一种岩溶地区路基承载能力的原位测试方法及测试装置的制造方法
【专利摘要】一种岩溶地区路基承载能力的原位测试方法及测试装置，原位测试方法包括以下步骤：步骤一、计算路基荷载作用下溶洞顶板的最大弯矩；步骤二、计算等效冲击荷载；步骤三、确定冲击荷载测试的基本参数，根据溶洞顶板弯矩等效的方法，计算冲击锤的质量；步骤四、进行冲击荷载测试并判断承载能力是否足够。测试装置包括能够自行起落的桅杆，桅杆的顶端安装有吊锚架，吊锚架上通过滑轮连接钢丝绳，卷扬系统通过钢丝绳在竖直方向上拉动冲击锤，冲击锤的尾部连接用于操纵冲击锤对岩溶地区路基进行冲击荷载测试的动力机构。本发明根据溶洞顶板弯矩等效的原理进行近似测试，无需进行大量的材料试验和参数试验。
【专利说明】
一种岩溶地区路基承载能力的原位测试方法及测试装置
技术领域
[0001] 本发明属于岩溶地区路基承载能力测试领域，具体涉及一种岩溶地区路基承载能 力的原位测试方法及测试装置，用于预判在路基荷载作用下的溶洞顶板承载能力是否足 够。
【背景技术】
[0002] 岩溶问题一直是困扰工程建设的大问题，对路基的稳定性有着重大的影响。目前 国内外的岩溶研究领域，已经在岩溶路基承载能力评价及预测上形成了多种方法。现有的 岩溶路基承载能力评价与预测方法主要分为定性预测、定量预测、半定量预测以及综合预 测。定性预测主要根据岩溶路基周围地质环境的影响因素对路基场地环境的区域稳定性做 出宏观的预测，包括综合分析法与经验类比法。半定量预测主要是根据在岩溶路基塌陷稳 定性评判方面积累的丰富经验得出塌陷评判经验指标，对岩溶路基塌陷进行稳定性评价， 常用的有定板厚度跨比法和估算顶板安全厚度法。定量预测是根据己有的塌陷点资料，量 化塌陷形成的影响因素，进行简单图解或统计的方法，建立各个影响因素与塌陷形成的关 系模型，从而实现塌陷评价的目的，常用的有稳定系数法、普氏压力拱理论分析法、有限元 分析法等。
[0003] 上述预测方法虽在岩溶路基稳定性的预测和评价中都发挥了重要作用，但通过分 析上述预测方法的建立过程，能够发现上述方法还存在以下几方面的不足:定性评判与半 定量评判的空间虽较为宏观，但较粗糙，鉴于岩溶路基塌陷受控的因素甚多，且不断变化， 边界不清楚，都是一些模糊的概念，对模糊的信息，无法用精确的方法去处理;定量评判的 空间较为微观、具体，但预测模型中对影响因素的具体量化标准不统一，实施难度比较大。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对上述现有技术中的缺陷，提供一种岩溶地区路基承载能力 的原位测试方法及测试装置，无需进行大量的材料试验和参数试验，操作简单，测试结果较 准确。
[0005] 为了实现上述目的，本发明岩溶地区路基承载能力的原位测试方法包括以下步 骤：
[0006] 步骤一、计算路基荷载作用下溶洞顶板的最大弯矩；
[0007] 根据强度理论公式，最大弯矩发生在溶洞顶板的中间，依照下式计算：
[0008]
[0009]式中〇2为路基荷载在基岩面引起的最大附加应力，pk为溶洞顶板密度，hk为溶洞顶 板厚度，Ps为覆盖土层密度，hs为覆盖土层厚度，1为溶洞顶板跨度；
[0010]步骤二、计算等效冲击荷载；
[0011]按照溶洞顶板弯矩等效的方法计算路基荷载的等效冲击荷载，假设在冲击荷载的 作用下，溶洞顶板于荷载作用位置断裂并绕支点转动，则利用动量方程和动量矩方程得到 溶洞顶板中的弯矩分布：
[0012]
[0013] 根据路基荷载作用和冲击荷载作用下的等效弯矩：
[0014]
?： Z ?：
[0015] 化简后得到：
[0016]
[0017]上式即为按照溶洞顶板弯矩等效的方法计算得到的路基荷载的等效冲击荷载； [0018]
[0019] 式中：η = Z/B，Z为覆盖土层厚度，B为路基宽度，Pr为路基土的密度，hr为路基的高 度，1为溶洞顶板的跨度；
[0020] 步骤三、确定冲击荷载测试的基本参数，根据上述溶洞顶板弯矩等效的方法，按下 式计算冲击锤的质量:W = ; 4
[0021] 步骤四、进行冲击荷载测试并判断承载能力是否足够；
[0022] 首先揭露溶洞顶板，然后在溶洞顶板上进行冲击荷载测试，依据冲击荷载的测试 结果，对岩溶地区路基承载能力以及相应的处治对策进行分类：
[0023] 若测试后溶洞顶板的变形量小于1mm，表明承载能力足够，无需进行处治;若测试 后溶洞顶板的变形量大于1mm，表明承载能力不足，需进行处治。
[0024] 所述的覆盖土层厚度Z通过潜孔钻进行钻孔后丈量孔深来确定。
[0025] 所述的溶洞顶板跨度1通过高密度电法或者瞬变电磁法来确定。
[0026] 溶洞的跨度通过地质雷达进行确定。
[0027]所述的步骤四中相应的处治对策分别为:若覆盖土层厚度Z = 0m，则采取连续配筋 混凝土板跨越溶洞;若覆盖土层厚度0m〈Z〈4m，则采取开挖回填的方式处理溶洞;若覆盖土 层厚度Z 2 4m，则取注浆的方式处理溶洞。
[0028] 本发明岩溶地区路基承载能力的原位测试方法所使用的测试装置采用的技术方 案为：
[0029] 包括能够自行起落的桅杆，桅杆的顶端安装有吊锚架，吊锚架上通过滑轮连接钢 丝绳，卷扬系统通过钢丝绳在竖直方向上拉动冲击锤，冲击锤的尾部连接用于操纵冲击锤 对岩溶地区路基进行冲击荷载测试的动力机构。
[0030] 所述的桅杆通过液压缸推动，桅杆连接用于调节其位置的变幅机构。
[0031] 所述的桅杆安装在能够自由移动位置的履带小车上。
[0032] 与现有技术相比，本发明岩溶地区路基承载能力的原位测试方法根据溶洞顶板弯 矩等效的原理，对溶洞顶板进行冲击，使其近似等效于路基荷载作用下的受力情况，进而预 判在路基荷载作用下的溶洞顶板承载能力是否足够。本发明的测试方法无需进行大量的材 料试验和参数试验，不会过度依赖参数和理想模型，也免受了材料参数太过离散的困扰。
[0033] 与现有技术相比，本发明岩溶地区路基承载能力的原位测试装置通过桅杆提供冲 击锤的下落高度，卷扬系统通过钢丝绳在竖直方向上拉动冲击锤，冲击锤的尾部连接动力 机构，动力机构能够调整冲击锤对岩溶地区路基进行冲击荷载测试的冲击力大小。本发明 测试装置结构简单，操作方便，能够满足岩溶地区路基承载能力原位测试的需求。
【附图说明】
[0034] 图1本发明原位测试方法装备布设示意图；
[0035] 图2本发明原位测试装置的结构示意图；
[0036] 附图中：1-原位测试装置;2-覆盖土层;3-溶洞顶板;4-溶洞;5-桅杆;6-动力机构； 7_变幅机构;8-冲击锤。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0038] 参见图1，本发明岩溶地区路基承载能力的原位测试方法，包括以下步骤：
[0039] 1)计算路基荷载作用下溶洞顶板3的最大弯矩；
[0040] 相较而言，简支梁较双向板的承载力小，从安全方面考虑，本发明采用简支梁模型 计算。当溶洞4跨度较大时，弯矩一般为主要的控制条件，根据强度理论公式，最大弯矩发生 在溶洞顶板3的中间，按下式计算：
[0041 ]
(1)
[0042]式中：σζ为路基荷载在基岩面引起的最大附加应力;pk为溶洞顶板3的密度，hk为溶 洞顶板3的厚度;PS为覆盖土层2的密度，hs为覆盖土层2的厚度;1为溶洞顶板3的跨度。
[0043]由于溶洞顶板3上面还有一定厚度的覆盖土层2,路基荷载传到基岩面时将产生相 应的附加应力。路基荷载在基岩面引起的最大附加应力σζ按下式计算：
[0044]
(2)
[0045] 式中：〇2为路基荷载在基岩面引起的竖直附加应力;pr为路基土密度，hr为路基高 度;n = Z/B，Z为覆盖土层2的厚度，B为路基宽度;^为附加应力分布系数。
[0046] 将式(2)代入式(1)可得：
[0047]
(3)
[0048] 2)计算等效冲击荷载；
[0049] 按照溶洞顶板3弯矩等效的方法计算路基荷载的等效冲击荷载。假设在冲击荷载 的作用下，溶洞顶板3于荷载作用位置断裂并绕支点转动，利用竖直方向上的动量方程，有：
[0050]
(4)
[0051] 式中：v为溶洞顶板3中央的速度;F表示作用于溶洞顶板3中央的冲击荷载;Qb表示 支点的支反力，以向下为正。
[0052] 由于溶洞4可近似视为对称结构，选取溶洞顶板3的一半进行计算，利用支点上的 动量矩方程，有：
[0053]
(5)
[0054]由式(5)可以解出溶洞顶板3中央的加速度为：
[0055]
(6)
[0056]将式(6)代入式(4)，可以得到支点的支反力为：
[0057]
(7)
[0058] 根据几何运动特征，可以得到加速度沿溶洞顶板3的分布特点：
[0059]
(3)
[0060]式(8)所示的加速度分布表征了冲击荷载作用下溶洞顶板3惯性力的分布，并可进 一步推出加速度与剪力之间的关系：
[0061 ]
(9.)[0062]对式(9)进行积分，可以得到溶洞顶板3上的剪力分布：
[0067] (12)
[0063] (10)
[0064]
[0065] (11)[0066] 对式(11)进行积分，可以得到溶洞顶板3中的弯矩分布：
[0068]
[0069] (13)
[0070]由式(13)可以得到溶洞顶板3中央的弯矩值：
[0071]
(14)
[0074] 进一步化简可以得到：
[0072] 结合式（3)与式（14)可以得到分别在路基荷载作用和冲击荷载作用下的等效弯 矩：
[0073] (15)
[0075]
(1.6)
[0076] 式（16)即为按照溶洞顶板3弯矩等效的方法计算得到的路基荷载的等效冲击荷 载。
[0077] 3)冲击荷载测试的基本参数
[0078] 为进行冲击荷载测试，冲击锤8质量是唯一需要确定的参数。根据上述溶洞顶板3 弯矩等效的方法，本发明按式(17)计算冲击锤8质量：
[0079]
[0080]
[0081]
[0082]式中:η = Z/B，Z为覆盖土层2厚度，B为路基宽度，pr为路基土密度，hr为路基高度，1 为溶洞顶板3跨度。
[0083] 如式（17)所示，仅需要少量参数即能够确定冲击锤8的质量，并进行冲击荷载测 试。这些参数大都容易取得，使路基承载能力的测试更容易实现。其中，利用潜孔钻钻孔并 丈量孔深即可确定覆盖土层2厚度Z，而无需进行繁杂的取样及室内试验工作（取样及室内 试验工作在以往的路基承载能力评定和数值分析中是十分重要的工作，却倍受数据太过离 散的困扰，这是以往路基承载能力评定方法中存在的重要问题）；路基宽度B，路基高度hr， 路基土密度Pr均可在设计资料中寻得;溶洞顶板3跨度1可以通过高密度电法或者瞬变电磁 法确定，埋藏较浅的溶洞4还可以利用地质雷达确定其跨度。
[0084] 4)使用测试装置进行冲击荷载测试并判断承载能力是否足够
[0085] 首先利用潜孔钻钻孔揭露溶洞顶板3,再使用测试装置在溶洞顶板3上进行冲击荷 载测试，依据冲击荷载的测试结果，对岩溶地区路基承载能力及相应的处治对策进行分类。
[0086] 其中，若经冲击荷载测试，溶洞顶板3变形量小于1mm，表明承载能力足够，无需进 行处治。若经冲击荷载测试，溶洞顶板3变形量大于1mm，表明承载能力不足，需根据实际条 件进行处治：
[0087] A类:覆盖土层厚度Z = 0m，可采取连续配筋混凝土板跨越溶洞4;
[0088] B类:覆盖土层厚度0m〈Z〈4m，可采取开挖回填的方式处理溶洞4;
[0089] C类:覆盖土层厚度Z 2 4m，可采取注浆的方式处理溶洞4。
[0090] 其中，岩溶地区路基承载能力的测试装置，包括能够自行起落的可折叠桅杆5,在 工作状态时由液压缸推动并且可通过变幅机构7调节位置。桅杆5的顶端安装有吊锚架，测 试装置1通过其卷扬系统操作钢丝绳，钢丝绳设置为通过吊锚架上的滑轮并在竖直方向上 拉动冲击锤8,工作时通过动力机构6操纵冲击锤8进行冲击荷载测试。
[0091] 参见图2,本发明岩溶地区路基承载能力的原位测试方法所使用的测试装置，包括 能够自行起落的可折叠式桅杆5，桅杆5安装在能够自由移动位置的履带小车上，桅杆5通过 液压缸推动，并且连接用于调节其位置的变幅机构7。桅杆5的顶端安装有吊锚架，吊锚架上 通过滑轮连接钢丝绳，卷扬系统通过钢丝绳在竖直方向上拉动冲击锤8,冲击锤8的尾部连 接用于操纵冲击锤8对岩溶地区路基进行冲击荷载测试的动力机构6。
[0092]以上内容结合附图对本发明的具体实施做了详细说明，但本发明并不限于上述实 施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下所做出 的各种变化，均应归属于本发明专利的涵盖范围之内。
【主权项】
1. 一种岩溶地区路基承载能力的原位测试方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、计算路基荷载作用下溶洞顶板(3)的最大弯矩； 根据强度理论公式，最大弯矩发生在溶洞顶板(3)的中间，依照下式计算：式中〇2为路基荷载在基岩面引起的最大附加应力，pk为溶洞顶板(3)密度，hk为溶洞顶 板(3)厚度，PS为覆盖土层(2)密度，hs为覆盖土层(2)厚度，1为溶洞顶板(3)跨度； 步骤二、计算等效冲击荷载； 按照溶洞顶板(3)弯矩等效的方法计算路基荷载的等效冲击荷载，假设在冲击荷载的 作用下，溶洞顶板(3)于荷载作用位置断裂并绕支点转动，则利用动量方程和动量矩方程得 到溶洞顶板(3)中的弯矩分布：根据路基荷载作用和冲击荷载作用下的等效弯矩：化简后得到：上式即为按照溶洞顶板(3)弯矩等效的方法计算得到的路基荷载的等效冲击荷载； 其中」式中：n = Z/B，Z为覆盖土层（2)厚度，B为路基宽度，pr为路基土的密度，hr为路基的高 度，1为溶洞顶板(3)的跨度； 步骤三、确定冲击荷载测试的基本参数，根据上述溶洞顶板(3)弯矩等效的方法，按下 式计算冲击锤(8)的质量：步骤四、进行冲击荷载测试并判断承载能力是否足够； 首先揭露溶洞顶板(3)，然后在溶洞顶板(3)上进行冲击荷载测试，依据冲击荷载的测 试结果，对岩溶地区路基承载能力以及相应的处治对策进行分类： 若测试后溶洞顶板(3)的变形量小于1mm，表明承载能力足够，无需进行处治;若测试后 溶洞顶板(3)的变形量大于1mm，表明承载能力不足，需进行处治。2. 根据权利要求1所述的岩溶地区路基承载能力的原位测试方法，其特征在于:所述的 覆盖土层(2)厚度Z通过潜孔钻进行钻孔后丈量孔深来确定。3. 根据权利要求1所述的岩溶地区路基承载能力的原位测试方法，其特征在于:所述的 溶洞顶板(3)跨度1通过高密度电法或者瞬变电磁法来确定。4. 根据权利要求1所述的岩溶地区路基承载能力的原位测试方法，其特征在于：溶洞 (4)的跨度通过地质雷达进行确定。5. 根据权利要求1所述的岩溶地区路基承载能力的原位测试方法，其特征在于，所述的 步骤四中相应的处治对策分别为:若覆盖土层（2)厚度Z = Om，则采取连续配筋混凝土板跨 越溶洞(4);若覆盖土层(2)厚度0m〈Z〈4m，则采取开挖回填的方式处理溶洞(4);若覆盖土层 厚度Z 2 4m，则取注浆的方式处理溶洞(4)。6. -种如权利要求1所述岩溶地区路基承载能力的原位测试方法所使用的测试装置， 其特征在于:包括能够自行起落的桅杆(5)，桅杆(5)的顶端安装有吊锚架，吊锚架上通过滑 轮连接钢丝绳，卷扬系统通过钢丝绳在竖直方向上拉动冲击锤(8)，冲击锤(8)的尾部连接 用于操纵冲击锤(8)对岩溶地区路基进行冲击荷载测试的动力机构(6)。7. 根据权利要求6所述的测试装置，其特征在于:所述的桅杆(5)通过液压缸推动，桅杆 (5)连接用于调节其位置的变幅机构(7)。8. 根据权利要求6或7所述的测试装置，其特征在于:所述的桅杆(5)安装在能够自由移 动位置的履带小车上。
【文档编号】E02D1/02GK105862703SQ201610187876
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】陈忠达, 韩锋, 陈峙峰, 张震, 常艳婷, 李小东, 林君阳, 赵华
【申请人】长安大学