基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法

技术领域

本发明涉及工程地球物理勘探技术领域，更具体地，涉及基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法。

背景技术

碾压式土石坝施工过程中，为了保证施工质量，必须对每一层堆石料的碾压后密实度进行控制。尤其是对于已建和在建高土石坝，由于坝高较高，坝体沉降变形较大，所在地区的设计地震烈度高。按照规范规定，堆石料填筑密实度应该取设计孔隙率的小值，也就是填筑堆石料的密实度要尽量高，这也对施工质量提出了更高的要求。

传统的坑测法通过对层层填筑过程中碾压后的堆石料进行挖坑，称重，并通过灌水测量挖坑体积，最终得到堆石体的密度。但是坑测后的部位往往会对大坝造成损害，并且该方法测试时间长、需要人力多，对每一层堆石体的测量样本有限，不利于对堆石体的施工质量进行全面动态的控制。

现有技术中在高土石坝工程中得到应用的附加质量法数字量板法(经验量板法)，通过对坑测法的测试结果进行标定，制作数字量板，然后再进行现场测试。但是由于数字量板较难扩展，导致测量面单一，无法对实测过程中量板数据范围之外的点进行测试。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，解决了现有技术中数字量板较难扩展，导致测量面单一，无法对实测过程中量板数据范围之外的点进行测试的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，包括：

基于历史工程测试数据中堆石体上每个测点的参振质量、湿密度和参振体积，建立在湿密度-参振质量坐标系下的参振体积直线图；基于历史工程测试数据中堆石体上每个测点的干密度、含水率和湿密度，建立在湿密度-干密度坐标系下的含水率直线图；

建立堆石刚度和湿密度的参数对等关系，并将所述参振体积直线图和所述含水率直线图进行网格化覆盖，得到附加质量法理论量板；

在待检测大坝堆石体上，选取测点，通过附加质量法采集堆石体的堆石刚度K和参振质量M，在所述附加质量法理论量板上匹配对应的参振体积V₀和含水率w，并基于所述参振体积V₀和含水率w得到堆石体的湿密度ρ和干密度ρ_d。

作为优选的，建立在湿密度-参振质量坐标系下的参振体积直线图前还包括：

基于历史工程测试数据中的参振质量、湿密度、参振体积和堆石刚度的最大值和最小值，界定附加质量法理论量板中各坐标轴的取值范围。

作为优选的，基于所述参振体积V₀和含水率w得到堆石体的湿密度ρ和干密度ρ_d具体包括：

基于ρ＝M/V₀，计算出堆石体的湿密度ρ；基于ρ_d＝(1+w)ρ，计算堆石体的干密度ρ_d。

作为优选的，并建立堆石刚度和湿密度的参数对等关系具体包括：

基于历史工程测试数据中堆石体上每个测点的堆石刚度和湿密度，建立堆石刚度和湿密度的参数对等关系。

作为优选的，并基于所述参振体积V₀和含水率w得到堆石体的ρ和干密度ρ_d后，还包括：

基于所述附加质量法理论量板中横坐标和纵坐标建立对等关系，通过附加质量法理论量板上的堆石刚度K直接查找对应的湿密度ρ’、参振质量M’和干密度ρ_d’。

作为优选的，通过附加质量法理论量板上的堆石刚度K直接查找对应的湿密度ρ’、参振质量M’和干密度ρ_d’后，还包括：

计算ρ和ρ’的误差值△ρ，ρ_d和ρ_d’的误差值△ρ_d，若△ρ和△ρ_d的绝对值在设定范围内，则判断数据有效。

作为优选的，通过附加质量法采集堆石体的堆石刚度K和参振质量M，具体包括：

通过附加质量法采集不同附加质量下的数据信号，并对所述数据信号进行分析得到堆石体的堆石刚度K和参振质量M。

本发明提出基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，以基于历史工程测试数据为依据，通过公式计算得到参数对等图，得到附加质量法理论量板，进而可以求解堆石体的密度；具有计算简单，参数对等灵活等优点，并且与数字量板法等经验量板相比，具有理论支撑完善，很容易进行扩展，测试范围更广等优点。

附图说明

图1为根据本发明实施例的基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法示意图；

图2为根据本发明实施例的理论量板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在堆石坝的施工过程中，堆石体密度是体现大坝质量的重要参数，因此，堆石体密度的检测对于保证大坝施工的质量有重要意义。工程中常见的堆石体密度检测方法包括直接法和间接法两类，其中直接法通常为坑测法，尽管这种方法较为准确，但是具有效率低，成本高等缺陷，而且这种方法具有破坏性；间接法有压实沉降观测法、振动碾装加速度计法、控制碾压参数法、静弹模法、动弹模法、面波法、核子密度法等；其中前5种方法都只是定性的分析，不能得到定量的数据。由于面波对5m以内的表层信息反映不准确，使用面波法测定堆石体密度效果不好。

附加质量法是在堆石体上选取一测点，建立由附加质量块、承压板、地基坝体组成的振动体系，用附加质量法测出振动体系相应的堆石刚度和参振质量，具体可通过附加质量法仪器进行参数的采集，利用公式求得地基坝体测点位的密度。由于附加质量法具有方便，无损等优点，近年来在堆石体密度的检测中已经有了较为广泛的应用；现有技术中，为了解决附加质量法测试过程中，参数不易确定，测试精度较低等缺陷，针对附加质量法进行了改进，通过对坑测法的测试结果进行标定，制作数字量板，然后再进行现场测试。由于制作数字量板过程中没有用到数学模型，所以没有模型误差。但是由于没有数学模型依据，因而数字量板较难扩展，无法处理实测过程中对于量板数据之外的点。

因此，针对上述缺点，本实施例中提供了基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，包括：

基于历史工程测试数据中堆石体上每个测点的参振质量、湿密度和参振体积，建立在湿密度-参振质量坐标系下的参振体积直线图；基于历史工程测试数据中堆石体上每个测点的干密度、含水率和湿密度，建立在湿密度-干密度坐标系下的含水率直线图；

建立堆石刚度和湿密度的参数对等关系，并将所述参振体积直线图和所述含水率直线图进行网格化覆盖，得到附加质量法理论量板；拟合之前的多种工程资料和测试结果，建立参振堆石体的堆石刚度和湿密度的关系，理论量板(参数对等图)制作完成，如图2所示，图中包括横坐标ρ和K，纵坐标M和ρ_d。

在待检测大坝堆石体上，选取测点，通过附加质量法采集堆石体的堆石刚度K和参振质量M，具体可通过附加质量法仪器进行采集，在所述附加质量法理论量板上匹配对应的参振体积V₀和含水率w，并基于所述参振体积V₀和含水率w得到堆石体的湿密度ρ和干密度ρ_d。

具体的，在本实施例中，以基于历史工程测试数据为依据，通过公式计算得到参数对等图，得到附加质量法理论量板，进而可以求解堆石体的密度。具有计算简单，参数对等灵活等优点，并且与数字量板法等经验量板相比，具有理论支撑完善，量板很容易进行扩展，测试范围更广等优点。

基于附加质量法，在无阻尼自由振动体系(质弹模型)下，可以得到振动方程如下：

式中，Z和分别为振动位移函数、振动加速度；K和M分别为弹簧刚度和振子质量；ω为无阻尼自振圆频率。

式(2)变换形式可得：

K＝ω²·M>

通过将附加质量M＝△M+M₀引入式(3)可得：

K＝ω²·(ΔM+M₀)>

当附加质量△M＝0时，上式(4)可写为：

K＝ω₀²·M₀>

式中，ω₀和M₀分别表示附加质量法测试过程中，参振堆石体的自振频率和参振堆石体的质量。

参数对等法的求解公式为：

M＝K·ω₀^-2＝ρV₀>

上式(6)中等号两侧除以参振体积V₀可得：

另外，含水率的变化图上可以由下式得出：

由上式(8)可得：

以上述理论为依据，在本实施例中，具体的，通过公式M＝ρV₀，可以画出ρ-M(湿密度-参振质量)坐标系下，参振体积直线图；通过公式(9)，可以画出在坐标系ρ-ρ_d(湿密度-干密度)坐标系下的含水率直线图。

如图2所示，参振体积直线是基于ρ—M坐标画出，含水率是基于ρ—ρ_d坐标画出，参数对等图即理论量板制作完成。

在上述实施例的基础上，建立在湿密度-参振质量坐标系下的参振体积直线图前还包括：

分析之前的工程测试资料，基于历史工程测试数据中的参振质量、湿密度、参振体积和堆石刚度的最大值和最小值，界定附加质量法理论量板中各坐标轴的取值范围。由于考虑到了最大值、最小值的限定，以数学模型为基础，很容易进行量板扩展，可以做到对测试点的全覆盖。当然，还可以在历史实测的最大值、最小值的基础上，增加设定的弹性区间，进行量板扩展，实现对测试点的全覆盖。

在上述实施例的基础上，基于所述参振体积V₀和含水率w得到堆石体的湿密度ρ和干密度ρ_d具体包括：

基于ρ＝M/V₀，计算出堆石体的湿密度ρ；基于ρ_d＝(1+w)ρ，计算堆石体的干密度ρ_d。

在上述实施例的基础上，并建立堆石刚度和湿密度的参数对等关系具体包括：

基于历史工程测试数据中堆石体上每个测点的堆石刚度和湿密度，建立堆石刚度和湿密度的参数对等关系。基于历史的工程资料中的工程测试数据，通过线性回归分析，得出堆石刚度K和堆石体现场湿密度ρ呈现线性关系。如图2所示，然后建立坐标的对等关系，即参数ρ和K的关系。

将所述参振体积直线图和所述含水率直线图进行网格化覆盖，基于ρ和K的对等关系，用参数ρ去去覆盖参数K。因为现场实测值为堆石刚度K，我们要通过堆石刚度来求得堆石体密度等。通过理论量板即参数对等图，即可通过参数K求得对应的参数ρ。

在上述实施例的基础上，并基于所述参振体积V₀和含水率w得到堆石体的ρ和干密度ρ_d后，还包括：

基于所述附加质量法理论量板中横坐标和纵坐标建立对等关系，通过附加质量法理论量板上的堆石刚度K直接查找对应的湿密度ρ’、参振质量M’和干密度ρ_d’。

在上述实施例的基础上，通过附加质量法理论量板上的堆石刚度K直接查找对应的湿密度ρ’、参振质量M’和干密度ρ_d’后，还包括：

计算ρ和ρ’的误差值△ρ，ρ_d和ρ_d’的误差值△ρ_d，若△ρ和△ρ_d的绝对值在设定范围内，则判断数据有效。在本实施例中，如果两者误差绝对值不大于5％，则数据有效。

在上述实施例的基础上，通过附加质量法采集堆石体的堆石刚度K和参振质量M，具体包括：

在大坝堆石体上，选取测点，通过附加质量法采集系统(由振动信号采集分析仪器、拾震器和盖板组成)进行数据采集。通过采集不同附加质量下的数据信号，并分析可以得到参振堆石体的堆石刚度K，参振堆石体的参振质量M。

如下表所示，为采用本实施例的基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，对田宗河、糯扎渡和两河口堆石坝坝体上，不同位置，不同级配的堆石料(I、II、细堆石料)进行测量后的测量结果表。

表1田宗河堆石体料测试结果汇总表

表2糯扎渡坝堆石体测试结果汇总表

表3糯扎渡坝Ⅰ料测试结果汇总表

表4糯扎渡坝上游坝Ⅱ料测试结果汇总表

表5糯扎渡坝细堆石料测试结果汇总表

表6糯扎渡下游坝Ⅱ料测试结果汇总表

表7两河口上游堆石料测试结果汇总表

表8两河口下游堆石料测试结果汇总表

从上述表1～表8中的实测数据可以看出，采用本实施例中的基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，测试结果准确，误差率小，且能够对多种材料进行准确的测量，且测量误差小，相对于现有技术中的测量方法，不依赖于坑测数据，室外作业较少，主要以室内作业为主，比较方便快捷。数学模型为基础，很容易进行量板扩展，可以做到对测试点的全覆盖。

综上所述，本发明实施例提出基于附加质量法理论量板的堆石体密度测量方法，以基于历史工程测试数据为依据，通过公式计算得到参数对等图，得到附加质量法理论量板，进而可以求解堆石体的密度，计算简单，参数对等灵活等优点，并且与数字量板法等经验量板相比，具有理论支撑完善，很容易进行扩展，测试范围更广，不依赖于坑测数据，室外作业较少，主要以室内作业为主，比较方便快捷。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。