陳松洪，科學技術出版社，1995)介紹，阻尼對振幅影響甚大，對頻率影響甚微，因此阻尼對系統頻率的影響非常小，在作頻率測量時可以略去不計。本發明在作動參數測量時，只用頻率，不用振幅，為了簡化測量工作及資料處理工作，擬選擇無阻尼模型為對象還是可行的。本發明在求解體系參振質量mo時採用至少為兩級的附加質量法，這是因為(1)地基剛度及參振質量mo的測定必須在半無限地基上圈定出一個範圍，而後才能利用質彈模型去量測，這個範圍在放置承壓板之前是未知的，然而用附加質量法解mo至少要有兩個不同的體系自振頻率，相應兩級有不同的△m，承壓板也有一定的質量，也應當算一級附加質量，承壓板以下所覆蓋的範圍即為所圈定的測量範圍；(2)在作體系的頻率測量時往往有幹擾振動及測量誤差，在這種情況下，用多級附加質量法的曲線(D—△m)可以在一定範圍和一定程度上消除這些因素的影響；(3)在單自由度質彈體系模型中，體系自振頻率f有隨△m增加而減小的理論關係，利用這種關係可以在多頻振動的幹擾中識別系統固有頻率，這一點是多級附加質量法所具有的優點。在多種幹擾下去識別系統固有頻率，在瞬態激振中往往是一個非常困難而沒有把握的事情，多數情況下憑經驗估計，而D—△m曲線排除了幹擾，解決了這一問題。(4)利用D—△m曲線求解mo方法簡便，不需要大量分析計算工作，物理概念、幾何概念非常明確。密度解析式的推導如下參振質量mo的動能To用動能公式表示為To＝mo·(Vo)2/2這裡Vo為質點振動速度的幅值，設質點振動位移為Z，其幅值為Zo，質點振動速度為V，系統振動園頻率為ωo，Z可以表示為Z＝Zo·sin(ωo·t)由動力學原理知V＝dZ/dt＝Zo·ωo·cos(ωo·t)當Z與V取幅值時cos(ωo·t)＝1，此時V＝Vo＝Zo·ωo因此有To＝mo·(Zo·ωo)2/2設地表下深度Z處，厚度為dz介質薄片的振動動能為dTz，則dTz＝dmz·(Vz)2/2其中dmz＝Az·ρ·dz，Vz、Az分別為相應該深度的薄片振動速度及薄片面積，將薄片振動動能等效為質點的動能，設深度Z處質量為dmz，質點振動幅值為Zz，振動園頻率為ωz，類似地有質點振動速度的幅值Vz＝Zz·ωz，根據《振動計算與隔振設計》(姜俊平等，中國建築工業出版社，1976)，深度Z與Zz、Zo、縱波波長λ及振動沿豎向衰減係數K之間的關係為Zz＝Zo·e-K-z/λ由於研究深度範圍不大(一般＜2m)，故Z深度處的振動園頻率ωz可近似等於ωo，綜上有Vz＝Zo·ωo·e-K·z/λ，從而有dTz＝(1/2)·Az·ρ·(Zo·ωo)2·e-2·K·z/λ·dz令壓板下介質振動的總動能To′等於介質薄片動能的積分即To=odTz]]>積分結果為To′＝ρ·(Zo·ωo)2·Ao·λ/(4·K)由於研究深度較小，壓板下介質振動的擴散角對介質薄片面積的影響隨深度變化不大(根據小浪底密度測試資料該擴散角＜1°)，忽略擴散角的影響有以上積分結果。令壓板下參振質量mo的動能To等於介質薄片動能的積分To′，兩式相等有ρ＝mo/(Ao·ho)其中ho＝λ/(2·K)為等效深度。K的率定方法有二，一是算術平均法，二是線性回歸法。算術平均法即求取各已知密度(坑測而得)點位的K值之算術平均值；線性回歸法則是利用密度解析式的變形形式K·mo＝Ao·λ·ρ/2令等式右邊為N，則N與mo成線性關係，以N為縱坐標，mo為橫坐標，將各點位由N與mo值組成的坐標點標在坐標系中，用最小二乘法擬合該直線，直線的斜率即為線性回歸所率定的K值。下面結合實施實例對本發明作進一步詳細介紹圖1附加質量法求取mo現場工作布置示意2多級附加質量法D-△m曲線示意31#點位附加質量法D-△m曲線圖4地震直達波法現場工作布置示意51#點位地震時距曲線實施例在測試現場選測點1#，第一，平整、鋪2-3cm厚的砂土；第二，如圖1所示，將2m2的承壓板3徐徐平放在鋪平砂土後的測點；第三，將拾振器2用石膏粘合劑藕合在承壓板3中央並與中科院聲學所研製的SL-II型振動信號分析儀5聯接，用錘4擊震承壓板邊側堆石，使承壓板3—堆石體組成的振動體系振動，此時，從振動信號分析儀5上顯示出體系自振頻率f，然後於承壓板3上加一質量為1×103kg的附加質量1，再用錘4擊震承壓板3邊側堆石，使附加質量1—承壓板3—堆石體組成的振動體系振動，此時，從振動信號分析儀5上顯示出相應體系的自振頻率，這樣連續四次附加，每附加一次體系振動一次，振動信號分析儀5上顯示一次體系振動頻率f，所測各次數據列於表1。表1由公式D＝1/ω2＝1/(2π·f)2計算出相應的D值，其相應數據列於表1，然後利用表1中的△m值為橫坐標，以相應D值為縱坐標在坐標系中找出各坐標點，取坐標點群中心線為D—△m曲線如圖3所示，在曲線上任選一點，找出該點的橫坐標△m＝4.0×103kg時，D＝2.252×10-5S2，△m＝1.0×103kg時，D＝1.667×10-5S2，由公式k＝△m/△D得曲線之反斜率k＝(4.0-1.0)/(2.252-1.667)＝5.128×108(kg·s-2)由曲線與縱坐標的交點得Do＝1.473×10-5S2，按公式mo＝Do·k，得參振堆石體質量mo＝1.473×10-5×5.128×108＝7.554×103kg如圖4所示，在上述測點布置地震排列，採用地面直達波法測試彈性縱波速度Vp，在測點附近約2m處選定激發點放置激發板1，然後以檢波點距0.5m安好速度檢波器系列3，並與美國R24浮點式工程地震儀4聯接，以大錘2擊震激發板1，產生彈性波，彈性波向周圍傳播，被速度檢波器系列3接收並傳至地震儀4，量出激發點至各檢波點之間的距離1.0m、1.5m、……，地震儀4所接收到的彈性波初至時間t及激發接收距離x如表2所示。表2由表2數據，以x為橫坐標，t為縱坐標，繪製地震時距曲線，找出各坐標點，取坐標點群中心線為直達波曲線，如圖5所示，其反斜率即為Vp，Vp＝(6.0-2.0)/(11.75×10-3-3.83×10-3)＝505m/s，由公式Do＝1/(2π·f)2，當Do＝1.473×10-5s2時，得fo＝41.469Hz，代入公式λ＝Vp/fo得λ＝505/41.469＝12.178m。在測點開挖一坑，用磅稱稱出所挖質量m＝3.550×103kg，將不透水塑料布放於坑中灌水，灌水體積為V＝1.642m3，根據公式ρ＝m/V得該點位密度為ρ＝3.550/1.621＝2.162×103kg·m-3，再將開挖前用附加質量法所測該點位的參振質量mo、縱波波長λ及壓板面積Ao代入公式ρ＝mo/(Ao.λ/2K)求得該點位係數K＝3.485。類似地，對於該壩體2#、3#、4#、5#、……、12#點位，同樣可獲得各點位的係數K，如表3所示。該表列出了各點位係數K計算過程中的各個參數。k為附加質量法所得D—△m曲線的反斜率；Do為該曲線與縱坐標的交點；mo為k與Do相乘的結果，即參振質量；利用公式Do＝1/(2π·f)2，由Do可得fo；Vp為地震直達波法所得縱波波速；利用λ＝Vp/fo可得波長λ值；每級附加質量△m為1×103kg；土工試驗原位密度為坑測值；利用公式ρ＝mo/(Ao·ho)由坑測密度值ρ及mo、Ao可得等效深度ho；再利用公式ρ＝mo/(Ao·λ/2K)可求得各點位的係數K值。採用線性回歸法(或算術平均法)，可求得該壩體的率定係數K值為3.60(算術平均法率定係數K為3.614)。然後再按照附加質量法依次測定壩體未知密度點位的參振質量mo、縱波波長λ，利用在壩體中所率定的係數K＝3.60回代公式ρ＝mo/(Ao·λ/2K)即得該點位密度值ρ。權利要求1.一種堆石體密度測定的附加質量法，其測定步驟為a在測點由附加質量塊—承壓板—地基壩體組成振動體系，用附加質量法測出振動體系相應的自振頻率f，將f代入公式D＝1/ω2(ω＝2πf)作D—△m曲線，(△m為附加質量塊)，找出D—△m曲線與橫坐標交點到原點之間的絕對值即為地基壩體的參振質量mo；b在測點處布置檢波點(點距≤0.5m)，地震儀接收對體系錘擊所激發的彈性波，作地震時距曲線得直達波段曲線反斜率Vp，將Vp代入公式λ＝Vp/fo(fo為mo相應的體系自振頻率)，得介質由地面向深部傳播的縱波波長λ；c在測點採用挖坑、取樣、稱重、量體積的方法取得地基壩體點位的密度值ρ，將mo、λ、ρ代入公式ρ＝mo/(Ao·ho)得係數K(Ao為承壓板面積，ho＝λ/(2K))；在同一地基的不同點位利用附加質量法測出各點位的參振質量mo、壓板下介質縱波波長λ，利用所率定的係數K回代公式ρ＝mo/(Ao.ho)求得地基壩體測點位的密度。2.根據權利要求1所述的堆石體密度測定的附加質量法其特徵在於率定係數K時，所挖坑數至少為10。3.根據權利要求2所述的堆石體密度測定的附加質量法其特徵在於所採用的承壓板為鋼板，面積至少為2m2，厚度至少為25mm。全文摘要本發明公開了一種堆石體密度測定的附加質量法，步驟a、附加質量法測地基的參振質量m文檔編號E02D1/00GK1165292SQ96117338公開日1997年11月19日申請日期1996年12月24日優先權日1996年12月24日發明者李丕武申請人:黃河水利委員會勘測規劃設計研究院物探總隊