一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法与流程

1.本发明涉及岩土工程原位试验领域，尤其涉及一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法。


背景技术：

2.圆锥动力触探试验是利用一定的锤击动能，将一定规格的圆锥探头打入土中，根据打入时的阻抗大小判别土层的变化，对土层进行分层，估计土层的物理力学性质指标，鉴别土的密实度的岩土工程原位测试试验，具有简便、易行的特点，在岩土工程原位勘察和检测领域应用广泛。
3.现行规范中基于一维碰撞理论结合工程经验给出了0到20m范围内的杆长修正系数，对于杆长大于20m的杆长修正系数如何计算并未给出，现有的研究成果多以加速度传感器和应变片量测锤击能的方法进行杆长修正，此种方法具有对工人要求高、设备昂贵的缺点。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：提供一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法，以解决现行规范中对于杆长大于20m修正系数缺乏的不足。
5.为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
6.一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法，包括以下步骤：
7.步骤s1，使用下式计算土体对探杆的加速度a初始值：
[0008][0009]
m＝lm'+m”[0010]
其中，m为落锤质量；h为落锤落距；m为探杆质量；n为动力触探锤击数；l为探杆长度，m’为每延米探杆重量，m”为导杆、锤垫、探头总质量；
[0011]
步骤s2，计算重力加速度g与土体对探杆的加速度a的比值k：
[0012]
步骤s3，使用下式分别计算首次碰撞后落锤速度v1和探杆速度v1，首次碰撞探杆动能增量δe1；
[0013][0014][0015][0016]
其中，e为动力触探试验所用钢材碰撞恢复系数；
[0017]
步骤s4，计算第2次碰撞前落锤速度v
2,0
，探杆速度v
2,0
：
[0018][0019][0020]
其中，δv
n-1
＝v
n-1-v
n-1
，n＝2，则δv1＝v
1-v1；
[0021]
步骤s5，使用下式计算第2次碰撞后落锤速度v2和探杆速度v2，第2次碰撞中探杆动能增量δe2：其中n＝3，
[0022][0023][0024][0025]
步骤s6，依次更新n值,重复上述步骤s4及步骤s5，得到第i次碰撞后落锤速度vi和探杆速度vi，以及第i次碰撞中探杆动能增量δei，直到vi＝vi或vi＝0，记为第j次碰撞，结束计算；
[0026]
步骤s7，使用下式计算最终状态下的落锤中的动能：
[0027][0028]
其中，v
终止
为碰撞循环计算终止时落锤的速度；
[0029]
步骤s8，使用下式计算动力触探有效锤击能：
[0030][0031]
步骤s9，根据下式计算加速度a，并通过迭代的方法计算有效锤击能e；
[0032][0033]
步骤s10，获取实测锤击数n1，及动力触探试验时的杆长l1，带入步骤s1～s9计算实测锤击数n1实测杆长l1条件下的锤击能e(l1,n1)，以及将实测锤击数n1，动力触探标准杆长带入带入步骤s1～s9计算实测锤击数n1标准杆长l
standard
条件下的锤击能e2＝e(l
standard
,n1)；
[0034]
步骤s11，使用下式计算修正锤击数n2：
[0035][0036]
将n2和标准杆长l
standard
带入步骤s1～s10计算杆长为标准杆长l
standard
，锤击数为
n2时的锤击能e2’
＝e(l
standard
,n2)，判断e2与e2’
差值的绝对值是否小于预设值：
[0037]
步骤s12，若e2与e2’
差值的绝对值不小于预设值，则将e2’
赋值给e2，再次计算n2，并重复步骤s11：
[0038]
步骤s13：若e2与e2’
差值的绝对值小于预设值，则取最后一次循环得到的锤击数为修正完成后的锤击数n2，并以下式计算杆长修正值α：
[0039][0040]
其中，步骤s11中所述预设值为0.00001j。
[0041]
其中，所述步骤s1中n取贯入10cm时的锤击数。
[0042]
其中，所述步骤s3前还包括：
[0043]
获取通过现场试验确定的动力触探试验所用钢材碰撞恢复系数。
[0044]
其中，所述步骤s9中通过迭代的方法计算有效锤击能的方法包括：
[0045]
将步骤s9中计算获得的加速度a带入步骤s2，并依序计算至步骤s9，计算出新的加速度a，再将新的加速度a带入步骤s2，并依序计算至步骤s9，计算出更新的加速度a，如此循环计算，直到相邻两次计算得到的加速度a差值小于预设差值，并以最后一次计算得到的有效锤击能作为最终有效锤击能的计算结果。
[0046]
其中，所述预设差值为0.001m/s2。
[0047]
本发明实施例具有如下有益效果：
[0048]
本发明实施例提供的考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法，首先计算土体对探杆的加速度初始值，以及计算第i次碰撞后的落锤速度、探杆速度、探杆动能增量；直到碰撞后落锤的速度等于探杆的速度或落锤的速度等于0，停止计算；将每次碰撞后探杆动能增量总和和落锤最终时的动能之和作为动力触探有效锤击能，使用动力触探有效锤击能修正土体对探杆的加速度，使用迭代法修正动力触探有效锤击能，使用迭代法计算杆长修正系数。本发明较现有的动贯入阻力计算方法相比，具有考虑落锤与探杆间非完全弹性碰撞、落锤与探杆的多次碰撞、土体对探杆的阻力的特点，可为动力触探试验杆长修正值计算提供指导作用。
[0049]
当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0051]
图1为本发明实施例所述的一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法的流程图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。显然，所描述的实施例
仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。
[0053]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。
[0054]
本发明实施例提供了一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法，首先计算土体对探杆的加速度初始值，计算首次碰撞后的落锤速度、探杆速度、探杆动能增量；计算第2次碰撞前落锤速度、探杆速度；计算第2次碰撞后落锤的速度、探杆的速度和探杆动能增量；依次计算第3、4、5、
……
次碰撞后落锤的速度、探杆的速度和探杆动能增量，直到碰撞后落锤的速度等于探杆的速度或落锤的速度等于0，停止计算；将每次碰撞后探杆动能增量总和和落锤最终时的动能之和作为动力触探有效锤击能，使用动力触探有效锤击能修正土体对探杆的加速度，使用迭代法修正动力触探有效锤击能，使用迭代法计算杆长修正系数。本发明较现有的动贯入阻力计算方法相比，具有考虑落锤与探杆间非完全弹性碰撞、落锤与探杆的多次碰撞、土体对探杆的阻力的特点，可为动力触探试验杆长修正值计算提供指导作用。
[0055]
如图1中所示，为本发明实施例所提供的一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
[0056]
步骤s1，计算土体对探杆的加速度a初始值；
[0057][0058]
m＝lm'+m
”ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0059]
其中，m为落锤质量；h为落锤落距；m为探杆(含导杆、锤垫和探头)质量；n为动力触探锤击数，此处取贯入10cm时的锤击数；l为探杆长度，m’为每延米探杆重量，m”为导杆、锤垫、探头总质量。
[0060]
步骤s2，计算重力加速度g与土体对探杆的加速度a的比值k：
[0061]
k＝g/a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0062]
步骤s3，计算首次碰撞后落锤速度v1和探杆速度v1，首次碰撞探杆动能增量δe1。
[0063][0064][0065][0066]
其中，e为动力触探试验所用钢材碰撞恢复系数，可在步骤s3前通过现场试验确定该动力触探试验所用钢材碰撞恢复系数。
[0067]
步骤s4，计算第2次碰撞前落锤速度v
2,0
，探杆速度v
2,0
：
[0068][0069][0070]
其中，δv
n-1
＝v
n-1-v
n-1
，此处取n＝2，则为δv1＝v
1-v1。
[0071]
步骤s5，计算第2次碰撞后落锤速度v2和探杆速度v2，第2次碰撞中探杆动能增量δe2，其中n＝3，
[0072][0073][0074][0075]
步骤s6，依次更新n值,重复上述步骤s4及步骤s5，得到第i次碰撞后落锤速度vi和探杆速度vi，以及第i次碰撞中探杆动能增量δei，直到vi＝vi或vi＝0，结束计算。例如，取n＝3，重复步骤s4，取n＝4，重复步骤s5，得到第3次碰撞后落锤速度v3和探杆速度v3，第3次碰撞中探杆动能增量δe3。并重复步骤s4、s5，依次计算第4、5、6、
……
、i次碰撞，计算得到探杆增加的动能使用δei表示，直到vi＝vi或vi＝0，记为第j次碰撞，结束计算。
[0076]
步骤s7，计算最终状态下的落锤中的动能：
[0077][0078]
其中，v
终止
为碰撞循环计算终止时落锤的速度。
[0079]
步骤s8，计算动力触探有效锤击能：
[0080][0081]
步骤s9，计算加速度a，并通过迭代的方法计算有效锤击能e：
[0082][0083]
由于步骤s1中给出的土体对探杆加速度初始值为估算值，为精确求解，需根据上式(14)计算加速度a，然后通过迭代的方法计算有效锤击能e，具体方法为：将步骤9中计算获得的加速度a带入步骤s2，并依序计算至步骤s9，计算出新的加速度a，再将新的加速度a带入步骤s2，并依序计算至步骤s9，计算出更新的加速度a，如此循环计算，直到相邻两次计算得到的加速度a差值小于预设差值，并以最后一次计算得到的有效锤击能作为最终有效
锤击能的计算结果，所述预设差值为0.001m/s2。
[0084]
步骤s10，获取实测锤击数n1，及动力触探试验时的杆长l1，带入步骤s1～s9计算实测锤击数n1实测杆长l1条件下的锤击能e(l1,n1)，以及将实测锤击数n1，动力触探标准杆长带入步骤s1～s9计算实测锤击数n1标准杆长l
standard
条件下的锤击能e2＝e(l
standard
,n1)；
[0085]
步骤s11，使用下式计算修正锤击数n2：
[0086][0087]
将n2和标准杆长l
standard
带入步骤s1～s10计算杆长为标准杆长l
standard
，锤击数为n2时的锤击能e2’
＝e(l
standard
,n2)，判断e2与e2’
差值的绝对值是否小于0.00001j：
[0088]
步骤s12，若e2与e2’
差值的绝对值不小于0.00001j，则将e2’
赋值给e2，再次计算n2，并重复步骤s11：
[0089]
步骤s13：若e2与e2’
差值的绝对值小于0.00001j，则取最后一次循环得到的锤击数为修正完成后的锤击数n2，并以下式计算杆长修正值α：
[0090][0091]
其中，n1为实测锤击数，n2为修正完成后的锤击数。
[0092]
以上计算过程中，步骤步骤s3中式(4)、式(5)、式(6)推导过程如下：
[0093]
首次碰撞前落锤速度可由下式计算：
[0094][0095]
其中，g为重力加速度；h为落锤落距。
[0096]
根据首次碰撞前后冲量守恒，可得式(18)：
[0097]
mv
1,0
+mv
1,0
＝mv1+mv1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0098]
其中，m为落锤质量；v
1,0
为首次碰撞前落锤速度；g为重力加速度；h为落锤落距；v1为首次碰撞后落锤速度；m为探杆(含导杆、锤垫和探头)质量；v
1,0
为首次碰撞前探杆速度，此处v
1,0
＝0；v1为首次碰撞后探杆速度。
[0099]
根据碰撞恢复系数的定义可得式(19)：
[0100][0101]
由式(17)、式(18)、式(19)可得首次碰撞后落锤和探杆的速度，如式(20)、(21)所示：
[0102][0103][0104]
由式(21)结合动能计算方法，可得第一次碰撞后的探杆动能增量δe1。
[0105][0106]
步骤s5中，式(9)、式(10)、式(11)推导过程如下：
[0107]
由式(4)可知，首次碰撞发生后落锤还具有一定的动能。当首次碰撞发生后，探杆受到土层的约束速度减小。由于重力作用，落锤第一次碰撞后的速度方向无论向上和向下，均会与探杆发生二次碰撞，将落锤带有的能量再次穿入探杆。为更加精确的计算落锤传递给探杆的锤击能，本专利考虑首次碰撞和之后的多次碰撞，直到落锤锤击能足够小可以忽略不记或落锤与探杆速度始终相同不再发生碰撞。
[0108]
此处进行第n-1次碰撞计算，此处假定第n-1次碰撞前，探杆的速度为v
n-1,0
，落锤的速度为v
n-1,0
。
[0109]
根据第n-1次碰撞前后冲量守恒：
[0110]
mv
n-1,0
+mv
n-1,0
＝mv
n-1
+mv
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0111]
根据恢复系数的定义：
[0112][0113]
由式(23)、(24)可得第n-1次碰撞后的落锤速度和探杆速度可由式(25)、(26)计算。
[0114][0115][0116]
则第n-1次碰撞过程中，探杆动能的增量可由式(27)计算：
[0117][0118]
步骤s4中，式(7)、(8)推导过程如下：
[0119]
此处仅计算了碰撞过程中落锤速度和探杆速度的变化，为计算两次碰撞间落锤速度和探杆速度的变化，进行如下分析：
[0120]
由式(26)可知，在第n-1次碰撞后探杆获得了较大的向下的速度，但受到土体阻力的影响，这个速度会不断衰减。此处将土体对探杆的阻力假定为定值，其阻力产生的加速度为a，则探杆减速过程中速度可由式(28)表示：
[0121]
v＝v
n-1-(a-g)t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0122]
由式(25)可知，在第n-1次碰撞后落锤的速度方向有可能向上、向下或为0，此处以速度向下为正，落锤的速度小于探杆的速度，但受重力影响，碰撞后落锤速度不断增大，其运动过程可由式(29)表示。
[0123]
v＝v
n-1
+gt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(29)
[0124]
由式(28)、(29)可得两次碰撞间的时间t可由式(30)表示：
[0125][0126]
则第n次碰撞前落锤和探杆速度可分别由式(31)、(32)表示：
[0127]
[0128][0129]
为公式更加简洁，此处令
[0130]
k＝g/a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(33)
[0131]
δv
n-1
＝v
n-1-v
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(34)
[0132]
则式(31)、(32)可表示为式(35)、(36)：
[0133]vn,0
＝v
n-1-2kδv
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(35)
[0134]vn,0
＝v
n-1
+2(1-k)δv
n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(36)
[0135]
由于土阻力对探杆为不断减速的过程，当速度减小到0，探杆速度就不会再有变化，因此当v
n,0
《0时，取v
n,0
＝0，即当下式(37)成立时，取v
n,0
＝0。
[0136][0137]
当式(37)成立时，探杆速度由vn不断较小到0，为匀减速过程，其加速度为-(a-g)。则第n次碰撞后到第n+1次碰撞前，探杆下降距离可由式(38)表示：
[0138][0139]
根据落锤机械能守恒则存在式(39)：
[0140][0141]
将式(38)带入式(39)可得第n+1次碰撞前落锤的速度，由式(40)表示：
[0142][0143]
由式(35)、(36)、(40)可得第n次碰撞前落锤速度如式(41)所示：
[0144][0145]
第n次碰撞前探杆的速度如式(42)所示：
[0146][0147]
步骤s11中，式(15)的推导过程如下：
[0148]
假定同一类动力触探贯穿土层所需能量是一定的，则不同探杆长度和实测锤击数下的动力触探锤击数存在如式(43)、(44)所示的转化关系：
[0149]
[0150][0151]
其中，α为杆长修正系数，n1实测锤击数，n2修正后的锤击数，l1实测杆长，l
standard
标准杆长，e(l1,n1)实测杆长和锤击数条件下计算的到的锤击能，e(l
standard
,n2)标准杆长和修正后的锤击数条件下计算得到的锤击能。
[0152]
由式(44)可知，等式左右两边都含有未知数n2，因此需采用迭代计算的方法求解。
[0153]
步骤s9中，式(14)推导过程如下：
[0154][0155]
其中，贯入过程中f为土体对探杆的阻力，s为动力触探的一击贯入量/m。
[0156]
由以上技术方案可以看出，本发明实施例提供的一种考虑多次碰撞的动力触探杆长修正值计算方法，较现有的动贯入阻力计算方法相比，具有考虑落锤与探杆间非完全弹性碰撞、落锤与探杆的多次碰撞、土体对探杆的阻力的特点，可为动力触探试验杆长修正值计算提供指导作用。
[0157]
以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。