CN103088807B - 强夯地基加固处理系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强夯地基加固处理系统，包括：强夯机和卷扬机。所述强夯机包括：夯锤脱钩装置，夯锤挂钩，和，夯锤；所述卷扬机包括：臂头滑轮，连接卷扬的起锤钢丝绳，滑轮，夯机桅杆，连接挂钩的起锤钢丝绳，和，固定螺母。所述强夯地基加固处理系统，进一步包括：强夯实时诊断装置；所述强夯机进一步包括：接触应力传感器；所述卷扬机进一步包括：夯沉量传感器；所述卷扬机中使用的滑轮，为传感器滑轮。本发明能够全程实时记录强夯工作参数，并对数据及时处理，做出随夯诊断，评价加固效果。本发明强夯采集系统作为施工过程的“黑匣子”，不但实现无缝监管，而且可降低造价、缩短工期、保证24小时无障碍施工。

Description

强夯地基加固处理系统及其方法

技术领域

本发明涉及岩土工程治理的土木建筑领域，特别涉及一种强夯地基加固处理系统及其方法。

背景技术

强夯加固是一种方便、快捷、经济、环保的地基处理方法，被广泛应用于多种岩土类型场地的地基处理。《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79-2002)提出应根据现场试验或当地经验确定强夯参数，并通过夯后检测评价加固效果。由于地基土的复杂性，尤其填土的不均匀性，按照统一的强夯参数施工作业，可能导致强夯参数偏于保守或不足；若按照终夯标准中的夯沉量控制施工过程，人工测量需要花费大量的人力、物力，且依靠经验目测加固效果偏差很大，可靠度差；若夯后检验加固效果，可能出现“翻工”，耽误工期，影响参与方的声誉和效益，也可能出现加固效果检验指标远大于设计指标，造成不必要的浪费。因此，需要把强夯前模糊的、不确定的或不均匀的地基土通过某种方法或手段在施工过程中获取有效信息来评价或预测夯后加固效果。

根据对现有技术的检索，与本发明最接近的现有技术文件显示，现有技术方法单一，验证困难，无法做到随夯诊断；监测仪器的适用性和可靠性无法保证，这需要一种可靠的方法，对强夯作业过程能够进行有效的控制，实时反映加固效果并调整强夯参数，做到随夯决策。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供了一种强夯地基加固处理系统及其方法。本发明能够全程实时记录强夯工作参数，并对数据及时处理，做出随夯诊断，评价加固效果。本发明依据多种理论，整合多种监控手段，建立多源信息的加固效果评价模型，且各信息之间可以互相验证和引用，突破了在理论上单一信息评价加固效果的弊病。本发明强夯采集系统作为施工过程的“黑匣子”，不但实现无缝监管，而且可降低造价、缩短工期、保证24小时无障碍施工。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种强夯地基加固处理系统，包括：强夯机和卷扬机。

所述强夯机可以包括：夯锤脱钩装置，夯锤挂钩，和，夯锤；所述卷扬机可以包括：臂头滑轮，连接卷扬的起锤钢丝绳，传感器滑轮，夯机桅杆，连接挂钩的起锤钢丝绳，和，固定螺母。

所述强夯地基加固处理系统，优选进一步包括：强夯实时诊断装置；所述强夯机优选进一步包括：接触应力传感器；所述卷扬机优选进一步包括：夯沉量传感器；所述卷扬机中使用的滑轮，优选为传感器滑轮。

所述强夯实时诊断装置，可以进一步包括：数显仪、自动采集模块、无线传输模块、A/D转换模块、数据处理模块、和随夯诊断模块。

所述数显仪，与所述随夯诊断模块相连，用于输入各种设定参数和技术要求，并显示各种输入结果，实时反馈各种强夯数据和信息；所述数显仪，进一步包括：电源接口，拉力输入接口，行程输入接口，接触应力输入接口，电源开关，状态指示灯，电源指示灯，输出接口，上下左右翻页键，功能键，保存键，取消键，和，确定键；

所述自动采集模块，分别与所述夯沉量传感器、接触应力传感器、无线数据模块相连，用于分别从所述夯沉量传感器、接触应力传感器采集数据；并将采集到的数据，通过无线传输模块，传送给数据处理模块；

所述无线传输模块，分别与所述自动采集模块和数据处理模块相连，用于模块之间的数据传输；

所述A/D转换模块，与所述数据处理模块相连，用于将数据处理模块中的数据进行A/D，或D/A转换；

所述数据处理模块，分别与所述无线传输模块，A/D转换模块，随夯诊断模块相连；用于将采集、转换后的数据根据技术要求和理论计算进行数据处理加工；并将处理加工后的数据传送给随夯诊断模块；

所述随夯诊断模块，分别与数显仪和数据处理模块相连；用于根据数显仪输入的设定数据，以及数据处理模块传送的数据，进行定性或定量判断，做出决策评价结论，并根据做出的决策评价结论，分别将不同的决策结果通过数显仪显示或报警。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种强夯机，包括：夯锤脱钩装置，夯锤挂钩，和，夯锤；进一步包括：接触应力传感器。

为解决上述技术问题，本发明又提供了一种卷扬机，包括：臂头滑轮，连接卷扬的起锤钢丝绳，传感器滑轮，夯机桅杆，连接挂钩的起锤钢丝绳，和，固定螺母；进一步包括：夯沉量传感器。

为解决上述技术问题，本发明再提供了一种强夯地基加固随夯诊断实时处理方法，包括以下步骤：

第一步：通过数显仪编辑，输入各种设定参数和技术要求；

第二步：夯锤就位，按[确定]键进入运行状态，系统内部自动生成夯点编号1；

第三步：夯锤起吊时，连接卷扬端的起锤钢丝绳经过夯沉量传感器滑轮、臂头滑轮，通过夯锤脱钩装置提升夯锤，此时夯沉量传感器启动，输出电信号，通过无线分别从数显仪传输到微控制器，转换成起吊高度和起吊质量，计算并显示夯沉量和起吊质量；

第四步：夯锤自由落体接触地面时，接触应力传感器开始工作，输出电信号，通过无线从数显仪传输到微控制器，转换成接触应力，计算并显示接触应力时程曲线及最大接触应力；

第五步：随着夯击数的增加，数显仪自动生成随时间的夯击数编号，并计算并生成各响应指标随夯击数的变化曲线；

第六步：达到夯击数阈值的下限时，各响应指标根据输入的技术要求，按照下述优先级判断指标的满足程度：指定夯击数，变形模量，容许承载力，密实度/夯沉量，夯击效能；

第七步：判断结果输出，确定评价结论；

第八步：终夯输出并保存的同时，自动启动报警系统，状态灯急闪烁；报警的同时，系统自动生成连续的夯点号；

第九步：夯锤就位下一夯点，重复第二步至第八步；

第十步：根据工作需要或存储卡的容量，将卡存储的数据，分期分批移存到强夯数据库进行后台处理，或通过无线网络传输到远程计算机强夯数据库中进行后台处理，数据库中的统计分析功能可以完成报表和工作报告。

所述强夯地基加固随夯诊断实时处理方法中，

所述第三步，可以进一步包括：夯沉量传感器固定在夯机桅杆顶部，臂头滑轮的下方，起锤钢丝绳与夯沉量传感器滑轮始终连接，测试钢丝绳行程；根据工艺流程需要，系统内部设计拉力和行程的阈值，控制夯沉量传感器在夯锤就位、起吊夯锤、夯锤脱钩下落以及挂锤阶段的作业状态；起吊夯锤过程中测试并记录最大起吊质量；

所述第四步，可以进一步包括：接触应力传感器固定在夯锤顶部，夯锤挂钩的外侧；设计三维测试仪器，记录值为平均值。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种强夯实时诊断装置，包括：数显仪、自动采集模块、无线传输模块、A/D转换模块、数据处理模块、和随夯诊断模块；

所述数显仪，与所述随夯诊断模块相连，用于输入各种设定参数和技术要求，并显示各种输入结果，实时反馈各种强夯数据和信息；所述数显仪，进一步包括：电源接口，拉力输入接口，行程输入接口，接触应力输入接口，电源开关，状态指示灯，电源指示灯，输出接口，上下左右翻页键，功能键，保存键，取消键，和，确定键；

所述自动采集模块，分别与设定在卷扬机上的夯沉量传感器、设定在强夯机上的接触应力传感器、无线数据模块相连，用于分别从所述夯沉量传感器、接触应力传感器采集数据；并将采集到的数据，通过无线传输模块，传送给数据处理模块；

所述无线传输模块，分别与所述自动采集模块和数据处理模块相连，用于模块之间的数据传输；

所述A/D转换模块，与所述数据处理模块相连，用于将数据处理模块中的数据进行A/D，或D/A转换；

所述数据处理模块，分别与所述无线传输模块，A/D转换模块，随夯诊断模块相连；用于将采集、转换后的数据根据技术要求和理论计算进行数据处理加工；并将处理加工后的数据传送给随夯诊断模块；

所述随夯诊断模块，分别与数显仪和数据处理模块相连；用于根据数显仪输入的设定数据，以及数据处理模块传送的数据，进行定性或定量判断，做出决策评价结论，并根据做出的决策评价结论，分别将不同的决策结果通过数显仪显示或报警。

本发明有益的技术效果在于：

数据可靠：多种理论、多种监控手段，实现多源信息的加固效果评价模型，各种信息之间相互验证，数据真实、准确；

效果评价直观：依据实时多源信息，做出随夯诊断，能及时判断加固效果；

降低造价：节省两个劳动力进行人工监测数据；

缩短工期：根据统计，人工监测数据占整个施夯过程一半的时间，数据采集自动化可节省50％工期；

克服施工环境的限制：仪器抗干扰能力强，对于强振动、水和粉尘的污染做了专门设计，而且可实现24小时无障碍施工；

完善施工的监督管理：采集系统作为施工过程的“黑匣子”，保证了数据的真实性，揭露土体强度随夯变化的真实情况，实现无缝监管。

附图说明

图1为本发明实施例所述卷扬机功能部分示意图；

图2为本发明实施例所述强夯机(方形夯头)功能部分示意图；

图3为本发明实施例所述强夯机的夯头(圆形夯头)功能部分示意图；

图4为本发明实施例所述数显仪的示意图；

图5为本发明实施例所述强夯实时诊断装置功能结构图。

具体实施方式

本发明从变形控制理论和能量守恒定理的角度出发，研发强夯施工信息化系统，通过夯机加装自行研制的夯沉量和接触应力传感器，实现数据的自动采集并实时处理，做出随夯诊断。

1.从沉降变形的角度，按照变形控制原理，利用实测夯沉量表达夯实系数，按照夯后相对密实度估算土体加固效果。

计算方程： $\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_v}{{\mathrm{\ϵ}}_{\max }}=\frac{e_0-e}{e_0-e_{\min }}=\frac{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{s}_i}{\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{s}_i};$ D_r＝D_r0+(1-D_r0)α

通过夯沉量传感器自动采集单击夯沉量Δs_i，计算累计夯沉量开根据有效加固深度h确定最大夯坑深度。

$\underset{i}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δs}}_i={\mathrm{\ϵ}}_{\max }\×h=\frac{e_0-e_{\min }}{1+e_0}\×h$

通过夯前相对密实度和夯实系数，计算夯后相对密实度D_r，定性判断夯后加固效果，再查表粗略估算夯后承载力。

2.从能量耗散和物体碰撞的角度，按照能量守恒和动量守恒原理，利用实测落地加速度表达土体恢复系数按照夯击效能估算土体加固效果。

计算方程： $\mathrm{\η}=\frac{\∫\left({\mathrm{\Δs}}_i\right)\mathrm{\π}{r}_0^2\mathrm{\σ}\left(t\right)\mathrm{dt}}{\mathrm{MgH}}=\frac{\mathrm{\ΔE}}{E_0}=1-{\mathrm{\λ}}^2$

通过接触应力传感器自动采集夯锤落地加速度a_max，计算土体恢复系数

在单击夯击能相同条件下，按照夯击效能随夯击数的递增而递减并趋于某稳定值，判断强夯加固效果。

3.从载荷试验基本理论按相对沉降法确定地基承载力的角度，按照弹性半空间体局部受荷原理，利用实测接触应力和夯沉量，估算夯后土体地基容许承载力。

计算方程： $P=\frac{E_0}{\mathrm{\ω}(1-{\mathrm{\μ}}^2)}\×\frac{S}{B}$

通过接触应力传感器自动采集接触应力σ_imax，通过夯沉量传感器自动采集单击夯沉量Δs_i，按照计算动态变形模量，根据E_vd≈2E₀，求出E₀，从而估算地基容许承载力P。

如图1～图4所示，分别为为本发明实施例所述卷扬机功能部分示意图；强夯机(方形夯头)功能部分示意图；夯头(圆形夯头)功能部分示意图；数显仪的示意图。其中各个附图标记分别为：1、臂头滑轮，2、连接卷扬的起锤钢丝绳，3、传感器滑轮，4、夯机桅杆，5、夯沉量传感器，6、连接挂钩的起锤钢丝绳，7、夯锤脱钩装置，8、夯锤挂钩，9、接触应力传感器，10、夯锤，11、电源接口，12、拉力输入接口，13、行程输入接口，14、接触应力输入接口，15、电源开关，16、状态指示灯，17、电源指示灯，18、输出接口，19、上下左右翻页键，20、功能键，21、保存键，22、取消键，23、确定键，24、固定螺母。

起锤卷扬机通过钢丝绳连接传感器滑轮，并经臂头滑轮向下转向，连接夯锤脱钩装置与夯锤挂钩起吊夯锤。臂头滑轮在夯机桅杆的顶端，是导向滑轮，夯沉量传感器安装在臂头滑轮的下部，通过传感器滑轮与起锤钢丝绳连接；起锤时，起锤钢丝绳拉力超过设定的拉力阈值，夯沉量传感器启动，钢丝绳行走经过传感器滑轮，夯沉量传感器运行；起锤至设计高度，夯锤脱钩装置自动脱钩，夯沉量传感器关闭；落锤时，夯锤接触地面的瞬间接触应力传感器开始运行；接触应力传感器安装在夯锤的顶部，夯锤挂钩的外侧。

本发明从变形控制理论和能量守恒定理的角度出发，研发强夯施工信息化系统，通过夯机加装自行研制的夯沉量和接触应力传感器，实现数据的自动采集并实时处理，做出随夯诊断。包括数显仪、自动采集模块、无线传输模块、A/D转换模块、数据处理模块、随夯诊断模块。

如图5所示，为本发明实施例所述强夯实时诊断装置功能结构图。本发明强夯地基加固随夯诊断实时处理方法包括：

第一步：打开数显仪电源开关，电源指示灯亮，时钟运行。测试无线传输系统。按[功能]键进入编辑状态，输入各种设定参数和技术要求，按[确定]键确认编辑数据。按[取消]键退出编辑状态。

第二步：夯锤就位，按[确定]键进入运行状态，系统内部自动生成夯点编号1。数显仪显示“Start”和时间。

第三步：夯锤起吊时，连接卷扬端的起锤钢丝绳经过夯沉量传感器滑轮、臂头滑轮，通过夯锤脱钩装置提升夯锤，此时夯沉量传感器启动，输出电信号，通过无线分别从数显仪行程输入口和拉力输入口传输到微控制器，转换成起吊高度和起吊质量，计算并显示夯沉量和起吊质量，SD卡存储器存储。

夯沉量传感器固定在夯机桅杆顶部，臂头滑轮的下方，起锤钢丝绳与夯沉量传感器滑轮始终连接，测试钢丝绳行程。根据工艺流程需要，系统内部设计拉力和行程的阈值，控制夯沉量传感器在夯锤就位、起吊夯锤、夯锤脱钩下落以及挂锤等各阶段的作业状态。起吊夯锤过程中测试并记录最大起吊质量。为保证测试精度，设计仪器时内部构造精度达到0.01毫米，仪器精度0.5毫米，起吊质量精度10千克。

第四步：夯锤自由落体接触地面时，接触应力传感器开始工作，输出电信号，通过无线从数显仪接触应力输入口传输到微控制器，转换成接触应力，计算并显示接触应力时程曲线及最大接触应力，SD卡存储器存储。

接触应力传感器固定在夯锤顶部，夯锤挂钩的外侧。为保证测试的精度，设计三维测试仪器，记录值为平均值；夯锤接触地面作用时间一般为30～80毫秒，设计时间精度为1毫秒。

第五步：随着夯击数的增加，数显仪自动生成随时间的夯击数编号，并依据理论方法设计的计算程序，迅速计算并生成各响应指标随夯击数的变化曲线。

按照弹性半空间体载荷试验原理，计算并绘制容许承载力～夯击数变化曲线和变形模量～夯击数变化曲线。

按照变形控制原理，计算并绘制密实度～夯击数变化曲线。

按照能量守恒和动量守恒原理，计算并绘制夯击效能～夯击数变化曲线。

第六步：达到夯击数阈值的下限时，各响应指标根据输入的技术要求，按照下述优先级判断指标的满足程度：指定夯击数变形模量容许承载力密实度/夯沉量夯击效能。

夯击数阈值的设定是由于可能原地面表层强度较大，影响首次或前几次夯沉量过小，避免对加固效果的错觉，适当设定下限；或由于土体性质太差，无法终夯，适当设定上限，强制终夯。

指定夯击数是根据参建各方的特殊要求而设定的，类似于夯击数阈值的下限，属于最低要求的加固标准。

容许承载力(变形模量)一般是建设单位(设计单位)在合同中约定的技术指标，根据土力学原理，在强夯过程中采集并计算生成的该指标具有一定的安全储备，强夯加固数日后强度和变形指标都有较大的提高。

密实度/夯沉量以及夯击效能是在满足人为设定的加固指标下，进一步判断土体是否具有待加固的空间，处于密实状态的土体，进一步夯击时，或认为已经达到夯击数阈值的上限时，夯击效能总是处于某一稳定值，此时可判断土体处于最密实状态，已达到最好的夯击效果，即使未达到人为设定的技术指标，也应强制终夯。

第七步：判断结果输出，确定评价结论。

若满足最低加固标准指标指定夯击数时，自动终夯输出并保存于SD卡存储器；也可设定双重标准，如设定同时满足指定夯击数和容许承载力，根据优先级，先满足指定夯击数，若不满足容许承载力，返回到诊断系统重新计算，直到满足时，系统自动终夯输出并保存于SD卡存储器。

若夯击效能总是处于某一稳定值，而技术指标未达到人为设定的标准时，系统自动终夯输出并保存于SD卡存储器。

第八步：终夯报警。终夯输出并保存的同时，自动启动报警系统，状态灯急闪烁。报警的同时，系统自动生成连续的夯点号。

第九步：夯锤就位下一夯点。重复第二步至第八步。

第十步：根据工作需要或SD卡的容量，将SD卡存储的数据，可以分期分批通过USB接口按[保存]键移存到强夯数据库进行后台处理，或通过无线网络按[保存]键传输到远程计算机强夯数据库中进行后台处理，数据库中的统计分析功能可以完成报表和工作报告。

本发明是一种事中监控并随夯评价加固效果的方法，工作参数的自动采集、及时应用且随夯诊断，真实反映了强夯作业时土体的实时加固状态，解决了夯前经验设计片面和夯后检测针对性不强的缺点，同时为强夯动态设计提供了一条切实可行的新思路。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其它形式的限制。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种强夯地基加固处理系统，其特征在于，包括：强夯机和卷扬机；

所述强夯机包括：夯锤脱钩装置，夯锤挂钩，和，夯锤；所述卷扬机包括：臂头滑轮，连接卷扬机的起锤钢丝绳，传感器滑轮，夯机桅杆，连接挂钩的起锤钢丝绳，和，固定螺母；

所述强夯地基加固处理系统，进一步包括：强夯实时诊断装置；所述强夯机进一步包括：接触应力传感器；所述卷扬机进一步包括：夯沉量传感器；所述卷扬机中使用的传感器滑轮，为夯沉量传感器滑轮；

所述强夯实时诊断装置，进一步包括：数显仪、自动采集模块、无线传输模块、A/D转换模块、数据处理模块、和随夯诊断模块；

所述数显仪，与所述随夯诊断模块相连，用于输入各种设定参数和技术要求，并显示各种输入结果，实时反馈各种强夯数据和信息；

所述自动采集模块，分别与所述夯沉量传感器、接触应力传感器、无线数据模块相连，用于分别从所述夯沉量传感器、接触应力传感器采集数据；并将采集到的数据，通过无线传输模块，传送给数据处理模块；

所述无线传输模块，分别与所述自动采集模块和数据处理模块相连，用于模块之间的数据传输；

所述A/D转换模块，与所述数据处理模块相连，用于将数据处理模块中的数据进行A/D，或D/A转换；

所述数据处理模块，分别与所述无线传输模块，A/D转换模块，随夯诊断模块相连；用于将采集、转换后的数据根据技术要求和理论计算进行数据处理加工；并将处理加工后的数据传送给随夯诊断模块；

所述随夯诊断模块，分别与数显仪和数据处理模块相连；用于根据数显仪输入的设定数据，以及数据处理模块传送的数据，进行定性或定量判断，做出决策评价结论，并根据做出的决策评价结论，分别将不同的决策结果通过数显仪显示或报警。