CN107843743A

CN107843743A - 一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法

Info

Publication number: CN107843743A
Application number: CN201710893735.5A
Authority: CN
Inventors: 黄玮; 梁永辉; 秦振华; 李伟; 何立军; 刘坤; 苏志鹏; 蒋松
Original assignee: East China Architectural Design And Research Institute Co Ltd Shanghai Underground Space And Engineering Design Research Institute; SHANGHAI SHENYUAN GEOTECHNICAL ENGINEERING Co Ltd
Current assignee: East China Architectural Design And Research Institute Co Ltd Shanghai Underground Space And Engineering Design Research Institute; SHANGHAI SHENYUAN GEOTECHNICAL ENGINEERING Co Ltd
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: CN107843743B

Abstract

本发明公开了一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述强夯施工数据采集方法具体包括以下步骤：在夯锤上安装冲击加速度传感器，并将所述冲击加速度传感器与信号处理装置连接；在所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置根据所述冲击加速度传感器的测量结果测算所述夯锤的夯击能级、夯沉量以及所述夯锤在夯击时的倾斜度。本发明的优点是：通过信息化技术采集夯锤冲击地面时的加速度，通过对采集数据的传输、分析和处理，实现了强夯施工状态的实时监控，既节省了成本，又提高了工作效果。

Description

一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法

技术领域

本发明属于土木工程领域，具体涉及一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法。

背景技术

强夯法是一种经济高效的地基处理方法。上世纪60年代末由法国Menard技术公司首先创用，由于强夯技术效果显著、经济易行、施工便捷、施工周期短、适用范围广等优点，自1975年引进我国以来得到迅速推广和应用。

强夯法加固地基的原理是反复将夯锤从一定高处自由落下，将势能转化为动能，而后在土体中产生很大的冲击波和高应力，从而提高地基强度，降低压缩性，改善土体的性能。强夯法具有施工简单、效果好、费用低等优点，适用于多种地基土，尤其大面积地基处理的工程中应用强夯法的优势很显著。

在强夯施工过程中，记录的施工参数主要包括夯击击数、夯击能级和单击夯沉量。收锤标准通过夯击的击数和最后两击平均夯沉量控制。

目前，夯击的击数主要通过人工测读进行记录，每夯击一下便在总击数上增加一次夯击击数。中国实用新型专利(CN 201662703 U)公开了一种通过在强夯机上安装击数计量电子机构的方法，记录夯击的击数。但该机构安装复杂，稳定性较差。

常用的夯击能级的测量方法，通常是在夯击前对夯锤进行称重，获得夯锤的质量，将夯锤质量乘以提升高度再乘以重力加速度，即可得到夯锤夯击能级，单位为kN.m。

单击夯沉量的测量方法主要有三种，分别为：人工测量法、光电编码器测量法、激光测距法。

人工测量法测量夯沉量，是在每次夯击完成后，由一个工人将水准尺竖直放置于夯锤顶部，另一个工人通过水准仪测读水准尺上的读数，将本次读数与前一次读数之差作为该次夯击的夯沉量。该方法由于夯锤并非完全水平，夯锤顶部存在高度不等的覆土，以及工人放置水准尺的位置不同，均在对夯沉量的测量造成客观误差，同时，测量仪器的精度，以及测量人员读数的准确性也会造成人为误差。但该方法由于操作简便，在实际施工过程中得到广泛应用。

光电编码器测量法，是通过在起升卷筒的轴上安装光电编码器，并连接卷扬，通过编码器的输出实时监测下落绳长，计算单击夯沉量(如CN 103471541 B)。该方法具有一定的适用性，但设备安装较为复杂，且测量误差较大。

激光测距法或双目测距法，是采用激光测距传感器监测夯锤相对于激光传感器的距离，并对数据进行计算处理，从而获得单击夯沉量(如CN 102032896 B)。由于施工环境恶劣，空气中尘土较多，容易遮挡激光测量，同时夯锤顶部通常都会被尘土覆盖，可能造成测量误差，实际应用效果较差。

在强夯施工完成后，需要对场地进行地基处理效果的检测，常用采用平板载荷试验、动力触探试验和标准贯入度试验等原位测试方法。这些检测方法通过在场地内选取一定数量的点进行检测，因此具有一定的随机性，而且检测时间较长，对施工进度容易造成影响。

中国发明专利(CN 102943461 A)公开了一种利用瑞雷面波评价地基强夯加固效果的量化方法，该方法通过室内试验得到土体最大剪切波速，通过对比夯击前后土体的剪切波速，定量的评价强夯加固效果。该方法检测结果受瑞雷面波采集点与夯锤的距离影响较大，实际应用效果较差。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，该方法通过利用冲击加速度传感器测量夯锤的加速度从而准确地推算出夯锤的夯沉量等参数，解决了现有技术中存在的技术问题。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，所述强夯施工数据采集方法具体包括以下步骤：在夯锤上安装冲击加速度传感器，并将所述冲击加速度传感器与信号处理装置连接；在所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置根据所述冲击加速度传感器的测量结果测算所述夯锤的夯击能级、夯沉量以及所述夯锤在夯击时的倾斜度。

所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置持续对所述冲击加速度传感器的检测结果进行采样，得到冲击加速度的采样序列{ai}。

所述信号处理装置计算所述夯击能级采用的计算公式如下所示：

其中，W为所述夯锤的夯击能级，单位kN·m；m为所述夯锤的质量，单位kg；a_i为第t_i时刻采样的冲击加速度的绝对值，单位m·s^-2；v_i为第i次采样时间t_i时刻所述夯锤的速度，单位m·s^-1；Δt为第i次采样时间t_i与第i-1次采样时间t_i-1的差值，单位为s。

所述信号处理装置计算所述夯沉量采用的计算公式如下所示：

其中，S为所述夯锤的单击夯沉量，单位m；η为综合系数，与被夯击的土体的类型和夯击能级有关，通过试夯试验确定；v_i为第i次采样时间t_i时刻所述夯锤的速度，单位m·s^-1；Δt为第i次采样时间t_i与第i-1次采样时间t_i-1的差值，单位为s。

所述夯锤的上表面上安装有四个所述冲击加速度传感器，四个所述冲击加速度传感器呈矩形排列。

所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置持续对四个所述冲击加速度传感器的检测结果进行采样，得到所述夯锤每次夯击时四个所述冲击加速度传感器检测到的最大峰值加速度a_j(j＝1～4)，所述信号处理装置计算所述夯锤在夯击时的倾斜度采用的计算公式如下所示：

其中，β为所述夯锤在夯击时的倾斜度；a_max为四个最大峰值加速度中的最大值，a_min为四个最大峰值加速度中的最小值。

各所述冲击加速度传感器的安装位置与所述夯锤的边缘之间的距离大于10cm。

本发明的优点是：(1)通过信息化技术采集夯锤冲击地面时的加速度，通过对采集数据的传输、分析和处理，实现了强夯施工状态的实时监控，既节省了成本，又提高了工作效果；(2)采用加速度传感器测量冲击加速度，采用PLC逻辑控制器对数据进行分析处理，稳定可靠；(3)采用无线传输方式将数据采集仪采集到的加速度信号，传输至PLC逻辑控制器中，避免了传输数据线的布置；(4)结构简单，安装、拆卸简便，无需对原有机械设备进行改造，可用于各种强夯机，同时，不受外界施工环境影响，持续工作时间长，稳定性高。

附图说明

图1为本发明中逻辑控制器的结构框图；

图2为本发明中夯锤的侧视图；

图3为本发明中夯锤的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3，图中标记1-14分别为：冲击加速度传感器1、数据采集仪2、逻辑控制器3、夯锤4、固定外壳5、减振防护泡沫6、中央处理器7、计数模块8、存储器9、显示器10、串口扩展电路11、WiFi通信模块12、供电单元13、吊轴14。

实施例：如图1至3所示，本实施例具体涉及一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，本方法主要通过在安装夯锤4上的冲击加速度传感器1采集夯锤4夯击过程中的加速度，并根据夯锤4的冲击加速度计算夯锤4的夯击能级、夯沉量以及夯击时的倾斜度；该方法具体包括以下步骤：

1)如图1至3所示，在夯锤4上安装冲击加速度传感器1，并将冲击加速度传感器1与信号处理装置连接；本实施例中信号处理装置包括数据采集仪2以及逻辑控制器3；在安装过程中，将冲击加速度传感器1以及数据采集仪2安装在夯锤4的上表面，将逻辑控制器3安装在强夯机的驾驶室内部；冲击加速度传感器1与数据采集仪2连接；数据采集仪2与逻辑控制器3之间通过无线网络连接。

如图2、3所示，本实施例中冲击加速度传感器1为压电式加速度传感器，传感器的量程大于±500g，工作温度范围-40～120℃；本实施例中冲击加速度传感器1的数目为四，四个冲击加速度传感器1在所述夯锤的上表面呈矩形排列；冲击加速度传感器1通过螺栓与所述夯锤4刚性连接，冲击加速度传感器1的安装位置与夯锤4的边缘之间的距离大于10cm；在冲击加速度传感器1顶端设置有信号传输线以便冲击加速度传感器1与数据采集仪2连接。

如图2、3所示，数据采集仪2的数据采集通道大于四，各冲击加速度传感器1分别与一个数据采集通道连接；数据采集仪2具有无线WiFi模块以及以太网接口，以便数据采集仪2与逻辑控制器3进行通信；数据采集仪2内部设置有可充电锂电池，电池的容量使得数据采集仪2的工作时长不小于8小时；夯锤4的上表面设置有用于容纳数据采集仪2的固定外壳5，固定外壳5的内壁与数据采集仪2之间的空隙填充有减振防护泡沫6；固定外壳5与减振防护泡沫6使得数据采集仪2可以在强振、高温等恶劣环境下长时间稳定的工作；数据采集仪2的安装位置与夯锤4的吊轴14之间的距离大于20cm，以防止夯锤4起吊和脱钩对数据采集仪2造成不良影响。

如图1所示，本实施例中，逻辑控制器3为PLC逻辑控制器；逻辑控制器3包括中央处理器7、计数模块8、存储器9、显示器10、串口扩展电路11、WiFi通信模块12和供电单元13。中央处理器7用于控制PLC逻辑控制器的运行，并对接收到的数据进行相关处理；计数模块8可以记录夯锤4的夯击击数；存储器9用于存储冲击加速度传感器1采集到的数据；显示器10可以为触屏也可以为非触屏，主要用于显示处理结果和施工人员进行相关操作；供电单元13为逻辑控制器3提供电源，保证PLC逻辑控制器正常工作；WiFi通信模块12与数据采集仪相适配，用于接收数据采集仪2发出的数据。

2)如图1、2所示，在工作过程中，强夯机重复地将夯锤4提升并将夯锤4脱钩释放，使得夯锤4自由落体下落，利用下落的动能对其下方的土体进行夯实加固；在夯锤4每次下落的过程中，冲击加速度传感器1持续地采集夯锤4的加速度数据；冲击加速度传感器1将采集到的信号通过传输线传送至数据采集仪2，数据采集仪2对冲击加速度传感器1的电压信号进行滤波处理和A/D转换，转换后的数据通过无线网络传输至逻辑控制器3；逻辑控制器3会根据接收到的加速度数据计算夯锤4的夯击能级、夯沉量以及夯锤倾斜度。

2.1)如图1、2所示，每次夯锤4下落并对土体进行夯击的过程中，信号处理装置的数据采集仪2持续对冲击加速度传感器1的检测结果进行采样，得到冲击加速度的采样序列{a_i}，并将冲击加速度的采样序列{a_i}发送至信号处理装置的逻辑控制器3；逻辑控制器3可根据冲击加速度的采样序列{a_i}以及采样间隔计算出夯锤4的速度采样序列{v_i}；本实施例中夯锤4上安装有四个冲击加速度传感器1，冲击加速度的采样序列{a_i}可采用四个冲击加速度传感器1中任意一个传感器的测量结果。

如图1、2所示，信号处理装置的逻辑控制器3可根据冲击加速度的采样序列{a_i}以及速度采样序列{v_i}计算夯锤4的夯击能级，计算夯击能级采用的计算公式如下所示：

其中，W为夯锤4的夯击能级，单位kN·m；m为夯锤4的质量，单位kg；a_i为第t_i时刻采样的冲击加速度的绝对值，单位m·s^-2；v_i为第i次采样时间t_i时刻夯锤4的速度，单位m·s^-1；Δt为第i次采样时间t_i与第i-1次采样时间t_i-1的差值，单位为s。

如图1、2所示，信号处理装置的逻辑控制器3可根据冲击加速度的采样序列{a_i}以及速度采样序列{v_i}计算夯锤4的夯沉量，计算夯沉量采用的计算公式如下所示：

其中，S为夯锤4的单击夯沉量，单位m；η为综合系数，与被夯击的土体的类型和夯击能级有关，通过试夯试验确定；v_i为第i次采样时间t_i时刻所述夯锤的速度，单位m·s^-1；Δt为第i次采样时间t_i与第i-1次采样时间t_i-1的差值，单位为s。

2.2)如图1、2所示，每次夯锤4下落并对土体进行夯击的过程中，信号处理装置的数据采集仪2持续对四个冲击加速度传感器1的检测结果进行采样，得到夯锤4每次夯击时四个冲击加速度传感器1检测到的最大峰值加速度a_j(j＝1～4)，信号处理装置计算夯锤4在夯击时的倾斜度采用的计算公式如下所示：

其中，β为夯锤4在夯击时的倾斜度；a_max为四个最大峰值加速度中的最大值，a_min为四个最大峰值加速度中的最小值。

本实施例的有益技术效果为：(1)通过信息化技术采集夯锤冲击地面时的加速度，通过对采集数据的传输、分析和处理，实现了强夯施工状态的实时监控，既节省了成本，又提高了工作效果；(2)采用加速度传感器测量冲击加速度，采用PLC逻辑控制器对数据进行分析处理，稳定可靠；(3)采用无线传输方式将数据采集仪采集到的加速度信号，传输至PLC逻辑控制器中，避免了传输数据线的布置；(4)结构简单，安装、拆卸简便，无需对原有机械设备进行改造，可用于各种强夯机，同时，不受外界施工环境影响，持续工作时间长，稳定性高。

Claims

1.一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述强夯施工数据采集方法具体包括以下步骤：在夯锤上安装冲击加速度传感器，并将所述冲击加速度传感器与信号处理装置连接；在所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置根据所述冲击加速度传感器的测量结果测算所述夯锤的夯击能级、夯沉量以及所述夯锤在夯击时的倾斜度。

2.根据权利要求1所述的一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置持续对所述冲击加速度传感器的检测结果进行采样，得到冲击加速度的采样序列{a_i}。

3.根据权利要求2所述的一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述信号处理装置计算所述夯击能级采用的计算公式如下所示：

<mrow> <mi>W</mi> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mi>m</mi> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow>

4.根据权利要求2所述的一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述信号处理装置计算所述夯沉量采用的计算公式如下所示：

<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <mi>&eta;</mi> <mo>&CenterDot;</mo> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

5.根据权利要求1所述的一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述夯锤的上表面上安装有四个所述冲击加速度传感器，四个所述冲击加速度传感器呈矩形排列。

6.根据权利要求5所述的一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于所述夯锤对土体进行夯击的过程中，所述信号处理装置持续对四个所述冲击加速度传感器的检测结果进行采样，得到所述夯锤每次夯击时四个所述冲击加速度传感器检测到的最大峰值加速度a_j(j＝1～4)，所述信号处理装置计算所述夯锤在夯击时的倾斜度采用的计算公式如下所示：

<mrow> <mi>&beta;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mo>&times;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>a</mi> <mi>min</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>

7.根据权利要求5所述的一种基于冲击加速度的强夯施工数据采集方法，其特征在于各所述冲击加速度传感器的安装位置与所述夯锤的边缘之间的距离大于10cm。