CN108951721A - 一种强夯煤矸石地基动应力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强夯煤矸石地基动应力的方法，属于土木工程地基处理技术领域。本发明实测了强夯冲击波在煤矸石地基中所产生的动应力场和它的变化规律。根据模型试验的相似第二定理和量纲分析方法，设计了室内模型试验装置，采用模型与原型相同的材料，几何缩比为10的方案，进行了强夯法加固煤矸石地基的室内模型试验。应用动应力量测***对夯击能分别为2500KN.m，3000KN.m，3500KN.m，夯击次数分别为1‑7击的不同深度的煤矸石地基中的竖向动应力进行了量测。

Description

一种强夯煤矸石地基动应力的方法

技术领域

本发明涉及一种强夯煤矸石地基动应力的方法，属于土木工程地基处理技术领域。

背景技术

强夯法是用几吨至几十吨的重锤，从几米至几十米的高处落下，反复多次夯击地面，对地基进行强力夯实。这一方法施工工艺简单、工期短、加固费用低、效果显著，已在许多工程中应用并取得良好效果。对于煤炭生产过程中产生的固体废弃物煤矸石，大量堆放会造成环境污染，建立储料场还要占用场地。采用强夯法对结构松散的煤矸石场地进行加固密实处理，然后用作建筑物的地基，现已在全国多个矿区推广应用，取得了一定的经验数据，为煤矸石的利用开辟了新的途径。

近年来，一些学者对强夯过程中的动应力分布特点及变化规律进行了研究。Poran等在尺寸为122×122×122cm³的模型箱中进行了强夯法加固波斯顿干砂地基的试验，得到一些基于试验结果的曲线。F.Jafarzadeh等利用45×35×40cm³模型箱，进行了强夯法加固地基模型试验，研究了夯击过程中影响深度和动应力的变化规律。何长明等进行了强夯动应力的量测及现场试验研究。高政国等针对碎石高填方机场强夯加固机制与施工工艺问题，开展工程场地试验和室内模试验研究。通过试验测量强夯作用下场地加速度响应，研究非常规级配碎石填筑体的强夯动力响应特性。

以上研究是针对不同性状土进行的，针对强夯中煤矸石地基中动应力的分布规律的研究较少，没有用强夯法加固煤矸石地基动应力的整套理论和计算公式，***研究很少。煤矸石是一种松散堆积物，在颗粒结构和岩性组成上有特殊性，使其在物理力学性质、压密性等方面与其他土体相比有明显差异。因此，需要对强夯煤矸石地基在不同夯击能、击数次数、不同深度的动应力做进一步的研究，以推进强夯加固煤矸石地基的较广泛的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种测量或者计算强夯煤矸石地基动应力的方法，建立了落距、锤尺寸、夯击能、夯击次数与动应力之间的模型关系，在面对需要强夯的煤矸石地基时，为实际操作提供指导，推进强夯加固煤矸石地基的较广泛的应用。

本发明提供了一种测量或者计算强夯煤矸石地基动应力的方法，利用模型试验的相似第二准则和量纲分析法，采用模型与原型相同的材料，几何缩比为10的方案，进行了强夯法加固煤矸石地基的室内模型试验。

在一种实施方式中，所述方法，应用动应力量测***对夯击能分别为2500KN·m，3000KN·m，3500KN·m，夯击次数分别为1-7击的不同深度的煤矸石地基中的竖向动应力进行了量测。

在一种实施方式中，所述模型试验的试验台如下：试验台高1000mm，它由两个两块直径为Φ410mm，高度为500mm，厚度为10mm半圆弧板和厚度为10mm的底板通过M16螺栓联结组成，在半圆弧板外部焊有加固筋板。

在一种实施方式中，所述动应力量测处理***由压电式土压力盒、YE-5853超动态电荷放大器、DH-5939数据采集仪、计算机四部分组成。

在一种实施方式中，为了模拟强夯冲击荷载作用下煤矸石地基的动应力衰减规律和有效加固深度，需要沿纵向不同距离布置一系列土压力盒。

在一种实施方式中，对不同的夯击次数，不同的测点，动应力峰值σ_d与夯击能E的近似关系见表4所示。

在一种实施方式中，在夯击能一定条件下，对不同的夯击次数，冲击应力峰值σ_d和深度H的近似关系如表5所示。

本发明的优点和效果：

强夯法加固地基动应力的理论分析与量测技术一直是该领域的难点，本发明通过强夯加固煤矸石地基物理模型试验，***研究了强夯每一击作用下煤矸石地基中的动应力及不同夯击能和夯击次数作用下不同深度煤矸石地基动应力的分布特征及其衰减规律，所得结论合理。目前国内花费大力气开展物理模型试验积累的数据尚不充分，更多数据集中在仅为现场夯击过程中的夯沉量与加固效果检测结果。因此，本发明可为强夯加固地基动应力积累数据，推进强夯加固煤矸石地基的较广泛的应用。

附图说明

图1为动应力采集***；

图2为竖向土压力盒布置示意图；

图3为夯击能2500KN.m第7击(P-T)曲线；

图4为夯击能3000KN.m第7击(P-T)曲线；

图5为夯击能3500KN.m第7击(P-T)曲线；

图6为1#测点的不同夯击能的竖向动应力峰值；

图7为2#测点的不同夯击能的竖向动应力峰值；

图8为夯击能3500KN.m的竖向动应力峰值随深度衰减规律。

具体实施方案

本发明实测了强夯冲击波在煤矸石地基中所产生的动应力场和它的变化规律。根据模型试验的相似第二定理和量纲分析方法，设计了室内模型试验装置，采用模型与原型相同的材料，几何缩比为10的方案，进行了强夯法加固煤矸石地基的室内模型试验。应用动应力量测***对夯击能分别为2500KN.m，3000KN.m，3500KN.m，夯击次数分别为1-7击的不同深度的煤矸石地基中的竖向动应力进行了量测。

下面是对本发明进行具体描述。

实施例1：模型的建立

(1)模型关系的建立

强夯加固煤矸石地基动应力相似模型试验涉及的主要因素有：夯锤重，夯锤落距，单击夯击能，单点夯击次数，夯击作用下煤矸石地基不同深度的动应力。

综合考虑上述因素，可以列出以下参数方程：f(L，r，z，ρ，M，g，h，E，N，σ_d)＝0

式中：

L—模型试验几何量，单位为m，量纲为[L]；

r—夯锤的底面半径，单位为m，量纲为[L]；

Z—夯锤的高度，单位为m，量纲为[L]；

ρ—夯锤的密度，单位为kg/m³，量纲为[ML^-3]；

M—夯锤的质量，kg，量纲为[ML^-3]；

g—重力加速度，单位为m/s²，量纲为[LT^-2]；

h—夯锤的落距，单位为m，量纲为[L]；

E—单击夯击能，单位为KN.m，量纲为[ML²T^-2]；

N—单点夯击次数，无量纲；

σ_d—强夯作用下煤矸石地基的动应力，单位为MPa，量纲为[ML^-1T^-2]；

E_m—煤矸石地基的变形模量，单位为MPa，量纲为[ML^-1T^-2]；

利用因次分析法，求得以下相似准则：

π₇＝N

相似模型试验应遵守的条件为：

C_r＝C_L，C_z＝C_L，C_h＝C_L，Cσ_d＝C_Em，

C_ρ·C_L ³＝C_M，C_N＝1

模型试验采用与原型相同的材料。

由C_r＝C_L知，模型中重锤的半径为实际重锤的1/C_L；由C_z＝C_L知，模型中重锤的高度为实际重锤的1/C_L；则模型中重锤的质量为实际重锤的1/C_L ³；由C_h＝C_L知，模型中重锤的落距为实际重锤的1/C_L；由Cσ_d＝C_Em知，试验中所测的煤矸石地基的动应力为实际煤矸石地基的动应力。

综合考虑模型试验台的规模，煤矸石的颗粒组成特点，量测***的精度等因素，确定模型试验的几何缩比为C_L＝10。对夯锤质量为25t，模型锤质量为0.025t，最后确定的试验参数见表1。

表1模型试验参数表

(2)模型试验台设计

根据相似理论，设计试验台高1000mm，它由两个两块直径为Φ410mm，高度为500mm，厚度为10mm半圆弧板和厚度为10mm的底板通过M16螺栓联结组成，在半圆弧板外部焊有加固筋板。为模拟冲击荷载作用下煤矸石地基的动力特征，需采用落锤加载。用吊车将夯锤提到预定的高度，然后使其做自由落体运动。夯锤为钢筋混凝土锤，外壳为钢管，钢管厚度为10mm，顶面钢板厚10mm，底面钢板厚10mm，顶面与底面钢板和钢管采用焊缝连接。钢管内浇注混凝土，混凝土等级为C30。为使夯锤落下时不发生偏斜，设计成孔半径为12mm的穿心锤，使重锤从导杆上落下。

(3)动应力量测***

动应力量测处理***由压电式土压力盒、YE-5853超动态电荷放大器、DH-5939数据采集仪、计算机四部分组成，如图1所示：

为了模拟强夯冲击荷载作用下煤矸石地基的动应力衰减规律和有效加固深度，需要沿纵向不同距离布置一系列土压力盒。土压力盒选用洛阳89002部队研制生产并经过实际使用考验的DY-1型压电式土压力盒，其外形尺寸Φ×h＝25mm×5mm，其技术特征如表2所示。

表2 DY-1压电式土压力盒技术特征

电荷放大器采用YE-5853宽频多通道电荷放大器。其技术特征如表3所示：

表3 YE-5853电荷放大器技术特征

数据采集记录分析仪采用DH5939动态应变仪。DH-5939数据采集记录分析仪是一种高性能的多通道并行数据采集记录分析***。***包括A/D转换器为核心的数据采集记录仪，以控制、记录和分析为目的的微型计算机以及相应的控制软件和分析软件。

试验时可沿垂向每隔150mm布置一个土压力盒，测其竖向动应力。土压力盒编号及布置示意图见图2。

(4)动应力数据处理分析

夯击能分别为2500KN·m，3000KN·m，3500KN·m的第7击的不同测点的实测竖向的P-T曲线如图3～5所示。

从图3～5可以看出，不同的夯击能、不同的测点，竖向动应力分布规律大致相同，均近似为单一的波峰，为抛物线形，作用时间约为100～250ms。只是不同夯击能、不同测点的沿夯锤不同深度的竖向动应力峰值不同。从图3可看出，当夯击能为2500KN·m第7击时，在距锤底1.5m处，竖向动应力峰值为5.9MPa，达到峰值的时间约为25ms，衰减时间约为125ms；在距锤底3m处，竖向动应力峰值衰减为2.5MPa，达到峰值的时间约为30ms，衰减时间约为110ms；在距锤底4.5m处，竖向动应力峰值衰减为1.9MPa，达到峰值的时间约为30ms，衰减时间约为100ms；在距锤底6m处，竖向动应力峰值衰减为1.0MPa，达到峰值的时间约为25ms，衰减时间约为90ms；在距锤底7.5m处，竖向动应力峰值衰减为0.6MPa，达到峰值的时间约为35ms，衰减时间约为80ms。

1#、2#测点的不同夯击能、不同夯击次数的竖向动应力峰值曲线分别为图6～7所示。

从图6可以看出，在距锤底1.5m处，在夯击能一定的条件下，在连续夯击作用下，随着夯击次数的增加，煤矸石地基的竖向动应力也相应增加。前5击增幅很快，在第5击以后增幅减缓，说明该处地基在前5击己经得到了很好的加固。而较深度处的煤矸石地基则在较多的夯击次数过后，竖向动应力峰值才渐渐稳定。这表明随着夯击次数的增加，在上部煤矸石地基得到加固密实以后，夯击产生的能量才能继续对更深处的地基产生加固效果。这也表明经过5击后夯坑底部一定范围的煤矸石破碎密实己经达到一定程度，再增加击数己经不能进一步明显提高竖向动应力的峰值，也即无法再增加煤矸石地基的密实度。在距锤底3m和4.5m处，当夯击能为2500KN·m时，随着夯击次数的增加，竖向动应力增幅不明显，当夯击能为3500KN·m时，随着夯击次数的增加，竖向动应力增幅明显，也就是夯击能越大，竖向动应力增加的幅度越大。这说明要加固深部的煤矸石地基，单单增加夯击次数是不行的，必须提高夯击能。

对不同的夯击次数，不同的测点，动应力峰值σ_d与夯击能E的近似关系见表4所示.

表4冲击应力峰值σ_d(MPa)与夯击能E(KN.m)的关系

夯击能分别为3500KN·m不同的夯击次数作用下竖向动应力峰值随深度的衰减规律曲线如图8所示。

从图8可看出，在夯击能一定的条件下，在距锤底较近处，竖向动应力急剧衰减，而较锤底较远处，竖向动应力衰减较慢。对夯击能3500KN·m，第1击时，距锤底1.5m处，竖向动应力峰值为6.6MPa，距锤底3.0m处，竖向动应力峰值急剧衰减为4.5MPa，说明距锤底1.5～3.0m，竖向动应力衰减最快，说明该深度范围内煤矸石地基吸收夯击能最多，加固效果最好。而在距锤底较深范围内，距锤底4.5m处，竖向动应力峰值为2.6MPa。距锤底6.0m处，竖向动应力峰值衰减为1.2MPa，距锤底7.5m处，竖向动应力峰值衰减为0.8MPa，说明竖向动应力峰值衰减速度减慢。其他不同的击数作用下，也有同样的衰减规律。

在夯击能一定条件下，对不同的夯击次数，冲击应力峰值σ_d和深度H的近似关系如表5所示：

表5冲击应力峰值σ_d(MPa)与深度H(m)的关系

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种测量或者计算强夯煤矸石地基动应力的方法，其特征在于，所述方法，利用模型试验的相似第二准则和量纲分析法，采用模型与原型相同的材料，几何缩比为10的方案，进行了强夯法加固煤矸石地基的室内模型试验。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括应用动应力量测***对夯击能分别为2500KN·m，3000KN·m，3500KN·m，夯击次数分别为1-7击的不同深度的煤矸石地基中的竖向动应力进行量测。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模型试验的试验台如下：试验台高1000mm，它由两个两块直径为Φ410mm，高度为500mm，厚度为10mm半圆弧板和厚度为10mm的底板通过M16螺栓联结组成，在半圆弧板外部焊有加固筋板。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动应力量测处理***由压电式土压力盒、YE-5853超动态电荷放大器、DH-5939数据采集仪、计算机四部分组成。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对不同的夯击次数，不同的测点，动应力峰值σ_d与夯击能E的近似关系见下表：

冲击应力峰值σ_d(MPa)与夯击能E(KN.m)的关系

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在夯击能一定条件下，对不同的夯击次数，冲击应力峰值σ_d和深度H的近似关系见下表：

冲击应力峰值σ_d(MPa)与深度H(m)的关系