CN104345011A - 一种堆石体密度测试系统 - Google Patents

Abstract

一种堆石体密度测试系统，它包括:安放在堆石体表面的承压板；堆叠在承压板上的配重块；位于承压板一侧的用于提供激振力的激振锤；安装在配重块上表面的检波器；检波器与振动频率测试仪连接。所述的承压板和配重块为圆柱体。所述的激振锤重量为40～60kg。本发明通过将检波器粘结在配重块上，由振动源即可测试出表面坝料、承压板、配重块所组成的体系振动频率f，然后在该处进行坑测法试验以测试堆石体干密度，即可建立体系振动频率f与堆石体干密度的关系曲线，得出堆石体干密度线性解析式。本发明提供的堆石体密度测试系统，具有省时、省力、快捷、无损、准确率高的优点。

Description

一种堆石体密度测试系统

技术领域

本发明涉及水电工程施工中的堆石坝密度测试领域，特别是一种堆石体密度测试系统。

背景技术

工程中用于测定堆石坝堆石体密度的方法主要有试坑法、压实沉降观测法、振动碾安装加速度计法、控制碾压参数法、面波法、核子密度法及附加质量法等。其中坑测法，它是堆石体密度检测的传统方法，结果准确，但检测效率低、代表性差、费时、费力、耗资大，且具有破坏性，是一种以点带面的方法，难以客观、全面地反映大坝填筑整体质量。面波法由于密度的变化对频散曲线影响较小，且该方法对1.0m以内的表层检测误差大，因此目前面波法难以解决堆石体密度测定问题；核子密度法由于具有放射性，现场要求具有严格的防护措施，且其检测要求为最大粒径不超过40mm、有效深度不超过200mm的小粒径介质，实际应用有很大的局限性，附加质量法由于目前没有比较好的解决参振质量m₀、刚度K、坝料波速与坝料密度的关系，因此测试结果存在比较大的误差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种堆石体密度测试系统，可以实现堆石体密度的快速无损测试，且具有省时、省力、快捷、无损、准确率高等优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种堆石体密度测试系统，它包括:

安放在堆石体表面的承压板；

堆叠在承压板上的配重块；

位于承压板一侧的用于提供激振力的激振锤；

安装在配重块上表面的检波器；

检波器与振动频率测试仪相连接。

所述的承压板和配重块为圆柱体。

所述的激振锤重量为40～60kg。

所述的激振锤边缘距离承压板边缘100～150mm。

所述的检波器为速度型检波器。

承压板与堆石体之间设有15～25mm的细砂。

激振锤与堆石体之间铺设有15～25mm的细砂。

附加质量法的测试原理：设堆石土测点的振动规律符合质量、弹簧模型。为测量堆石土的参振质量m₀、刚度K，须在测点加上适当的刚性质量体△m，△m称为振动体系的附加质量。依据单自由度弹簧体系的振动理论，其振动方程和刚度有如下表达式：

md²Z/dt²+KZ=0     （1）

K=mω²     （2）

式中：Z——振动位移函数；

t——振动时间；

ω——体系振动圆频率；

K——体系动刚度；

m——振子质量。

依据单自由度理论模型，将附加质量、压板等效为一根弹簧，参见图1、图2，实际构造的数学模型与理想模型的差别在于弹簧体上，弹性堆石体是具有质量和体积的，而理想模型弹簧体是没有质量和体积的，为了解决这个因素，将振动单子改成一个可随时改变的等差质量体即Δm附加质量，测出各级质量下所对应的振动频率f，根据f与Δm的关系，即可求得压板下的参振质量m₀、刚度K；然后，应用信号相关分析技术求取测点间纵波波速V_P、应用信号相关分析和小波分析技术求取横波波速V_S。根据测得的基底介质刚度K、参振质量m₀、纵波波速V_P、横波波速V_S、面波波速V_R，代入基础振动的弹性半空间模型解析式或无限弹性介质公式计算密度。

1）动力基础弹性半空间模型密度解析式

$\mathrm{\ρ}=\frac{1-\mathrm{\μ}}{4r{\mathrm{Vs}}^2}K$

2）无限弹性介质模型密度解析式

$\mathrm{\ρ}=\frac{1}{2(1+\mathrm{\μ})}\frac{1}{{\mathrm{Vs}}^2}$

解析式的理论依据明确、数学推导严密、计算简单，但是由于土石介质为固相（土粒骨架）、液相（孔隙水）、气相（孔隙中的体积）三相结构，与完全弹性介质有一定的差异，且测试得出的波速是土体中哪个部位的波速，在理论上还没有确定，同时随着附加质量的降低，其测试振动频率f的精度也随之降低；通过上述介绍，可见使用附加质量附加法求解密度在理论上是可行的，可是在实际应用中，该方法并没有解决密度的求解问题。

以下是本发明的测试原理：在堆石体开始碾压时，由于填料比较疏松，可将其近似看作一个松软的弹塑性体。自行式振动碾在其上振动时，受到的反作用力较小，基本作正弦运动。随着振动碾压实工作的进行，填充料的密实度和弹性模量不断增加，所以表面坝料与配重块组成的体系振动频率f也在不断增大，因此，体系振动频率f与堆石体干密度之间存在着一定的相关关系；从而可以通过测试体系振动频率f的变化以求解堆石体的干密度；为测试体系振动频率f，须在堆石体测点承压板上加适当的刚性质量体△m，△m称为振动体系的配重块，将检波器粘结在配重块上，那么有一个振动源，即可测试出表面坝料、承压板、配重块所组成的体系振动频率f，然后在该处进行坑测法试验以测试堆石体干密度，即可建立体系振动频率f与堆石体干密度的关系曲线，得出堆石体干密度线性解析式。

本发明提供的堆石体密度测试系统，具有省时、省力、快捷、无损、准确率高的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统的整体结构示意图。

图2是附加质量法的理论模型。

图3是附加质量法的构造数学模型。

图4是体系振动频率～干密度关系曲线图（上游堆石料铺料厚度80cm）。

图中：检波器1，激振锤2，配重块3，承压板4，振动频率测试仪5，振动土体6，堆石体7。

具体实施方式

如图1中，一种堆石体密度测试系统，它包括:

安放在堆石体7表面的承压板4；

堆叠在承压板4上的配重块3；

位于承压板4一侧的用于提供激振力的激振锤2；

安装在配重块3上表面的检波器1；

检波器1与振动频率测试仪5电连接。

优选的，所述的承压板4和配重块3为圆柱体。

优选的，所述的激振锤2重量为40～60kg。

优选的，所述的激振锤2边缘距离承压板4边缘100～150mm。

优选的，所述的检波器1为速度型检波器。

优选的，承压板4与堆石体7之间设有15～25mm的细砂。

优选的，激振锤2与堆石体7之间铺设有15～25mm的细砂。

采用本发明的测试方法：

1、测试方法应满足的条件：

1)该方法宜结合堆石体填筑前期碾压试验进行；

2)碾压试验每种坝料至少具有四种碾压遍数（含碾前密度），以使其密度有一个变化梯度；

3)碾压试验应采用与施工时期相同的振动碾及振动压实工艺参数，且铺料方式应一致；

4)碾压试验的坝料介质、含水量及填筑厚度与后续施工段相同；

5)堆石体应是透水性较好的坝料，渗透系数应不小于i×10^-2，且小于0.075mm粒径的含量不宜超过5%，且最大粒径不应超过800mm；

6)每种碾压参数组合下的测点数量不少于6点，且每种层厚坝料松铺下的测点数量不少于6点，因此每种厚度碾压参数下的样本总数量不应少于30点，满足正态分布最小样本数量。

2、现场测试方法：

1)在所选的测点位置上，应平整场地；

2)在堆石体7表面铺上2cm左右的细砂以作藕和用；

3)将承压板4平放在铺平细砂的测点上，承压板4尺寸应根据坝料铺料层厚度D及坝料最大粒径确定一般应满足下式厚度不小于0.03D；

4)将检波器1粘合在承压板4中央，检波器1一般为28Hz、40Hz、60Hz、100Hz其具体型号视地基固有频率而定；

5)将配重块3均匀地置于承压板4上，配重块3重量应根据用易得到稳定的、重复性好的体系振动频率f为宜；

6)将检波器1与振动频率测试仪5正确连接，打开振动频率测试仪5，设置好信号采集参数，且通过试验研究发现当ΔT＝90.703μs、Δf＝0.168Hz、fm<80Hz时，选N＝1024或Tp为93ms能够得出较佳的振动体系振动频率f；其中ΔT为采样间隔，Δf为频率分辨率，fm为模拟信号最高频率，N为取样点数，Tp为时间域信号的裁选长度；

7)提起激振锤2距离地面0.2m，使其能够自由下落于承压板4旁坝料上激振锤距离承压板约15cm，且激振锤下也应该铺设2cm左右细砂，振动频率测试仪5能自动记录测试信号，并进行FFT变换，得到频谱曲线并保存该曲线，至少选取两个激振点，每个激振点获取2条相似的曲线，进行频域分析得出在该附加质量下表面坝料的体系振动频率f，求取体系振动频率f平均值；

8)采用坑测法求出该点位下的坝料干密度ρ。

3、数据处理方法：

试验结果分析方法采用相关法，分别将每种层厚、不同碾压遍数的坝料测得体系振动频率f与灌水法求出的干密度ρ进行回归分析，以确定回归系数a、b及相关系数R。一般得出的相关系数R≥0.7，属于相关性强，能够满足密度的求解问题。相关程度参考准则详见表1：

表1相关程度参考准则

相关系数的绝对值	相关程度	相关系数的绝对值	相关程度
				0.9～1.0	相关性非常强	0.5～0.7	相关性弱
0.7~0.9	相关性强	<0.5	相关性非常弱

4、结果验证：

结合碾压试验复核场次，将现场测试得出的体系振动频率f代入回归公式得出干密度ρ，然后与坑测法对比，已验证其准确度。

5、工程案例：

以下是某水利工程面板堆石坝堆石体采用本系统测试结果。

验证场试验研究成果：

根据上述检测方法，结合验证场碾压试验对上游堆石料进行测试，现进行一场碾压试验，铺料厚度80cm，将体系振动频率与干密度进行回归分析，详见表2及图4。

表2铺料厚度8Ocm振动频率与干密度回归分析表

通过该方法解析得出的干密度ρ与坑测法进行对比，绝对误差平均值为0.03g/cm³，绝对误差最大值为0.06g/cm³，相对误差平均值为1.59%，相对误差最大值为2.97%且体系振动频率与干密度的相关系数R大于0.9，相关性较好，因此采用体系振动频率求解该种上游堆石料干密度是可行的。

复合场试验研究成果：

根据上游堆石料验证场碾压试验成果，其中铺料厚度80cm,碾压遍数12遍，洒水率15%，进行四场复核场试验研究，上游堆石料密度解析式为y=0.0148x+1.3384，其中x：振动频率Hz,y：坝料干密度g/cm³，将复核场次测试的体系振动频率代入上述公式以求解上游堆石料干密度，同时对上述公式合理性、准确性做进一步的验证，详见表3。

表3复核碾压试验振动频率与干密度汇总表

通过复合场试验研究结果表明体系振动频率与堆石体干密度具有较好的相关关系，因此采用本发明的测试系统求解堆石体密度是可行的，且由于本系统仅需测试体系振动频率f，所以测试时间比附加质量法进一步缩短，每个测试点仅需5～10min。

Claims (7)

1.一种堆石体密度测试系统，其特征是它包括:

安放在堆石体（7）表面的承压板（4）；

堆叠在承压板（4）上的配重块（3）；

位于承压板（4）一侧的用于提供激振力的激振锤（2）；

安装在配重块（3）上表面的检波器（1）；

检波器（1）与振动频率测试仪（5）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种堆石体密度测试系统，其特征是：所述的承压板（4）和配重块（3）为圆柱体。

3.根据权利要求1所述的一种堆石体密度测试系统，其特征是：所述的激振锤（2）重量为40～60kg。

4.根据权利要求3所述的一种堆石体密度测试系统，其特征是：所述的激振锤（2）边缘距离承压板（4）边缘100～150mm。

5.根据权利要求1所述的一种堆石体密度测试系统，其特征是：所述的检波器（1）为速度型检波器。

6.根据权利要求1所述的一种堆石体密度测试系统，其特征是：承压板（4）与堆石体（7）之间设有15～25mm的细砂。

7.根据权利要求1所述的一种堆石体密度测试系统，其特征是：激振锤（2）与堆石体（7）之间铺设有15～25mm的细砂。