专利名称：一种基于土体变异性的岩土工程勘察与采样技术与方法
技术领域：
本发明属于岩土工程技术领域，提供了一种基于土体变异性的岩土工程勘察 与采样技术，主要利用概率方法来量化土体固有的变异性，从而决定以后岩土 工程勘察与采样的最优化垂直和水平间距，总勘察与采样数量和总测试钻孔量。
背景技术：
岩土工程勘察与采样是所有建筑工程必需要做的步骤，其所得到的数据、 样本和测试结果均用来设计建筑工程的地基基础，但目前故有的岩土工程勘察 与采样技术尚缺乏统一、有效、可靠和标准的方法，故不能肯定地知道所需的 勘察和采样的范围和数量是否具代表性，所得到的数据有时是多余的，也有时 是不够的，其主要原因是现存的方法是没有考虑土体的变异性，因此凭着现有 的勘察和采样方法，除了会浪费大量资源外，还不能肯定所设计的地基基础是 否安全稳妥。本发明充分利用了以往勘察与采样数据资源，基于概率理论建立 一种新方法来量化土体固有的变异性，提供了一个能优化岩土工程勘察与采样 的技术，得到的数据会是具代表性，能大大降低工程勘察与采样的成本，对以 后的地基基础便能得到安全和可靠设计。由于我国处于大兴土木时期，大型基 建项目不断增加，而且建筑结构类型越来越复杂，安全而且经济的地基基础设 计要求越来越高，实左有必要采用新的勘察与采样技术来降底成本同时亦达到
更严谨的设计要求，因此本发明具有巨大的市场潜力；
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于土体变异性的岩土工程勘察与采样技术， 以弥补现有岩土工程勘察与采样技术缺乏统一、有效、可靠和标准方法的不足。 为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下
本发明的目的是针对现有岩土工程勘察与采样技术尚缺乏统一、有效、可 靠和标准方法的问题，提供一个基于土体变异性的岩土工程勘察与采样技术， 以便能够对岩土工程勘察与采样作出具系统和有理性的计划，从而得到具有代 表性和可靠性的勘察与采样数据，对以后建筑工程地基础提供安全稳妥的设计。
为了实现上述发明目的，采用的技术方案如下-
一种基于土体变异性的岩土工程勘察与釆样技术，通过如下步骤实现 基于邻近地区的勘察与采样数据，建立一个可用来量化土体变异性数据库， 通过利用每一土层的SPT-N值绘出沿土层深度变化的趋势线图，在各趋势线折 断位置，相应划分出不同土层的分界线。基于不同土层的分界线，量化土体变 异性，找出代表每一土层的垂直相关距离；基于勘察与采样的垂直间距数据库 内所有SPT测试钴孔，计算每一土层内的垂直相关距离的平均值；令以后工程 勘察与采样于同类土层的最优化垂直间距大于该值；并基于数据库找出代表每 一土层的水平相关距离，并令以后工程勘察与采样于同类土层的最优化水平间 距大于水平相关距离以及基于不同土层的SPT-N值计算想应土层的变异系数， 通过利用不同土层的变异系数计算工程最少需要勘察与采样的钻孔数量，实现 优化岩土工程勘察与采样技术。
本发明的优点是提供一个考虑土体变异性的量化方法，对以后岩土工程勘 察与采样作出具系统和可靠性的设计，所得到代表性的数据能用来设计经济和安全稳妥的地基基础。
附图1为不同统计特征土层的划分。
附图2为某土层消去趋势线后转换成平稳数据。 附图3为以后工程勘察与采样的最优化水平间距。 附图4为估计需要勘察采样数量表。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
本发明包括如下步骤
(1) 基于邻近地区的勘察与采样数据，建立一个可用来量化土体变异性数
据库，其中包括不同土层种类、各土层的厚度和每一土层之标准贯入试验SPT-N 值。
(2) 通过利用每一土层的SPT-N值绘出沿土层深度变化的趋势线图，在各 趋势线折断位置，相应划分出不同土层的分界线，如附图1所示。
(3)基于步骤(l)所述的数据库和步骤(2)所述的不同土层的分界线，量
4 =丄仝(r。2aAZ)
化土体变异性，找出代表每一土层的垂直相关距离，按公式 确
定垂直相关距离&，如附图2所示，其中「。2是方差折减系数，基于SPT-N值沿
深度方向的空间均值方差^和SPT-N值在整个土层的点方差^2，由公式 r、《
"~2确定，A是SPT-N值在某一钻孔内的总数量，AZ是点与点之间的间距， a表示一对的SPT-N值。
(4)基于步骤(3)所述的勘察与采样的垂直间距和步骤(1)所述的数据库内所有SPT测试钻孔，计算每一土层内的垂直相关距离的平均值《，令以后工 程勘察与采样于同类土层的最优化垂直间距D》《，如附图3所示。
(5) 基于步骤(l)所述的数据库找出代表每一土层的水平相关距离，按 l s ,， 、
公式 5台 确定水平相关距离&，其中G是方差折减系数，基于 SPT-N值沿水平方向的空间均值方差^和SPT-N值在沿水平方向的点方差，
由公式6 ^"2确定，B是某一组SPT-N值沿水平方向的总数量，AA是点与点 之间的间距，b表示一对沿水平方向的SPT-N值。
(6) 在每一个勘探钻孔内对某一个土层的厚度Ti，计算该土层之垂直相关 距离的平均值^w',相应该土层每隔》w'分为k层，其中k:Ti + ^w'，把每一层 水平面上的SPT-N值组成多组直线数列，Sl，S2….Si，把每一数列都计算出相
应的水平相关距离 ，最后取其平均值&，并令以后工程勘察与采样于同类土 层的最优化水平间距》& ，如附图3所示。
(7) 由公式 ^确定变异系数V，通个给定可接受最大误差值A'和概率
值a ，按公式 ^ F和附图4所示确定整个工程最少需要勘察采样数量n， 其中》和^分别是某一土层总SPT-N值的标准差和平均，^是统计学中 student， s t分布的函数值。
(8) 对某一土层相应的厚度Ti，跟据步骤(7)所确定的整个工程最少需要 勘察采样数量n按公式Q=n+(Ti + &)计算最少需要勘察与采样钻孔数量Q。
(9) 对于其它土层其相应厚度Ti，计算出多个平均水平相关距离&，取^ 的最大值为水平勘探钻孔距离U，如附图3所示。实施案例
本实施例将一种基于土体变异性的岩土工程勘察与采样技术应用在澳门
C0TAI地段兴建机场设施，大型酒店，体育中心和公路项目。应用过程如下-
1、 根据工程单位，顾问公司，大学及政府部提供的澳门区过往岩土工程勘
察数据，该地区的土层分别为24米厚的粘土层和22米厚的沙土层，建立岩土 工程勘察数据库；
2、 计算最优化勘察与采样技间距，具体步骤如下 计算^^土层和沙土层之垂直和水平相关距离 粘土:垂直相关距离=1.07米，水平相关距离二130 沙土:垂直相关距离=0.99米，水平相关距离=125
并指定垂直和水平勘察与采样间距分别^垂直相关距离和水平相关距离；所 以粘土的勘察与采样间距可定为二l. 5米；沙土的勘察与采样间距可定为=1米 指定水平方向勘察与采样间距=130米。
3、 决定最少采样数目，具体步骤如下
粘土层从权利要求l的数据计算出粘土层的变异系数V^.46，指定可接
受最大误差数~=1()%，概率值a =95%; f = a286，从表L以^=0'286，得 出最少采样数目n=35;
沙土层从1、的数据计算出粘土层的变异系数V=0. 57，指定可接受最大
误差数~=10%，概率值a =95%; 7 = (U75，从表l，以^=0'175，得出最少 采样数目11=55;4、决定最少需要勘察与采样钻孔-
(1) 粘土
每个钻孔最大可勘察与采样数为
粘土层的厚度+垂直勘察与采样间距:TLl+DLl二20 + 1.5可3 所以所需要的钻孔为
总需要的勘察与采样数+每个钻孔最大可勘察与采样数=35 + 13=3
(2) 沙土
每个钻孔最大可勘察与采样数为
沙土层的厚度+垂直勘察与采样间距TL2+DL2=22 + 1. 0=22 所以所需要的钻孔为
总需要的勘察与采样数+每个钻孔最大可勘察与采样数=90 + 22二5 。
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权利要求
1、一种基于土体变异性的岩土工程勘察与采样技术与方法，其特征在于通过建立一个用来量化土体变异性的数据库，计算土体的垂直相关距离，计算土体的水平相关距离和土体的变异性系数来实现。
2、 根据权利要求1所述的一个用来量化土体变异性的数据库，其特征在于基于邻近地区的勘察数据的建立，包括了土层的分布和厚度，土体的种类，标准贯入试验的SPT-N值。
3、 根据权利要求1所述的垂直相关距离，其特征在于利用垂直相关距 离来决定勘察与采样的垂直间距。
4、 根据权利要求1所述的水平相关距离，其特征在于利用水平相关距离来决定勘察与采样的水平间距。
5、 根据权利要求1所述的变异系数，其特征在于用来决定勘察与采样 所需的最少数目和勘探钻孔所需的最少数目。
6、 根据权利要求2所述的SPT-N值，其特征在于通过利用每一土层 的SPT-N值绘出沿土层深度变化的趋势线图，在各趋势线折断位置，相应划分 出不同土层的分界线。
7、根据权利要求3所述的勘察与采样的垂直间距，其特征在于按公式4=ii(r。2aAZ)确定垂直相关距离&，其中r。2是方差折减系数，基于SPT-N 值沿深度方向的空间均值方差&2和SPT-N值在整个土层的点方差^2，由公式 r。2 =^确定，A是SPT-N值在某一钻孔内的总数量，AZ是点与点之间的间距，a表示一对的SPT-N值。
8、根据权利要求4所述的勘察与采样的水平间距，其特征在于按公式^-丄i;(r》A对确定水平相关距离&，其中r;2是方差折减系数，基于SPT-N 6 6=2值沿水平方向的空间均值方差&2和SPT-N值在沿水平方向的点方差i^2，由公 式1^2=^确定，B是某一组SPT-N值沿水平方向的总数量，AA是点与点之间的间距，b表示一对沿水平方向的SPT-N值。
9、根据权利要求5所述的勘察与采样所需的最少数目和勘探钻孔所需的最少数目，其特征在于由公式「 = ！确定变异系数y，通个给定可接受最大误差值A,和概率值a，按公式r =如< ^确定整个工程最少需要勘察采样数量/2，其中》和^分别是某一土层总SPT-N值的标准差和平均，^是统计学中 student's f分布的函数值。
10、根据权利要求7所述的勘察与采样的垂直间距，其特征在于 基于数据库内所有SPT测试钻孔，计算每一土层内的垂直相关距离的平均 值《，令后面工程勘察与采样于同类土层的最优化垂直间距D》《；
11、根据权利要求8所述的勘察与采样的水平相关距离和权利要求10所 述某一土层内的垂直相关距离的平均值&，其特征在于在每一个勘探钻孔内对某一个土层的厚度Ti，计算该土层之垂直相关距离 的平均值&"相应该土层每隔Jw分为k层，其中l^Ti+^/ ，把每一层水平 面上的SPT-N值组成多组直线数列，Si,S2.…Si，把每一数列都计算出相应的水 平相关距离 ，最后取其平均值&,并令后面工程勘察与采样于同类土层的最 优化水平间距》& ;
12、 根据权利要求9所述的确定整个工程最少需要勘察采样数量仏其特 征在于对某一土层相应的厚度Ti，按公式Q=n+(Ti+&)计算最少需要勘察 与采样钻孔数量Q。
13、 根据权利要求11所述的某一土层的水平相关距离平均值&，其特征 在于对于其它土层其相应厚度Ti，均计算出多个平均水平相关距离&,取^ 的最大值为水平勘探钻孔距离U。
14、 根据权利要求1~13所述的一种基于土体变异性的岩土工程勘察与采 样技术与方法，其特征在于同样方法可应用在静力触探试验CPT的q。值。
全文摘要
本发明提供一种基于土体变异性的岩土工程勘察与采样技术与方法，其特征在于通过建立量化土体变异性数据库，计算土体垂直相关距离、水平相关距离和变异性系数来实现；主要实现步骤为(1)基于邻近地区的勘察与采样数据，建立可量化土体变异性数据库，包括土层种类、土层厚度和土层的标准贯入试验SPT-N值；(2)利用每一土层的SPT-N值绘出沿深度变化的趋势线，在其折断位置，划分不同土层；(3)计算每一土体垂直相关距离和水平相关距离，估算工程勘察与采样的最优化垂直间距和水平勘探钻孔间距；(4)计算每一种土体的变异系数，用于决定测试采样的最少数目和勘探钻孔的最少数目。其优点是提供一个考虑土体变异性的量化方法，对岩土工程勘察与采样作出系统和可靠的设计，所得到的数据能用来设计经济和安全的地基基础。
文档编号E02D1/02GK101575846SQ20091003809
公开日2009年11月11日 申请日期2009年3月23日 优先权日2009年3月23日
发明者吴玉棠, 周翠英 申请人:中山大学