專利名稱：一種基于土體變異性的巖土工程勘察與采樣技術(shù)與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于巖土工程技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于土體變異性的巖土工程勘察 與采樣技術(shù)，主要利用概率方法來量化土體固有的變異性，從而決定以后巖土 工程勘察與采樣的最優(yōu)化垂直和水平間距，總勘察與采樣數(shù)量和總測試鉆孔量。
背景技術(shù)：
巖土工程勘察與采樣是所有建筑工程必需要做的步驟，其所得到的數(shù)據(jù)、 樣本和測試結(jié)果均用來設(shè)計建筑工程的地基基礎(chǔ)，但目前故有的巖土工程勘察 與采樣技術(shù)尚缺乏統(tǒng)一、有效、可靠和標準的方法，故不能肯定地知道所需的 勘察和采樣的范圍和數(shù)量是否具代表性，所得到的數(shù)據(jù)有時是多余的，也有時 是不夠的，其主要原因是現(xiàn)存的方法是沒有考慮土體的變異性，因此憑著現(xiàn)有 的勘察和采樣方法，除了會浪費大量資源外，還不能肯定所設(shè)計的地基基礎(chǔ)是 否安全穩(wěn)妥。本發(fā)明充分利用了以往勘察與采樣數(shù)據(jù)資源，基于概率理論建立 一種新方法來量化土體固有的變異性，提供了一個能優(yōu)化巖土工程勘察與采樣 的技術(shù)，得到的數(shù)據(jù)會是具代表性，能大大降低工程勘察與采樣的成本，對以 后的地基基礎(chǔ)便能得到安全和可靠設(shè)計。由于我國處于大興土木時期，大型基 建項目不斷增加，而且建筑結(jié)構(gòu)類型越來越復雜，安全而且經(jīng)濟的地基基礎(chǔ)設(shè) 計要求越來越高，實左有必要采用新的勘察與采樣技術(shù)來降底成本同時亦達到
更嚴謹?shù)脑O(shè)計要求，因此本發(fā)明具有巨大的市場潛力；

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于土體變異性的巖土工程勘察與采樣技術(shù)， 以彌補現(xiàn)有巖土工程勘察與采樣技術(shù)缺乏統(tǒng)一、有效、可靠和標準方法的不足。 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有巖土工程勘察與采樣技術(shù)尚缺乏統(tǒng)一、有效、可 靠和標準方法的問題，提供一個基于土體變異性的巖土工程勘察與采樣技術(shù)， 以便能夠?qū)r土工程勘察與采樣作出具系統(tǒng)和有理性的計劃，從而得到具有代 表性和可靠性的勘察與采樣數(shù)據(jù)，對以后建筑工程地基礎(chǔ)提供安全穩(wěn)妥的設(shè)計。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，采用的技術(shù)方案如下-
一種基于土體變異性的巖土工程勘察與釆樣技術(shù)，通過如下步驟實現(xiàn) 基于鄰近地區(qū)的勘察與采樣數(shù)據(jù)，建立一個可用來量化土體變異性數(shù)據(jù)庫， 通過利用每一土層的SPT-N值繪出沿土層深度變化的趨勢線圖，在各趨勢線折 斷位置，相應劃分出不同土層的分界線?；诓煌翆拥姆纸缇€，量化土體變 異性，找出代表每一土層的垂直相關(guān)距離；基于勘察與采樣的垂直間距數(shù)據(jù)庫 內(nèi)所有SPT測試鈷孔，計算每一土層內(nèi)的垂直相關(guān)距離的平均值；令以后工程 勘察與采樣于同類土層的最優(yōu)化垂直間距大于該值；并基于數(shù)據(jù)庫找出代表每 一土層的水平相關(guān)距離，并令以后工程勘察與采樣于同類土層的最優(yōu)化水平間 距大于水平相關(guān)距離以及基于不同土層的SPT-N值計算想應土層的變異系數(shù)， 通過利用不同土層的變異系數(shù)計算工程最少需要勘察與采樣的鉆孔數(shù)量，實現(xiàn) 優(yōu)化巖土工程勘察與采樣技術(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點是提供一個考慮土體變異性的量化方法，對以后巖土工程勘 察與采樣作出具系統(tǒng)和可靠性的設(shè)計，所得到代表性的數(shù)據(jù)能用來設(shè)計經(jīng)濟和安全穩(wěn)妥的地基基礎(chǔ)。


附圖1為不同統(tǒng)計特征土層的劃分。
附圖2為某土層消去趨勢線后轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)數(shù)據(jù)。 附圖3為以后工程勘察與采樣的最優(yōu)化水平間距。 附圖4為估計需要勘察采樣數(shù)量表。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
本發(fā)明包括如下步驟
(1) 基于鄰近地區(qū)的勘察與采樣數(shù)據(jù)，建立一個可用來量化土體變異性數(shù)
據(jù)庫，其中包括不同土層種類、各土層的厚度和每一土層之標準貫入試驗SPT-N 值。
(2) 通過利用每一土層的SPT-N值繪出沿土層深度變化的趨勢線圖，在各 趨勢線折斷位置，相應劃分出不同土層的分界線，如附圖1所示。
(3)基于步驟(l)所述的數(shù)據(jù)庫和步驟(2)所述的不同土層的分界線，量
4 =丄仝(r。2aAZ)
化土體變異性，找出代表每一土層的垂直相關(guān)距離，按公式 確
定垂直相關(guān)距離&，如附圖2所示，其中「。2是方差折減系數(shù)，基于SPT-N值沿
深度方向的空間均值方差^和SPT-N值在整個土層的點方差^2，由公式 r、《
"~2確定，A是SPT-N值在某一鉆孔內(nèi)的總數(shù)量，AZ是點與點之間的間距， a表示一對的SPT-N值。
(4)基于步驟(3)所述的勘察與采樣的垂直間距和步驟(1)所述的數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有SPT測試鉆孔，計算每一土層內(nèi)的垂直相關(guān)距離的平均值《，令以后工 程勘察與采樣于同類土層的最優(yōu)化垂直間距D》《，如附圖3所示。
(5) 基于步驟(l)所述的數(shù)據(jù)庫找出代表每一土層的水平相關(guān)距離，按 l s ,， 、
公式 5臺 確定水平相關(guān)距離&，其中G是方差折減系數(shù)，基于 SPT-N值沿水平方向的空間均值方差^和SPT-N值在沿水平方向的點方差，
由公式6 ^"2確定，B是某一組SPT-N值沿水平方向的總數(shù)量，AA是點與點 之間的間距，b表示一對沿水平方向的SPT-N值。
(6) 在每一個勘探鉆孔內(nèi)對某一個土層的厚度Ti，計算該土層之垂直相關(guān) 距離的平均值^w',相應該土層每隔》w'分為k層，其中k:Ti + ^w'，把每一層 水平面上的SPT-N值組成多組直線數(shù)列，Sl，S2….Si，把每一數(shù)列都計算出相
應的水平相關(guān)距離 ，最后取其平均值&，并令以后工程勘察與采樣于同類土 層的最優(yōu)化水平間距》& ，如附圖3所示。
(7) 由公式 ^確定變異系數(shù)V，通個給定可接受最大誤差值A(chǔ)'和概率
值a ，按公式 ^ F和附圖4所示確定整個工程最少需要勘察采樣數(shù)量n， 其中》和^分別是某一土層總SPT-N值的標準差和平均，^是統(tǒng)計學中 student， s t分布的函數(shù)值。
(8) 對某一土層相應的厚度Ti，跟據(jù)步驟(7)所確定的整個工程最少需要 勘察采樣數(shù)量n按公式Q=n+(Ti + &)計算最少需要勘察與采樣鉆孔數(shù)量Q。
(9) 對于其它土層其相應厚度Ti，計算出多個平均水平相關(guān)距離&，取^ 的最大值為水平勘探鉆孔距離U，如附圖3所示。實施案例
本實施例將一種基于土體變異性的巖土工程勘察與采樣技術(shù)應用在澳門
C0TAI地段興建機場設(shè)施，大型酒店，體育中心和公路項目。應用過程如下-
1、 根據(jù)工程單位，顧問公司，大學及政府部提供的澳門區(qū)過往巖土工程勘
察數(shù)據(jù)，該地區(qū)的土層分別為24米厚的粘土層和22米厚的沙土層，建立巖土 工程勘察數(shù)據(jù)庫；
2、 計算最優(yōu)化勘察與采樣技間距，具體步驟如下 計算^^土層和沙土層之垂直和水平相關(guān)距離 粘土:垂直相關(guān)距離=1.07米，水平相關(guān)距離二130 沙土:垂直相關(guān)距離=0.99米，水平相關(guān)距離=125
并指定垂直和水平勘察與采樣間距分別^垂直相關(guān)距離和水平相關(guān)距離；所 以粘土的勘察與采樣間距可定為二l. 5米；沙土的勘察與采樣間距可定為=1米 指定水平方向勘察與采樣間距=130米。
3、 決定最少采樣數(shù)目，具體步驟如下
粘土層從權(quán)利要求l的數(shù)據(jù)計算出粘土層的變異系數(shù)V^.46，指定可接
受最大誤差數(shù)~=1()%，概率值a =95%; f = a286，從表L以^=0'286，得 出最少采樣數(shù)目n=35;
沙土層從1、的數(shù)據(jù)計算出粘土層的變異系數(shù)V=0. 57，指定可接受最大
誤差數(shù)~=10%，概率值a =95%; 7 = (U75，從表l，以^=0'175，得出最少 采樣數(shù)目11=55;4、決定最少需要勘察與采樣鉆孔-
(1) 粘土
每個鉆孔最大可勘察與采樣數(shù)為
粘土層的厚度+垂直勘察與采樣間距:TLl+DLl二20 + 1.5可3 所以所需要的鉆孔為
總需要的勘察與采樣數(shù)+每個鉆孔最大可勘察與采樣數(shù)=35 + 13=3
(2) 沙土
每個鉆孔最大可勘察與采樣數(shù)為
沙土層的厚度+垂直勘察與采樣間距TL2+DL2=22 + 1. 0=22 所以所需要的鉆孔為
總需要的勘察與采樣數(shù)+每個鉆孔最大可勘察與采樣數(shù)=90 + 22二5 。
10
權(quán)利要求
1、一種基于土體變異性的巖土工程勘察與采樣技術(shù)與方法，其特征在于通過建立一個用來量化土體變異性的數(shù)據(jù)庫，計算土體的垂直相關(guān)距離，計算土體的水平相關(guān)距離和土體的變異性系數(shù)來實現(xiàn)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一個用來量化土體變異性的數(shù)據(jù)庫，其特征在于基于鄰近地區(qū)的勘察數(shù)據(jù)的建立，包括了土層的分布和厚度，土體的種類，標準貫入試驗的SPT-N值。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直相關(guān)距離，其特征在于利用垂直相關(guān)距 離來決定勘察與采樣的垂直間距。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水平相關(guān)距離，其特征在于利用水平相關(guān)距離來決定勘察與采樣的水平間距。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的變異系數(shù)，其特征在于用來決定勘察與采樣 所需的最少數(shù)目和勘探鉆孔所需的最少數(shù)目。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的SPT-N值，其特征在于通過利用每一土層 的SPT-N值繪出沿土層深度變化的趨勢線圖，在各趨勢線折斷位置，相應劃分 出不同土層的分界線。
7、根據(jù)權(quán)利要求3所述的勘察與采樣的垂直間距，其特征在于按公式4=ii(r。2aAZ)確定垂直相關(guān)距離&，其中r。2是方差折減系數(shù)，基于SPT-N 值沿深度方向的空間均值方差&2和SPT-N值在整個土層的點方差^2，由公式 r。2 =^確定，A是SPT-N值在某一鉆孔內(nèi)的總數(shù)量，AZ是點與點之間的間距，a表示一對的SPT-N值。
8、根據(jù)權(quán)利要求4所述的勘察與采樣的水平間距，其特征在于按公式^-丄i;(r》A對確定水平相關(guān)距離&，其中r;2是方差折減系數(shù)，基于SPT-N 6 6=2值沿水平方向的空間均值方差&2和SPT-N值在沿水平方向的點方差i^2，由公 式1^2=^確定，B是某一組SPT-N值沿水平方向的總數(shù)量，AA是點與點之間的間距，b表示一對沿水平方向的SPT-N值。
9、根據(jù)權(quán)利要求5所述的勘察與采樣所需的最少數(shù)目和勘探鉆孔所需的最少數(shù)目，其特征在于由公式「 = ！確定變異系數(shù)y，通個給定可接受最大誤差值A(chǔ),和概率值a，按公式r =如< ^確定整個工程最少需要勘察采樣數(shù)量/2，其中》和^分別是某一土層總SPT-N值的標準差和平均，^是統(tǒng)計學中 student's f分布的函數(shù)值。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的勘察與采樣的垂直間距，其特征在于 基于數(shù)據(jù)庫內(nèi)所有SPT測試鉆孔，計算每一土層內(nèi)的垂直相關(guān)距離的平均 值《，令后面工程勘察與采樣于同類土層的最優(yōu)化垂直間距D》《；
11、根據(jù)權(quán)利要求8所述的勘察與采樣的水平相關(guān)距離和權(quán)利要求10所 述某一土層內(nèi)的垂直相關(guān)距離的平均值&，其特征在于在每一個勘探鉆孔內(nèi)對某一個土層的厚度Ti，計算該土層之垂直相關(guān)距離 的平均值&"相應該土層每隔Jw分為k層，其中l(wèi)^Ti+^/ ，把每一層水平 面上的SPT-N值組成多組直線數(shù)列，Si,S2.…Si，把每一數(shù)列都計算出相應的水 平相關(guān)距離 ，最后取其平均值&,并令后面工程勘察與采樣于同類土層的最 優(yōu)化水平間距》& ;
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的確定整個工程最少需要勘察采樣數(shù)量仏其特 征在于對某一土層相應的厚度Ti，按公式Q=n+(Ti+&)計算最少需要勘察 與采樣鉆孔數(shù)量Q。
13、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的某一土層的水平相關(guān)距離平均值&，其特征 在于對于其它土層其相應厚度Ti，均計算出多個平均水平相關(guān)距離&,取^ 的最大值為水平勘探鉆孔距離U。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1~13所述的一種基于土體變異性的巖土工程勘察與采 樣技術(shù)與方法，其特征在于同樣方法可應用在靜力觸探試驗CPT的q。值。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于土體變異性的巖土工程勘察與采樣技術(shù)與方法，其特征在于通過建立量化土體變異性數(shù)據(jù)庫，計算土體垂直相關(guān)距離、水平相關(guān)距離和變異性系數(shù)來實現(xiàn)；主要實現(xiàn)步驟為(1)基于鄰近地區(qū)的勘察與采樣數(shù)據(jù)，建立可量化土體變異性數(shù)據(jù)庫，包括土層種類、土層厚度和土層的標準貫入試驗SPT-N值；(2)利用每一土層的SPT-N值繪出沿深度變化的趨勢線，在其折斷位置，劃分不同土層；(3)計算每一土體垂直相關(guān)距離和水平相關(guān)距離，估算工程勘察與采樣的最優(yōu)化垂直間距和水平勘探鉆孔間距；(4)計算每一種土體的變異系數(shù)，用于決定測試采樣的最少數(shù)目和勘探鉆孔的最少數(shù)目。其優(yōu)點是提供一個考慮土體變異性的量化方法，對巖土工程勘察與采樣作出系統(tǒng)和可靠的設(shè)計，所得到的數(shù)據(jù)能用來設(shè)計經(jīng)濟和安全的地基基礎(chǔ)。
文檔編號E02D1/02GK101575846SQ20091003809
公開日2009年11月11日 申請日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者吳玉棠, 周翠英 申請人:中山大學