CN104594328B - 定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，属于土木工程地基处理技术领域；所解决的技术问题是提供一种利用强夯冲击荷载与地层之间的关系，根据能量守恒，得到实际施工的落距，与设计落距进行比较，是否在误差许可范围之内，来检验强夯施工落距是否达标的方法，不需人工监督；采用的技术方案是：通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯锤单次夯击的落差检验单次夯击是否达标，其中h为该次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，a_i为实时加速度，g为重力加速度，ds为通过积分求得的时间积分步长内的夯锤冲击行程数值；本发明用于夯击施工的检验工作。

Description

定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法

技术领域

本发明定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，属于土木工程地基处理技术领域，具体涉及夯击施工的检验工作。

背景技术

强夯法是一种将几十吨(一般为8-40t)重锤从几十米(一般6-40m)高处自由落下，对地基土进行挤密、强力夯实的方法。目前的情况是,强夯实践发展快，而强夯机理和设计理论仍有许多含混不清之处,理论远远落后于实践，强夯的能量分配、施工优化等问题一直备受关注。大多学者的研究都集中于强夯加固机理与设计理论，对于现场施工中的质量控制研究甚少，施工过程中甲方也不可能时时刻刻监测施工人员，所以实际生产实践中施工人员就会偷工减料，这样施工质量不能全面控制。

强夯的施工优化、施工质量控制，目前主要是以加固土体为对象，来检测并评价土体的加固效果，但是无法时时刻刻监测，施工质量不能全面控制。强夯冲击地基为一个复杂的课题，强夯过程是一个非常复杂的非线性过程，至今仍然没有一套成熟的理论及计算方法。夯锤和地层之间的相互作用是强夯地基处理效果研究的重要内容，了解清楚冲击作用对强夯施工优化，加固机理等方面有好处，为进一步开展从夯锤冲击地基角度来认识强夯加固效果机理研究提供帮助，为今后实际工程施工现场质量控制方面做相应的指导。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题是提供一种通过计算落差，利用强夯冲击荷载与地层之间的关系，根据能量守恒，得到实际施工的落距，与设计落距进行比较，是否在误差许可范围之内，来检验单次夯击是否达标，并通过全程记录数据监测夯击全程工作是否达标的方法，不需人工监督，即可判定强夯施工落距是否达标。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯锤单次夯击的落差检验单次夯击是否达标，其中h为该次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，a_i为实时加速度，g为重力加速度，ds为时间积分步长内的夯锤冲击行程数值，具体步骤如下：

a)测量单次夯击前的夯坑深度b₀，计算出单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h＝h₀+b₀，其中h₀为夯锤重心到水平地面之间的垂直距离设计值；

b)在夯锤的顶部中心安装加速度传感器进行夯击试验，并通过动态测试采集仪记录夯锤的动态加速度数据；

c)根据采集的动态加速度数据得出夯锤每一击的加速度时程曲线；

d)将上述夯锤的加速度时程曲线中加速度发生变化的拐点处的时间归零，作为夯锤冲击行程的起点，得到修正后单击作用下夯锤冲击行程的加速度时程曲线，并得出实时加速度a_i；

e)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

f)根据冲击动力学原理，将上述加速度数据以数值积分

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(\right|a_i|\·\mathrm{\δ}t),$

计算得出夯锤实时速度v_i，得到速度时程曲线，

其中为夯锤落地速度，h为单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，即为所述步骤a)中所得h，g为重力加速度，

在速度时程曲线上找到夯锤速度首次减小到0的时刻T，

得到夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值n，

$n=\frac{T}{\mathrm{\δ}t},$

i为时间积分步长的序列号，n为夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值，a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

g)根据夯锤实时速度v_i，可得

δs_i＝v_i·δt，

计算得出第i个时间积分步长内的夯锤冲击行程数值δs_i，

其中v_i为上述夯锤速度，δt为时间积分步长；

h)通过上述步骤a)得出的夯击前夯锤底面到夯坑底面之间的垂直距离h、实时加速度a_i和第i个时间积分步长内的夯锤冲击行程数值ds_i，计算单次夯击的落差Δh：

$\mathrm{\Δ}h=h-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(\frac{\left|a_i\right|}{g}\·v_i\·\mathrm{\δ}t),$

即：

$\mathrm{\Δ}h=h-{\∫}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}\·ds;$

i)依据单次夯击的落差Δh的数值，得出判断该次夯击是否达标，Δh不大于0.3m，即为该次夯击落距达标。

所述落差Δh与单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h之比为相对落差比D_Δh：

$D_{\mathrm{\Δ}h}=\frac{\mathrm{\Δ}h}{h}$

D_Δh的计算值不大于2％，则进一步判定该次夯击落距达标。

所述步骤a)记录每一次夯击的夯坑深度b₀，所述步骤b)通过动态测试采集仪记录夯锤每一击的动态加速度数据，计算出每一次夯击的落差，检验全程夯击工程是否达标。

所述步骤b)中的加速度传感器是无线式加速度传感器。

所述步骤b)中的加速度传感器是压电式加速度传感器。

本发明同现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明引入了量化分析强夯施工质量控制参数—落差Δh，能够从定量的角度去分析强夯施工质量是否达标，有效地解决了现有技术仅以加固土体为对象来评价土体的加固效果，而无法时时刻刻监测，施工质量不能全面控制的难题，实现强夯效能、加固效果的定量评价，为地基处理的设计提供参考，方法简单，物理意义明确，计算准确又方便经济，质量的保证是每一个工程的精髓所在，现代工程追求效率、施工质量的优化，所以对以后实际工程施工质量监测具有很好的指导意义。

2、本发明在通过落差Δh判定工程是否达标后，再一次通过相对落差比D_Δh进行判定，落差、相对落差比的双重控制能直观地反映强夯施工落距是否达标，检验更加严格精确。

3、本发明是以夯锤为研究对象，弥补了以土体为研究对象，依靠地基中埋设如土压力盒等确定夯击数的方法中测试元件易损坏这一问题，经济实惠。

4、本发明在每次夯击后对夯坑深度进行测量记录，动态测试采集仪记录夯锤每次夯击的动态加速度数据，在工程完成后对每次夯击都进行落差计算，检验全程夯击工程是否达标，不需要时时刻刻监测施工人员即可对施工合理性、责任性以及研究夯锤的能量消耗分配等进行了解。

5、本发明中夯锤重心到水平地面之间的垂直距离h₀为工程设计固定值，计算落差只需对每次夯击后的夯坑深度进行测量，再根据加速度传感器所得数据即可计算得出，测量简单方便，安全性较高，且无线式加速度传感器可以以一台控制器同时对多个工程进行监控，节省了工程成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明夯击实验第五击全程加速度时程曲线。

图2为本发明夯击实验第五击加速度起始时间归零时程曲线。

图3为本发明夯击实验第五击速度时程曲线。

图4为本发明夯击实验第五击夯锤冲击行程曲线。

具体实施方式

根据功能原理，强夯冲击地基土满足能量守恒

${\∫}_0^s{f}_i\·ds=mgh,$

f_i＝ma_i，

h＝h₀+b₀，

其中m为夯锤质量，a_i为夯锤的实时加速度，s为夯锤的冲击行程数值，g为重力加速度，h为该次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，h₀为夯锤重心到水平地面之间的垂直距离，该数值是根据工程需要给出的固定设计值，不需测量，b₀为夯击前的夯坑深度。

实际上可能存在落距不够的现象，则

${\&Integral;}_0^s{f}_i\&CenterDot;ds<mgh,$

$mgh-{\&Integral;}_0^s{f}_i\&CenterDot;ds=mgh-{\&Integral;}_0^{s}m\left|a_i\right|\&CenterDot;ds=mgh-{\&Integral;}_0^{t}m\left|a_i\right|\&CenterDot;v_{i}dt,$

求得落差Δh：

$\mathrm{\&Delta;}h=\frac{mgh-{\&Integral;}_0^{s}m\left|a_i\right|\&CenterDot;ds}{mg}=h-{\&Integral;}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;ds,$

ds为时间积分步长内的夯锤冲击行程数值，

转化为数值积分形式：

$\mathrm{\&Delta;}h=h-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\&lsqb;\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;(v_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t)\&rsqb;,$

其中i为时间积分步长的序列号，n为夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值；

则第j次夯击下的落差为：

${\mathrm{\&Delta;h}}_j=h_j-{\&Integral;}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;ds,$

转化为数值积分形式：

${\mathrm{\&Delta;h}}_j=h_j-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\&lsqb;\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;s}}_i\&rsqb;,$ 即 ${\mathrm{\&Delta;h}}_j=h_j-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\&lsqb;\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;(v_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t)\&rsqb;;$

求得T时刻的位移s_T：

$s_T=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{v}_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t,$ 其中T＝n×δt；

根据实际工程需要，只要满足Δh_i小于0.3m，即为该次夯击落距达标；

相对落差比只要满足即可进一步确定夯击落距达标。

本发明定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯锤单次夯击的落差检验单次夯击是否达标，其中h为该次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，a_i为实时加速度，g为重力加速度，ds为时间积分步长内的夯锤冲击行程数值，具体步骤如下：

a)测量单次夯击前的夯坑深度b₀，计算出单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h＝h₀+b₀，其中h₀为夯锤重心到水平地面之间的垂直距离设计值；

b)在夯锤的顶部中心安装加速度传感器进行夯击试验，并通过动态测试采集仪记录夯锤的动态加速度数据；

c)根据采集的动态加速度数据得出夯锤每一击的加速度时程曲线；

d)将上述夯锤的加速度时程曲线中加速度发生变化的拐点处的时间归零，作为夯锤冲击行程的起点，得到修正后单击作用下夯锤冲击行程的加速度时程曲线，并得出实时加速度a_i；

e)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

f)根据冲击动力学原理，将上述加速度数据以数值积分

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left(\right|a_i|\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t),$

计算得出夯锤实时速度v_i，得到速度时程曲线，

其中为夯锤落地速度，h为单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，即为所述步骤a)中所得h，g为重力加速度，

在速度时程曲线上找到夯锤速度首次减小到0的时刻T，

得到夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值n，

$n=\frac{T}{\mathrm{\&delta;}t},$

i为时间积分步长的序列号，n为夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值，a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

g)根据夯锤实时速度v_i，可得

δs_i＝v_i·δt，

计算得出第i个时间积分步长内的夯锤冲击行程数值δs_i，

其中v_i为上述夯锤速度，δt为时间积分步长；

h)通过上述步骤a)得出的夯击前夯锤底面到夯坑底面之间的垂直距离h、实时加速度a_i和第i个时间积分步长内的夯锤冲击行程数值ds_i，计算单次夯击的落差Δh：

$\mathrm{\&Delta;}h=h-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;v_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t),$

即：

$\mathrm{\&Delta;}h=h-{\&Integral;}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;ds;$

i)依据单次夯击的落差Δh的数值，得出判断该次夯击是否达标，Δh不大于0.3m，即为该次夯击落距达标。

所述落差Δh与单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h之比为相对落差比D_Δh：

$D_{\mathrm{\&Delta;}h}=\frac{\mathrm{\&Delta;}h}{h}$

D_Δh的计算值不大于2％，则进一步判定该次夯击落距达标。

所述步骤a)记录每一次夯击的夯坑深度b₀，所述步骤b)通过动态测试采集仪记录夯锤每一击的动态加速度数据，计算出每一次夯击的落差，检验全程夯击工程是否达标。

所述步骤b)中的加速度传感器是无线式加速度传感器。

所述步骤b)中的加速度传感器是压电式加速度传感器。

实施例

以钢铁材料直径为32cm的夯锤为研究对象，进行试验。夯锤质量为70kg，根据工程要求设计夯锤重心到水平地面的垂直距离为1.4m，即h₀＝1.4m，能级为980N.m。地基材料选用含水量在最优含水量14％附近的黄土状粉土进行填筑，填筑厚度0.75m，填筑密实度0.85，平面尺寸4m×3m，试验夯击14下。起落架及自动脱钩为简易装置。为获得夯锤在冲击过程中的加速度时程曲线，在夯锤顶部设置压电式加速度传感器，型号为DH131E，利用DH5956动态应变仪进行动态加速度信号的采集。夯坑深度采用水准仪进行测量以得到每一击的夯沉量。试验后对采集到的夯锤加速度曲线、每击夯沉量进行研究，本实施例取试验第五击数据计算分析。

a)通过水准仪测量夯锤第四击后的夯坑深度b₀＝0.115m，夯锤重心到水平地面之间的垂直距离h₅＝1.4+0.115＝1.515m。

b)通过动态测试采集仪记录夯锤第五击的动态加速度数据；

c)根据采集的动态加速度数据得出主要时程曲线如图1所示，横坐标即时间轴，单位为s；纵轴数值为负值表示加速度方向向上，单位为m/s²。

d)根据压电式加速度传感器的特性，夯锤无论在匀速起吊，还是触地前自由落体，均处于惯性状态，仪器显示的数据理论上均为零，如图1中的点1前纵轴的加速度数值基本在零位。点1后加速度开始发生明显变化时，表示夯锤受到了除重力外的其它作用力。因此，将点1处作为拟讨论的夯锤冲击行程的起点。

分别将图1中标志点1作为时程曲线的时间零点，即将加速度开始变化处时间点归零，可得单击作用下修正的加速度时程曲线如图2所示，也就是单击下夯锤主要的冲击行程。

e)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击行程的开始，速度首次减小为零对应的时间为冲击行程的结束。将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

f)一般情况下，夯锤自由落体过程中受到的空气阻力相比其重量可以忽略。因此，夯锤落地初速度可按下式得出：

$v_0=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\&times;9.8\&times;1.4}=5.24m/s$

将落地初速度作为初始条件(忽略0.1～0.2m的夯坑深度对落地速度的影响)，可得夯锤速度计算式，即：

$v=v_0-{\&Integral;}_0^t\left|a\right|dt,$

其中a为加速度传感器测试值，v₀为夯锤落地初速度；

将上述计算式转换为数值积分形式：

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left(\right|a_i|\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t),$

其中a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

针对图2中所示的加速度时程曲线，依据该数值积分编制程序，计算夯锤速度v_i，得到速度时程曲线如图3所示。

在速度时程曲线上找到夯锤速度首次减小到0时对应的时间T为0.0245s，采样频率为2kHz，则 $\mathrm{\&delta;}t=\frac{1}{f}=\frac{1}{2000}=0.0005,n=\frac{T}{\mathrm{\&delta;}t}=\frac{0.0245}{0.0005}=49;$

g)进而可求得T时刻的位移s_T：

$s_T=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(v_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t),$

其中T＝n×δt，s_T为夯锤T时刻冲击行程数值，v_i为夯锤的速度值，δt为时间积分步长；将速度曲线根据该数值积分进行计算，得到夯锤冲击行程的位移时程曲线如图4所示，得到夯锤最大冲击行程最大冲击行程对应的时刻T(速度首次减小为零的时刻)为0.0245s；

h)将夯锤加速度量化后与夯锤冲击行程s相乘积分，得：

${\&Integral;}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;ds=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\&lsqb;\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;(\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t)\&rsqb;=\underset{i=1}{\overset{49}{\&Sigma;}}\&lsqb;\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;(v_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t)\&rsqb;=1.501m;$

i)通过上述测量及积分计算出的数值，计算各组夯锤每一击的落差Δh：

$\mathrm{\&Delta;}h=h-{\&Integral;}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}ds$

可得Δh＝1.515-1.501＝0.014m，Δh小于0.3m，则可判定夯击第五击落距达标。

所述落差Δh与该次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h之比为相对落差比D_Δh：

$D_{\mathrm{\&Delta;}h}=\frac{\mathrm{\&Delta;}h}{h}$

得：D_Δh＝(1.515-1.501)/1.515＝0.92％<2％，

D_Δh的计算值不大于2％，即可进一步判定第五击夯击落距达标，落距施工质量控制都符合要求。

重复a)～i)步骤，得到多次夯击的落差数值，对每次夯击的落距是否达标进行判定，从而达到夯击工程全程监测的效果。

上述方法计算得出夯锤的每一次夯击的落差、相对落差比，通过双重指标的控制能直观地反映和监测强夯施工落距是否达标，为实际工程的过程监测提供了一个新的思路，要想时时刻刻监测施工人员的施工合理性、责任性以及研究夯锤的能量消耗分配等难题，引入落差这一概念，采用落差和相对落差比的大小来监测落距是否达标，将落差与击数画在同一曲线中，在上下幅度为0.3m的范围内为施工许可范围，落差越小，施工人员的责任性越强，施工质量越有保障。因此，相对落差大小能够监测强夯施工落距是否达标，这样既科学、准确、方便、又经济，对实际工程有重要指导意义。

Claims (5)

1.定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，其特征在于，通过夯锤的夯击试验，定义并计算夯锤单次夯击的落差检验单次夯击是否达标，其中h为该次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，a_i为实时加速度，g为重力加速度，ds为时间积分步长内的夯锤冲击行程数值，具体步骤如下：

a)测量单次夯击前的夯坑深度b₀，计算出单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h＝h₀+b₀，其中h₀为夯锤重心到水平地面之间的垂直距离设计值；

b)在夯锤的顶部中心安装加速度传感器进行夯击试验，并通过动态测试采集仪记录夯锤的动态加速度数据；

c)根据采集的动态加速度数据得出夯锤每一击的加速度时程曲线；

d)将上述夯锤的加速度时程曲线中加速度发生变化的拐点处的时间归零，作为夯锤冲击行程的起点，得到修正后单击作用下夯锤冲击行程的加速度时程曲线，并得出实时加速度a_i；

e)以夯锤落地速度为初始条件，作为冲击时程的开始，将采集到的加速度时程曲线通过A/D转换得到离散的数据；

f)根据冲击动力学原理，将上述加速度数据以数值积分

$v_i=v_0-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\left(\right|a_i|\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t),$

计算得出夯锤实时速度ν_i，得到速度时程曲线，

其中为夯锤落地速度，h为单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离，即为所述步骤a)中所得h，g为重力加速度，

在速度时程曲线上找到夯锤速度首次减小到0的时刻T，

得到夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值n，

$n=\frac{T}{\mathrm{\&delta;}t},$

i为时间积分步长的序列号，n为夯锤速度首次减小到0时对应的时间步长序列号值，a_i为加速度传感器测试值，δt为时间积分步长；

g)根据夯锤实时速度ν_i，可得

δs_i＝v_i·δt，

计算得出第i个时间积分步长内的夯锤冲击行程数值δs_i，

其中v_i为上述夯锤速度，δt为时间积分步长；

h)通过上述步骤a)得出的夯击前夯锤底面到夯坑底面之间的垂直距离h、实时加速度a_i和第i个时间积分步长内的夯锤冲击行程数值ds_i，计算单次夯击的落差Δh：

$\mathrm{\&Delta;}h=h-\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}(\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;v_i\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}t),$

即：

$\mathrm{\&Delta;}h=h-{\&Integral;}_0^s\frac{\left|a_i\right|}{g}\&CenterDot;ds;$

i)依据单次夯击的落差Δh的数值，得出判断该次夯击是否达标，Δh不大于0.3m，即为该次夯击落距达标。

2.根据权利要求1所述的定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，其特征在于：所述落差Δh与单次夯击前夯锤重心到夯坑底面之间的垂直距离h之比为相对落差比D_Δh：

$D_{\mathrm{\&Delta;}h}=\frac{\mathrm{\&Delta;}h}{h},$

D_Δh的计算值不大于2％，则进一步判定该次夯击落距达标。

3.根据权利要求1或2所述的定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，其特征在于：所述步骤a)记录每一次夯击的夯坑深度b₀，所述步骤b)通过动态测试采集仪记录夯锤每一击的动态加速度数据，计算出每一次夯击的落差，检验全程夯击工程是否达标。

4.根据权利要求1或2所述的定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，其特征在于：所述步骤b)中的加速度传感器是无线式加速度传感器。

5.根据权利要求4所述的定义并计算落差检验强夯施工落距是否达标的方法，其特征在于：所述步骤b)中的加速度传感器是压电式加速度传感器。