CN109339127B - 高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法及系统，沿夯板边缘均匀布置四个无线加速度传感器，确定每个无线加速度传感器的定位夯点；以一定的夯击能对土体进行多次夯击，夯板加速度峰值变化趋势由快到慢，逐渐趋于平稳，最终稳定在某一范围内，确定夯击次数与夯板加速度峰值的关系曲线；在地基上施加不同的荷载，得到不同荷载下对应的沉降量，以沉降量为横坐标，以荷载为纵坐标建立坐标轴，根据各组试验数据描点，用平滑的曲线顺次连接，得到沉降量‑荷载曲线，对该曲线用拟合；得到夯击次数与地基承载力的关系；结合两个关系曲线，得到加速度与地基承载力的关系曲线，利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

Description

高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法及系统

技术领域

本发明涉及一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法及系统。

背景技术

随着基础设施建设的持续发展，地基处理工程规模不断扩大，工程机械也日益朝着智能化、机电一体化方向发展。高速液压夯实机以其良好的机动性、可控性和安全性广泛应用在土石方边角、桥涵台背回填区等大型夯实机械的工作盲区以及停车场、机场和高速公路等多类地基压实工程中，满足了对夯实作业面单点或连续的压实要求。

目前，液压夯施工过程中普遍使用抽样检测的方法，通过夯实后的实测指标，即压实度、标准贯入击数等进行质量监控，或采用承载板试验确定地基承载力。但是，在大规模的地基处理工程中，这些方法效率低并存在较大的安全隐患。因此，采取先进技术将液压夯实机进行智能化改造，合理、高效、准确地对土体夯实效果和承载力变化趋势进行实时监测，对于保证夯实质量、提高夯实施工效率具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法及系统，本发明能够精准定位夯点，远程监测每一点的夯实效果，省去了夯后的大量繁杂试验，精度高，避免了人工抽样检测的概率性和低效率的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，包括以下步骤：

沿夯板边缘均匀布置四个无线加速度传感器，确定每个无线加速度传感器的定位夯点；

以一定的夯击能对土体进行多次夯击，夯板加速度峰值变化趋势由快到慢，逐渐趋于平稳，最终稳定在某一范围内，确定夯击次数与夯板加速度峰值的关系曲线；

在地基上施加不同的荷载，得到不同荷载下对应的沉降量，以沉降量为横坐标，以荷载为纵坐标建立坐标轴，根据各组试验数据描点，用平滑的曲线顺次连接，得到沉降量-荷载曲线，对该曲线用拟合；

利用一定夯击次数下对应的夯沉量，反算地基承载力的大小，得到夯击次数与地基承载力的关系；

结合两个关系曲线，得到加速度与地基承载力的关系曲线，利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

作为进一步的限定，所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

作为进一步的限定，所述加速度传感器安装时，沿夯板边缘留出四个与传感器尺寸一致的器件埋设凹槽，在凹槽的四个角周围打孔攻丝，分别将四个传感器焊接于四块安装基板上，并在安装基板的四个角打孔，打孔位置与凹槽的打孔位置相适配，将装有传感器的基板反面朝上盖在四个凹槽上部，并用螺栓固定。

作为进一步的限定，安装前，在凹槽四面涂抹重机械油。

作为进一步的限定，安装时，使得加速度传感器的主灵敏度轴和所测量的冲击荷载方向成一条直线。

作为进一步的限定，利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

作为进一步的限定，当加速度达到某一临界值时，对应的地基承载力即达到其设计值。

作为进一步的限定，利用临界加速度作为衡量指标继续对同一路段的其他夯点进行夯实。

一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定系统，包括：

沿夯板边缘均匀布置的四个无线加速度传感器，所述无线加速度传感器接收夯击时夯板加速度峰值变化趋势；

无线加速度传感器内设置GPS定位系统，定位夯点，通过远端处理器同时获取夯点位置信息和单点夯板加速度；

处理器，接收所述无线加速度传感器的检测值，获取夯点位置信息，获取不同荷载下对应的沉降量，被配置为以沉降量为横坐标，以荷载为纵坐标建立坐标轴，根据各组试验数据描点，用平滑的曲线顺次连接，得到沉降量-荷载曲线，对该曲线用拟合；

利用一定夯击次数下对应的夯沉量，反算地基承载力的大小，得到夯击次数与地基承载力的关系；

结合两个关系曲线，得到加速度与地基承载力的关系曲线，利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用无线加速度传感器，安装使用方便，支持多种网络拓扑结构，免除了现场布线的繁琐，避免了电缆带来的噪声，测量精度高，抗干扰能力强；

在内部埋设GPS定位系统，精准定位夯点，通过远端处理器同时获取夯点位置信息和单点夯板加速度，实时掌握液压夯的工作状态以及加速度指标所反映的地基承载力变化动态。

建立加速度与夯击次数、地基承载力与夯击次数的关系曲线，进而拟合加速度与地基承载力的关系曲线，从而利用加速度指标实时监测地基土的夯实效果，判断夯实工作是否需要继续；

省去了夯后的大量繁杂试验，精度高，避免了人工抽样检测的概率性和低效率的问题，为地基处理工程的质量控制提供了一种有效处理方法。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例的液压夯工作原理图；

图2是本实施例的力学模型；

图3是本实施例的螺栓安装频响曲线；

图4是本实施例的高强粘合剂安装频响曲线；

图5是本实施例的用永磁铁吸附安装频响曲线；

图6是本实施例的留有方槽的夯板简图；

图7是本实施例的俯视简图；

图8是本实施例的传感器焊接于安装基板上的示意图；

图9是本实施例的夯击次数与夯板加速度峰值的关系曲线；

图10是本实施例的静载荷试验的p-s曲线；

图11是本实施例的夯沉量与夯击次数的关系曲线；

图12是本实施例的夯击次数与地基承载力的关系曲线；

图13是本实施例的地基承载力与加速度关系曲线。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明提出一种远程监测地基夯实效果的方法，在液压夯实机的夯板上安装具有数据无线传输模块和GPS全球定位系统的加速度传感器。通过对多种安装方式下的试验数据进行比对，选择频响特性最佳的安装方式，以保证测量结果的准确性。建立加速度与夯击次数、地基承载力与夯击次数的关系曲线，进而拟合加速度与地基承载力的关系曲线，从而利用加速度指标实时监测地基土的夯实效果，判断夯实工作是否需要继续。同时，通过GPS系统精准定位夯点，远程监测每一点的夯实效果，省去了夯后的大量繁杂试验，精度高，避免了人工抽样检测的概率性和低效率的问题，为地基处理工程的质量控制提供了一种有效处理方法。

主要基于的原理包括:

(1)高速液压夯实机的工作原理

高速液压夯采用先进的液压控制系统，能够实现连续夯实，并且夯实能量的大小与作用次数可以根据现场情况自行设定。其工作原理如图1所示。液压缸将夯锤提升至一定高度后释放，夯锤高速落下后通过缓冲传力装置夯击在静压于测点土体表面的夯板上，以夯击力和机器重力的合力共同实现对地基土的夯实作用。

(2)地基夯实过程中存在一系列复杂的动力响应变化，主要涉及两个动力作用过程：①夯锤与夯板的碰撞；②夯板与土体的相互作用

①夯锤与夯板的碰撞：夯锤在液压系统与自身重力的共同作用下快速下落，通过传力的缓冲装置夯击在夯板上。设夯锤的质量是m₁，夯板的质量是m₂，两物体在同一条直线上运动并发生碰撞，根据动量守恒定理有，

m₁v₁₁+m₂v₂₁＝m₁v₁₂+m₂v₂₂ (1)

式中：v₁₁为夯锤初速度；v₂₁为夯板初速度；v₁₂为碰撞后夯锤运动速度；v₂₂为碰撞后夯板运动速度。

设

为恢复系数。当k＝0时，为完全非弹性碰撞；k＝1时，为完全弹性碰撞；当0≤k≤1时，为非完全弹性碰撞，这时，由于机械摩擦，发声发热以及空气阻力等引起能量损耗，能量不守恒，但动量守恒。对于夯锤，在自身重力以及液压系统的共同作用下，在与夯板碰撞之前的瞬间有，

式中：h为夯锤下落高度；g为重力加速度；μ为液压系统的加力系数。

在夯锤与夯板与夯板碰撞前的瞬间，v₂₁＝0，由于碰撞瞬间十分短暂，土体的变形可以忽略，属于完全非弹性碰撞，

则

将(2)式代入，有

v₁₂或者v₂₂为夯锤与夯板共同作用时的速度。

②夯板与土体的相互作用

将夯板与土体的共同作用看作非完全弹性碰撞半空间夯实模型，当夯板与土体碰撞后，以速度v₂₂对土体产生作用，从而实现对土体的夯实。根据图2，建立运动方程：

式中：Z(t)为夯板的位移；

为夯板的位移；

为夯板的加速度；G₀为夯锤对夯板的冲击力；C_z、k_z分别为将地基看作是阻尼-弹簧体系的竖向阻尼系数和弹簧刚度，其数值与土体的剪切模量G，土体的泊松比λ以及夯板的半径有关。其表达式为：

根据振动力学求解上述方程，令无阻尼系统圆频率

阻尼比

参数

有阻尼圆频率

再根据边界条件代入求解，可得到夯板的加速度

作为夯板的加速度不仅考虑了液压夯夯板的相关参数，如面积、质量等，还考虑了土体的性质，如弹性模量、泊松比、阻尼系数等，因此，该指标可以用来反映液压夯工作过程中土体的夯实效果，进而预测其承载力变化。

(3)无线加速度传感器工作原理

无线加速度传感器是一个涉及传感、采样、射频等多领域的智能化设备，它将加速度这一物理信号转换为便于测量的电信号，经过放大、滤波，再进行模数转换得到数字信号，最后由计算机进行数据存储和显示。相比于普通加速度传感器，无线加速度传感器安装使用方便，支持多种网络拓扑结构，免除了现场布线的繁琐，避免了电缆带来的噪声，测量精度高，抗干扰能力强。在内部埋设GPS定位系统，精准定位夯点，通过远端计算机同时获取夯点位置信息和单点夯板加速度，实时掌握液压夯的工作状态以及加速度指标所反映的地基承载力变化动态。

具体实施步骤包括:

(1)加速度传感器类型的选取

加速度传感器是一种能够测量加速度的电子设备。以传统工艺制作的加速度传感器难以满足现代科技的要求，因此应用新兴的微加工技术制作的无线微加速度传感器应运而生，主要有压阻式、电容式、压电式几种类型。

a)压阻式加速度传感器利用弹簧质量系统原理，以半导体材料制成电阻测量电桥，灵活性大，能满足不同的测量要求，但是受温度影响较大。

b)电容式加速度传感器的结构形式一般也采用弹簧质量系统，在加速度作用下，质量块产生运动，改变与固定电极之间的间隙，进而使电容值发生变化，具有灵敏度高、零频响应、环境适应性好的特点，缺点是信号的输入与输出为非线性，量程有限，成本高，适用范围有限。

c)压电式加速度传感器同样采用弹簧质量系统原理，敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速度成正比的力，压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号，其动态范围大、频率范围宽、受外界干扰小，被人们广泛选用。但与前两者相比，其最大的缺点是不能测量零频率的信号。

综合上述条件，同时考虑到施工现场的环境因素，首选压电式加速度传感器。

(2)安装位置的选取以及数据采集系统的安装与调试

传感器的固有频率是同硬度和质量有关的。为保证较高的共振频率，在安装时应使其主灵敏度轴和所测量的冲击荷载方向成一条直线。通过试夯发现，夯板与夯锤的加速度峰值都能与土体参数建立一定的关系，但是夯板的关系曲线具有良好的相关性，因此用夯板加速度峰值来反映土体的夯实效果更具代表性。我们沿夯板边缘均匀布置四个加速度传感器，为避免偶然误差，测量结果取平均值(夯板刚度足够大)。

无线加速度传感器实际上就是将以加速度为核心的数据采集模块、微处理器为核心的数据预处理模块、射频芯片为核心的无线传输模块，以及微电池能量模块集成并封存在一个外壳内的系统。通过无线通信，在笔记本电脑中依次进行客户端配置、安装系统、设置数据源、更改数据库、测试数据源，最后双击运行。

(3)试夯确定安装方式

在夯击过程中会产生强烈的冲击荷载，为获得较高的安装共振频率，加速度传感器要和测试点良好接触，并要求安装的谐振频率大于被测信号的5～10倍以上，同时不能有水平或垂直方向的滑动。任何能影响其特性的安装方式都会使固有频率发生改变，目前对以下四种可实现的安装方式进行试验：

a)在夯板上分别采取不同的安装方式进行传感器安装

b)在常温条件下，控制器以自闭环方式输出10Hz～40000Hz的扫描信号

c)采集数据，得到不同安装方式下的频率响应特性。具体结果如图3-5所示。

三种安装方式特性比较：

由于冲击时具有很大的瞬态能量，故传感器与夯板的连接必须十分可靠。首选刚性螺钉连接。具体安装步骤如下：

a)沿夯板边缘留出四个与传感器尺寸一致的器件埋设凹槽，在四面涂抹重机械油，以改善耦合作用，精准测量高频响应；

b)在其四个角周围打孔攻丝；

c)分别将四个传感器焊接于四块安装基板上，并在安装基板的四个角打孔；

d)将装有传感器的基板反面朝上盖在四个凹槽上部，并用绝缘双头螺栓固定。避免出现缝隙(防止土质松软时，夯板大幅度沉入土体内，破坏传感器)。安装模型如图6-8。

(5)夯击次数与夯板加速度峰值的关系曲线

以一定的夯击能对土体进行20次夯击，夯板加速度峰值变化趋势由快到慢，然后逐渐趋于平稳，最终稳定在某一小范围内。

(6)夯击次数与地基承载力的关系

a)根据地基静荷载的试验标准，在现场进行地基静荷载试验：在地基上施加不同的荷载p，得到不同荷载下对应的沉降量s，以沉降量s为横坐标，以荷载p为纵坐标建立坐标轴，根据各组试验数据描点，用平滑的曲线顺次连接，得到s-p曲线。对该曲线用p＝a+bs+cs²+ds³拟合，得到拟合参数a，b，c，d，相关系数R²为0.99，拟合效果较好。因此，已知夯沉量可以反算地基承载力的大小。

b)记录每次夯击后，夯沉量与夯击次数的关系；

c)根据已绘制的p-s曲线，利用一定夯击次数下对应的夯沉量，反算地基承载力的大小，从而得到夯击次数与地基承载力的关系。

(7)地基承载力与加速度关系曲线

根据图(9)和图(12)，可以得到加速度与地基承载力的关系曲线。通过这个关系，我们可以利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。当加速度达到某一临界值时，对应的地基承载力就达到了其设计值，因此可以利用这一临界加速度作为衡量指标继续对同一路段的其他夯点进行夯实，可以大大提高夯实工作的效率。

实例一：

以某高速公路桥台处回填土夯实质量监测为试验点，采用本发明确定高速液压夯夯实过程中的地基承载力变化。该处回填土深1-2m，液压夯冲击能设为50kJ，地基承载力设计值为180kPa。试验所需设备有：泰安恒大的夯神牌液压夯实机、承压板、数据采集仪、笔记本电脑。

通过加速度指标确定该地基承载力的步骤如下：

1.加速度传感器及其数据采集系统的安装。

(1)在夯板上，沿边缘呈“十字形”开设四个和传感器大小一致的凹槽，并在凹槽四个角周围打孔；

(2)将加速度传感器焊接在安装基板上，并在安装基板上打孔(尺寸与步骤1中一致)；

(3)在凹槽四周涂抹重机械油；

(4)将焊接加速度传感器的安装基板反面朝上盖在凹槽上方，用绝缘双头螺栓固定，避免出现缝隙。

(5)在笔记本上进行客户端配置、安装系统、设置数据源、更改数据库、测试数据源，最后双击运行。

2.夯板加速度峰值与夯击次数关系的建立

以50kJ的夯击能对土体进行20次夯击，记录夯板加速度峰值与夯击次数。

3.地基承载力与夯击次数关系的分析

(1)根据地基静荷载的试验标准，在现场进行地基静荷载试验：在地基上施加不同的荷载p，得到不同荷载下对应的沉降量s，并作p-s曲线；

(2)记录每次夯击后，夯沉量与夯击次数的关系；

(3)根据已绘制的p-s曲线，利用一定夯击次数下对应的夯沉量，反算地基承载力的大小，从而得到夯击次数与地基承载力的对应关系。

4.地基承载力与加速度之间关系的建立

根据地基承载力与夯击次数的关系以及峰值加速度与夯击次数的关系，建立地基承载力与峰值加速度之间的关系。根据这一关系可以知道，当加速度达到262g时，地基承载力达到设计值180kPa，这时可以停夯。因此可以说，当加速度达到这一临界值时，地基承载力就达到了设计值，因此可以利用这一临界加速度作为衡量指标继续对同一路段的其他夯点进行夯实，大大提高了夯实工作的效率。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：包括以下步骤：

沿夯板边缘均匀布置四个无线加速度传感器，确定每个无线加速度传感器的定位夯点；

以一定的夯击能对土体进行多次夯击，夯板加速度峰值变化趋势由快到慢，逐渐趋于平稳，最终稳定在某一范围内，确定夯击次数与夯板加速度峰值的关系曲线；

在地基上施加不同的荷载，得到不同荷载下对应的沉降量，以沉降量为横坐标，以荷载为纵坐标建立坐标轴，根据各组试验数据描点，用平滑的曲线顺次连接，得到沉降量-荷载曲线，对该曲线拟合；

利用一定夯击次数下对应的夯沉量，反算地基承载力的大小，得到夯击次数与地基承载力的关系；

建立加速度与夯击次数、地基承载力与夯击次数的关系曲线，结合两个关系曲线，拟合加速度与地基承载力的关系曲线，得到加速度与地基承载力的关系曲线，利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

2.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

3.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：所述加速度传感器安装时，沿夯板边缘留出四个与传感器尺寸一致的器件埋设凹槽，在凹槽的四个角周围打孔攻丝，分别将四个传感器焊接于四块安装基板上，并在安装基板的四个角打孔，打孔位置与凹槽的打孔位置相适配，将装有传感器的基板反面朝上盖在四个凹槽上部，并用螺栓固定。

4.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：安装前，在凹槽四面涂抹重机械油。

5.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：安装时，使得加速度传感器的主灵敏度轴和所测量的冲击荷载方向成一条直线。

6.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

7.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：当加速度达到某一临界值时，对应的地基承载力即达到其设计值。

8.如权利要求1所述的一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定方法，其特征是：利用临界加速度作为衡量指标继续对同一路段的其他夯点进行夯实。

9.一种高速液压夯夯实地基承载力实时确定系统，其特征是：包括：

沿夯板边缘均匀布置的四个无线加速度传感器，所述无线加速度传感器接收夯击时夯板加速度峰值变化趋势；

无线加速度传感器内设置GPS定位系统，定位夯点，通过远端处理器同时获取夯点位置信息和单点夯板加速度；

处理器，接收所述无线加速度传感器的检测值，获取夯点位置信息，获取不同荷载下对应的沉降量，被配置为以沉降量为横坐标，以荷载为纵坐标建立坐标轴，根据各组试验数据描点，用平滑的曲线顺次连接，得到沉降量-荷载曲线，对该曲线拟合；

利用一定夯击次数下对应的夯沉量，反算地基承载力的大小，得到夯击次数与地基承载力的关系；

建立加速度与夯击次数、地基承载力与夯击次数的关系曲线，结合两个关系曲线，拟合加速度与地基承载力的关系曲线，得到加速度与地基承载力的关系曲线，利用加速度指标确定液压夯夯实工作中某一时刻地基承载力的大小。

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