CN108844853B - 一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置，方法包括待测定的复合浆液堆石料凝结三天后，在所述复合浆液堆石料上放置垫板，并在所述垫板上叠放若干质量块；以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石料的密度。避免了因复合浆液堆石坝表面强度过高导致的异常信号，并且避免了因复合浆液材料在凝结过程中导致堆石体力学参数变化引起的测试错误。

Description

一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置
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，涉及一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置。
背景技术
复合浆液堆石料是一种新型的筑坝材料。具体是将水泥、细沙、添加剂、水等材料的混合浆液注入地基坝体中，基于其易流动、后期硬化的特性能够充填堆石体的部分孔隙的特性，以改变地基坝体的力学性能，减少堆石体孔隙率，提高堆石体密实度。复合浆液堆石料的前期碾压和后期注浆以后的密实度是设计和施工单位关心的重点，由于这是一种最新研制的筑坝材料，因此需要研究针对该材料的密度检测方法。
公开号为CN1165292A的一项发明专利“堆石体密度测定的附加质量法”公开了堆石体密度测定的附加质量法方法。该方法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自振频率f，从而计算出参振质量M0，利用公式求得地基坝体测点位的密度，该方法主要应用在堆石体的密度测试上。
由于复合浆液堆石体与纯堆石体在工程力学上存在较大的差异，无法将现有的附加质量法技术直接应用于复合浆液堆石体的密度测试中，且附加质量法在应用中也遇到了一些问题，限制了附加质量法的应用范围。
(1)不同附加质量条件下的测试主频与附加质量之间并未呈现堆石体中常见的良好的线性关系；
(2)注浆之后不同时段同一测点所求取的动刚度K和参振质量M0变化范围大，难以控制测试数据质量；
(3)每级质量块的主频频差大于3Hz，不符合规程规范测试要求。
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一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置，解决了不同附加质量条件下的测试主频与附加质量之间并未呈现堆石体中常见的良好的线性关系；注浆之后不同时段同一测点所求取的动刚度K和参振质量M0变化范围大，难以控制测试数据质量；以及每级质量块的主频之差大于3Hz，不符合规程规范测试要求，故限制了附加质量法在复合浆液堆石坝中的应用问题。
根据本发明的一个方面，提供一种复合浆液堆石坝密度测定方法，包括：
待测定的复合浆液堆石料凝结三天后，在所述复合浆液堆石料上放置垫板，并在所述垫板上叠放若干质量块；
堆石料上放置300Kg重垫板，垫板呈圆形，并在所述垫板上叠放若干质量块；
以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；
基于每级附加质量块的自振频率做D-△m曲线，其中△m为质量块总重量，Di＝1/ωi 2＝1/(2πfi)2，ωi为振动的圆频率，fi为测得的自振频率，由D-Δm曲线的反向延长线在横坐标△m上截距的绝对值求出复合浆液堆石料的参振质量M0，曲线的斜率为动刚度K。
将动刚度K和参振质量M0参数输入到附加质量法数字量板中即可求得复合浆液堆石体密度。
作为优选的，在所述复合浆液堆石料上放置垫板前还包括：
在所述复合浆液堆石坝碾压坝体表面任意选取测量面，在所述测量面上均匀铺洒细沙。
作为优选的，所述垫板和所述质量块为直径相同的圆形铁板。
作为优选的，以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，具体包括：
将检波器固定在最上层的质量块上，并通过附加质量法检测仪进行数据采集，得到自振频率；撤除最上层的质量块，将检波器固定在次上层的质量块上，重复上述数据采集过程，直至所有质量块撤除，得到每个质量块上测得的自振频率。
作为优选的，基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石料的密度，具体包括：
基于每级附加质量块的自振频率做D-△m曲线，其中△m为质量块总重量，Di＝1/ωi 2＝1/(2πfi)2，fi为测得的自振频率，由D-Δm曲线的反向延长线在横坐标△m上截距的绝对值求出复合浆液堆石料的参振质量M0，曲线的斜率为动刚度K。
将动刚度K和参振质量M0参数输入到附加质量法数字量板中即可求得复合浆液堆石体密度。
作为优选的，所述垫板质量为300kg，所述质量块的质量为25kg。
一种复合浆液堆石坝密度测定装置，包括多级附加质量装置、数据采集装置和密度计算装置；
所述多级附加质量装置包括缓冲垫层、垫板和若干质量块；
所述数据采集装置用于以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；
所述密度计算装置用于基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石料的密度。
本发明提出一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置，通过多级附加质量测自振频率，并基于自振频率求得复合浆液堆石坝的参振质量和动刚度，进而求取复合浆液堆石坝的密度，通过不同重量的圆形质量块采集的自振频率差均为1～2Hz，满足规程规范要求，测试所获取的信号主频清晰，信号质量好，避免了因复合浆液材料在凝结过程中导致堆石体力学参数变化引起的测试错误。
附图说明
图1为根据本发明实施例的复合浆液堆石坝密度测定方法流程示意图；
图2为根据本发明实施例的复合浆液堆石坝密度测定方法操作示意图。
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。
如图1所示，图中示出了一种复合浆液堆石坝密度测定方法，包括：
待测定的复合浆液堆石料凝结后，在所述复合浆液堆石料上放置垫板，并在所述垫板上叠放若干质量块；在本实施例中，等待复合浆液堆石料注浆后开始检测。通过对碾压面若干不重合测点的附加质量法测试参数动刚度K，参振质量M0变化幅度小于3％的时间点进行数理统计，分析最佳现场测试时间(3天)。
一般情况下，混凝土的强度随时间变化呈现快速增长，逐步增长，缓慢增加的过程，复合浆液也类似。复合浆液堆石体强度在1-7天呈现快速增长趋势，7天后逐步达到稳定状态。这7天中，附加质量法测试参数动刚度K和参振质量M0按一定规律进行波动，单纯以某一个时刻的测试参数难以准确判断测试数据的质量，需要找出既能满足测试要求，便于质量控制的最短时间。附加质量法本身是一种现场快速检测方法，时效性要求高，如7天之后检测，起不到快速检测的目的。为了了解龄期的变化对测试的影响，选取了多个测点进行多次附加质量法监测，通过统计分析，在本实施例中，测点在3天后测试参数(动刚度与参振质量)处于稳定状态，是最佳的测试时间。
以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；
基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石料的密度。
在本实施例中，在复合浆液堆石体碾压完成之后，在碾压面选择若干不重合测点，等时间间隔开展附加质量法测试，根据现场测试原始数据记录的质量，适时调整最小附加质量的重量(最初，采用5块质量块测取5个主频数据，每个质量块重75kg，随着时间的推移，根据测试原始数据的质量，逐步增加至9块质量块采集5个主频数据。测试时，每测取一级数据，就减少一块质量块，采集5级数据，剩下的质量块为最小附加质量)，直至附加质量法测试参数动刚度K，参振质量M0变化幅度小于3％为止，记录每次测试的附加质量总重量，最小附加质量重量以及附加质量法测试参数动刚度K，参振质量M0变化幅度小于3％的时间点。
具体的，在本实施例中，在所述复合浆液堆石料上放置垫板前还包括：
在所述复合浆液堆石坝碾压坝体表面任意选取测量面，在所述测量面上均匀铺洒细沙，厚度大于0.5cm。
在本实施例中，所述垫板和所述质量块为直径相同的圆形铁板，具体的，垫板和质量块的直径都为50cm，本实施例中采用的质量块为5块25kg的圆形质量块，如图2所示，图中1、2、3、4、5表示质量块。
由于复合浆液表层粘结力要大于单纯堆石体的表层粘结力，如果附加质量的质量过小，则导致附加质量的压力无法集中传导到附加质量块底面下的深层复合浆液堆石体，从而难以满足附加质量块与其底面下一定范围内复合浆液堆石体产生共振的理论要求。此外，附加质量法D-△m测试曲线(其中△m为质量块总重量，Di＝1/ωi 2＝1/(2πfi)2，ωi为振动的圆频率，fi为测得的自振频率)要求为线性(理论上，附加质量法D-△m回归曲线一段为非线性，一段为线性)，如果附加质量过小，则导致样本点落入回归曲线的非线性段，则不满足理论要求，测试数据不合格，因此，为了使得测试准确，有必要增加最小附加质量的重量，才能满足线性要求。
附加质量法在用于单纯堆石体时，每块附加质量法的质量可决定每级主频的频差，考虑到附加质量法测试仪器的频率范围限制，为确保主频落入仪器的最佳测试窗口，通常要求主频频差为1-2Hz。附加质量法用于堆石体时，通常每级75Kg质量块，测试主频频差为2Hz左右，但用于复合浆液堆石体时，每级75Kg质量块，测试主频频差为5Hz(复合浆液堆石体刚度虽有所提高，但密度没有变化)，因此，需要适当减少附加质量块的重量，以满足现场测试要求。(通过现场试验，附加质量块每级重量应控制在25Kg，这样主频频差可控制在1-2Hz内，满足测试规范要求。)
统计参振质量M0变化幅度小于3％的时间点之后的碾压面若干不重合测点的最小附加质量，结合现场每个质量块的重量(便于等额分解)，确立最佳的最小附加质量(300Kg)。在本实施例中，(最小附加值质量的计算，主要采用现场试验的方式。通过大量数据的统计，考虑现场施工的简便性，确定最小附加质量为300Kg)
具体的，在本实施例中，以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，具体包括：
将检波器固定在最上层的质量块上，并通过附加质量法检测仪进行数据采集，得到自振频率；撤除最上层的质量块，将检波器固定在次上层的质量块上，重复上述数据采集过程，直至所有质量块撤除，得到每个质量块上测得的自振频率。
针对每一个测点开展附加质量法采集工作,采集步骤如下：
(1)将检波器固定在5块25Kg(1，2，3，4，5)的圆形质量块顶部，利用附加质量法采集仪器进行数据采集，分析自振频率f1；
(2)取下一块25Kg的圆形质量块(5)，将检波器固定在剩余质量块(1，2，3，4)的顶部，利用附加质量法采集仪器进行数据采集，分析自振频率f2；
(3)取下一块25Kg的圆形质量块(4)，将检波器固定在剩余质量块(1，2，3)的顶部，利用附加质量法采集仪器进行数据采集，分析自振频率f3；
(4)取下一块25Kg的圆形质量块(3)，将检波器固定在剩余质量块(1，2)的顶部，利用附加质量法采集仪器进行数据采集，分析自振频率f4；
(5)取下一块25Kg的圆形质量块(2)，将检波器固定在剩余质量块(1)的顶部，利用附加质量法采集仪器进行数据采集，分析自振频率f5。
具体的，在本实施例中，基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石料的密度，具体包括：
基于每个质量块上测得的自振频率得到复合浆液堆石料的动刚度和参振质量，并基于所述动刚度和参振质量得到所述复合浆液堆石料的密度。利用求得的自振频率f1、f2、f3、f4、f5，求取复合浆液堆石料的动刚度K及参振质量M0，从而求取堆石体的密度。
具体的，基于每个质量块上测得的自振频率得到复合浆液堆石料的参振质量，具体包括：
基于每级附加质量块的自振频率做D-Δm曲线，其中Δm为质量块总重量，Di＝1/ωi 2＝1/(2πfi)2，fi为测得的自振频率(i＝1，2，3，4，5)，可由D-Δm曲线的反向延长线在横坐标△m上截距的绝对值求出复合浆液堆石料的参振质量M0。
在本实施例中，以某水电站下游围堰试验场为例，在测区选取了3个测点，连续28天进行了复合浆液堆石料改进附加质量法检测。选取4个附加质量法检测值与坑测点的坑测值进行对比，如表1所示。
表1附加质量法检测值与坑测法测试值对比验证表
Figure BDA0001649416320000081
由表中可知，附加质量法检测值与坑测法测试值相对误差小于1.27％，平均相对误差为0.68％，说明该改进技术可适用于复合浆液堆石密度检测。
本实施例中还示出了一种复合浆液堆石坝密度测定装置，包括多级附加质量装置、数据采集装置和密度计算装置；
所述多级附加质量装置包括缓冲垫层、垫板和若干质量块；
所述数据采集装置用于以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；
所述密度计算装置用于基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石料的密度。
综上所述，本发明提出一种基于附加质量的复合浆液堆石坝密度测定方法和装置，通过多级附加质量测自振频率，并基于自振频率求得复合浆液堆石坝的参振质量和动刚度，进而求取复合浆液堆石坝的密度，通过不同重量的圆形质量块采集的自振频率差均为1～2Hz，满足规程规范要求，测试所获取的信号主频清晰，信号质量好，避免了因复合浆液堆石坝表面强度过高导致的异常信号，并且避免了因复合浆液材料在凝结过程中导致堆石体力学参数变化引起的测试错误。
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。

Claims (7)

1.一种复合浆液堆石坝密度测定方法，其特征在于，包括：
待测定的复合浆液堆石坝凝结三天后，在所述复合浆液堆石坝上放置垫板，并在所述垫板上叠放若干质量块；
以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；
基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石坝的密度；
其中，所述垫板质量为300kg，所述质量块的质量为25kg。
2.根据权利要求1所述的复合浆液堆石坝密度测定方法，其特征在于，在所述复合浆液堆石坝上放置垫板前还包括：
在所述复合浆液堆石坝碾压坝体表面任意选取测量点，在所述测量点上均匀铺洒细沙。
3.根据权利要求1所述的复合浆液堆石坝密度测定方法，其特征在于，所述垫板和所述质量块为直径相同的圆形铁板。
4.根据权利要求1所述的复合浆液堆石坝密度测定方法，其特征在于，以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，具体包括：
将检波器固定在最上层的质量块上，并通过附加质量法检测仪进行数据采集，得到自振频率；撤除最上层的质量块，将检波器固定在次上层的质量块上，重复上述数据采集过程，直至所有质量块撤除，得到每个质量块上测得的自振频率。
5.根据权利要求1所述的复合浆液堆石坝密度测定方法，其特征在于，基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石坝的密度，具体包括：
基于每个质量块上测得的自振频率得到复合浆液堆石坝的动刚度和参振质量，并基于所述动刚度和参振质量得到所述复合浆液堆石坝的密度。
6.根据权利要求5所述的复合浆液堆石坝密度测定方法，其特征在于，基于每个质量块上测得的自振频率得到复合浆液堆石坝的参振质量，具体包括：
基于每级附加质量块的自振频率做D-△m曲线，其中△m为质量块总重量，Di＝1/ωi 2＝1/(2πfi)2，ωi为振动的圆频率，fi为测得的自振频率，由D-Δm曲线的反向延长线在横坐标△m上截距的绝对值求出复合浆液堆石坝的参振质量。
7.一种复合浆液堆石坝密度测定装置，其特征在于，包括多级附加质量装置、数据采集装置和密度计算装置；
所述多级附加质量装置包括缓冲垫层、垫板和若干质量块；
所述数据采集装置用于以最上层的质量块为检测点，采集自振频率，撤除最上层的质量块，以次上层的质量块为检测点，重复上述采集过程，直至所有质量块都撤除，得到每个质量块上测得的自振频率；
所述密度计算装置用于基于每个质量块上测得的自振频率得到所述复合浆液堆石坝的密度；
其中，所述垫板质量为300kg，所述质量块的质量为25kg。
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