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堆石体密度测定的动力参数法

    责任编辑:裴亮 来源:

  一、成果产生的原因

  一个时期以来,堆石坝、堆石路基、堆石围堤等各类堆石体建筑工程大量涌现,堆石材料的最大粒径显著超常。而对于超大粒径堆石体密度的检测问题,国内外长期处于无规章可循的局面。

  为了解决超大粒径堆石体密度的检测问题,必须广开思路,寻求新的途径。1995年黄河小浪底工程建设管理局关于堆石体密度检测问题,将该课题列入小浪底工程施工科研项目中的一个自选项目,用于大粒径(最大粒径1米左右)堆石材料工程(堆石坝、堆石路基等)施工过程中压实密度检测的一项新技术。并于1998年提出了成果报告,后来随着研究工作不断深入,在理论研究、方法技术、仪器研制等方面都有新的突破,特别是经过大量的实测资料验证,肯定这项技术的可行性,由于这项技术是通过测定堆石(土)的刚度、波速等动力参数而测定其密度的,故定名为“堆石体密度测定的动力参数法”。

  二、成果研究过程

  堆石体密度测定技术的研究工作,从1995年初开始至2005年已历经10年时间,根据研究成果的特点大体可以分为“衰减系数法”和“刚度波速法”两个阶段。每一阶段中,又可以分为理论模型研究、方法技术研究、应用试验研究三个子阶段。

  第一阶段,衰减系数法:

  1995年初至1995年11月,为理论模型研究阶段。该阶段的研究工作主要从地基基础振动理论研究入手,引入了1993年“地基承载力动测的附加质量法”[4]中地基刚度及地基土参振质量测定的研究成果,同时引入了物理学中的“等效动能模型”——基底以下介质参振质量的集中动能等于其连续介质微分动能的积分,从而导出了介质密度与介质振动的衰减系数、纵波波长、参振质量的解析关系。

  1995年11月至1996年6月,为方法技术研究阶段。该阶段以黄河小浪底工程为依托,在坝体堆石、料场堆石、料场砂砾石以及粘性土等介质上做了33个点的测试工作,对仪器、压板、附加质量、激振、拾震等问题进行了初步试验研究,证明采用测振测速的办法解决测定堆石体密度的可行性。1996年6月完成了研究报告的编写,此后进行了成果的查新、鉴定工作。1996年12月经河南省科学技术委员会鉴定该成果为国际领先水平,1999年3月国家知识产权局授予专利权。

  1996年至2003年,为应用、试验研究阶段。其间“衰减系数法”研究成果,曾先后转让予国家电力公司贵阳设计院、成都设计院、北京振冲公司等单位;经过黄河小浪底左坝肩砂砾石层加固工程、洛三(洛阳至三门峡)高速公路填方工程、乌江洪家渡水电站面板堆石坝工程、清江水布垭水电站面板堆石坝工程,6000多个测点的应用试验,其方法技术得到了业主、设计、施工、监理等工程各方人士的认可[3][5],2004年编入了水利水电、水电水利工程物探规程。

  第二阶段,刚度波速法:

  “衰减系数法”经过工程实践得到了认可,同时也反映出了一些问题。最突出的问题是“衰减系数”依赖于介质已知密度的率定工作,而且同一种介质不同有效深度、不同介质的同一有效深度的衰减系数也不相同,因此衰减系数的率定工作量往往很大。为了减小或摆脱衰减系数的率定工作,我们开辟了新的思路,引入了基础振动的“弹性半空间模型”,经过将近一年的研究工作,提出了堆石体密度测定的“刚度波速法”。后来,为解决波速测量误差对密度求解的影响,又提出了归一化刚度与密度直接相关法,简称“刚度相关法”;为解决堆石体密度(坑测)测不准问题,我们利用细砂及砂砾石这种较小粒径介质的“刚度”与“密度”的关系,并利用堆石介质的密度界于砂、砂砾石之间的数值特性,再利用堆石介质的实测刚度内插堆石体密度的办法推求堆石体密度,称之为“准不准法则”;与此同时还研制了堆石体密度测试仪器“WYS2003”。

  三、成果主要创新点

  该项目的创新点可以归纳为八种方法,一部仪器。

  (1)衰减系数法:利用质弹模型及等效动能原理导出压板下介质密度ρ与振动沿深度衰减系数β的解析式,解决了密度求解问题。

  (2)刚度波速法:利用弹性半空间模型,导出压板下介质密度ρ与其地基刚度K、纵波速度Vp、横波速度Vs的解析式,摆脱了“衰减系数”法中测定(或率定)“衰减系数”的依赖。

  (3)刚度相关法:通过回归分析法,建立归一化刚度与压板下介质密度的关系(一般为线性关系),利用测点的实测刚度K即可求得测点密度ρ;摆脱了衰减系数法、刚度波速法对波速的依赖。

  (4)“准不准”法则:利用小粒径介质(如砂、砾石等)测得相对较准的密度与其归一化刚度的关系,用内插法求有架空现象超大粒径堆石测不准(坑测法)的密度,变“测不准”为“测得准”,称为“准不准”法则。

  (5)附加质量法:根据质弹模型,采用在承压板上附加适量刚性质量体的办法,可以测出压板下介质的刚度K及参振质量m0,摆脱了土动力学中K、m0测定的长期困扰。

  (6)衰减模量法:利用阻尼振动频率的数学模型,引入“衰减模量”参数,经过微分运算找到了频率反常的临界附加质量[△m],破解了附加质量法中的率频反常问题,为最小附加质量的控制找到了依据。 

  (7)压板选择法则:引入了无量纲频率α,从理论模型、检测层厚度、介质的最大粒径以及理论计算、实测曲线等四个方面,提出了承压选择的原则,从而摆脱了压板选择的盲目性。

  (8)层密度计算法:根据加权平均理论,提出了以探测深度、层厚度为权数的层密度计算方法。

  (9)研制了密度测试的专用仪器——虚拟信号仪器,采用了多缓冲区和负延时技术,保证了信号采集的完整性,体现了现代仪器技术的发现趋势。

  四、在实践中应用举例

  由于该成果与其它同类方法相比在先进性、创新性、实用性等方面均具有显著优势,因此成果一出手便在水利工程上得到广泛的应用。清江水布垭水电站的试验结果于2003年1月通过了专家组鉴定,3月投入了堆石坝生产性检测;乌江洪家渡水电站2002年2月用该成果做了试验研究,2002年底完成坝体堆石体密度检测915个点,至2003年,两个工程累计完成6000多个点。实测密度相对误差(与坑测法对比)一般不超过5%,得了业主、设计、施工、监理各方认可。目前瀑布沟水电站的堆石坝工程正在试验准备应用,澜沧江的糯家渡等工程亦在酝酿应用。2004年,这项研究成果编入了《水利水电工程物探规程》和《水电水利工程物探规程》,其实用性不言而喻。

  五、成果产生的效益

  该研究成果不仅可以应用于水利工程的堆石坝工程质量检测,也可用于路基堆石、堤防堆石、坝基堆石等各类堆石体工程的密度检测;对于非堆石体工程,如小颗粒的土坝、土堤、土路基的检测,亦据有原位、快捷、经济的优势。由此可见,应用领域十分广阔。

  先后转让于贵阳勘测设计院、长江科学院、葛洲坝集团等单位。2006年3月鉴定认为,该成果总体达到国际领先水平。成果的技术转让费、工程检测费约计730万元,比坑测法(不允许大量挖坑)快约20倍,对保证工程质量、加快施工进度的效益是十分显著的。

  六、 成果完成单位

  黄河勘测规划设计有限公司

  七、 成果主要完成人

  李丕武  郭玉松  王运生  薛云峰  杨积发  胡伟华  袁江华  崔 琳  耿瑜平  张晓予  孙雅芳  李万海  田洪礼  何宝民  赵如昌


发布时间:2011年08月13日
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