CN110306604B - 用于施工过程的最优夯击参数选择方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于施工过程的最优夯击参数选择方法，其包含：选定备选夯击参数组，依次采用备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波；依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与备选夯击参数组对应的相关关系组；基于相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。本发明能够在多组夯击参数下，进行弹性波检测、质量参数检测，得出弹性波频谱特征与质量参数的相关关系，选择适用于当前施工项目的最优夯击参数。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程领域，具体地说，涉及一种用于施工过程的最优夯击参数选择方法及装置。
背景技术
载体桩是近几年来针对夯击式沉管扩底桩存在的问题发展起来的，它吸收了国外的夯击式沉管扩底桩的优点，摒弃沉管灌注桩的一些缺点，是具有特色的一种桩型。
目前的施工过程通常分为锤击跟沉护筒、反压护筒、沉护筒到设计标高、夯击填充料、夯击干硬性混凝土、观测三击贯入度、灌注混凝土等流程。锤径、柱锤重量、落距等参数，通常根据设计标准、现场条件、设备配置情况等粗略判定，无量化的计算方法。而施工过程中的夯击次数是否达标，通常在定性判断填充料夯实后，检测三击贯入度来进一步判定。
但是，当夯击参数设计不合理时，在某些土中，特别是含水量较高的粘性土、粉土、粉砂中，填料量很大，当夯填到一定数量的填充料后，三击贯入度始终保持在一定的数值，不论增加多少填料，三击贯入度基本保持一定的水平，满足不了设计要求。而较大规模的调整夯击参数可能导致更换设备、延长工期等，给现场施工带来极大的不良影响。如何在一个施工项目里选择最优夯击参数是现有技术中急需解决的问题。
因此，本发明提供了一种用于施工过程的最优夯击参数选择方法及装置。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种用于施工过程的最优夯击参数选择方法，所述方法包含以下步骤：
选定备选夯击参数组，依次采用所述备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波；
依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与所述备选夯击参数组对应的相关关系组；
基于所述相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。
根据本发明的一个实施例，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系的步骤中，还包含以下步骤：
对夯击过程中产生的弹性波进行谱分析，得到所述弹性波频谱特征；
依据预设方法，测量得到反映施工质量的所述质量参数；
基于所述弹性波频谱特征以及所述质量参数，得到所述相关关系。
根据本发明的一个实施例，基于所述相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数的步骤中，还包含以下步骤：
考虑施工成本、施工复杂度以及施工震动效应因素，选定所述相关关系组中的最优相关关系；
将所述最优相关关系所对应的夯击参数作为适用于当前施工项目的所述最优夯击参数。
根据本发明的一个实施例，通过设置在地面上的检波器接收夯击过程中产生的弹性波。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：依据接收到的弹性波计算得到桩头深度。
根据本发明的一个实施例，依据接收到的弹性波计算得到桩头深度的步骤中，还包含以下步骤：
根据设置在地面的至少三个检波器，接收夯击过程中产生的弹性波以及接收到弹性波的时刻；
测量所述三个检波器分别与桩孔的距离，结合接收到的所述弹性波以及所述时刻，通过数学运算计算得到所述桩头深度。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包含：依据所述桩头深度，测定三击贯入度。
根据本发明的一个实施例，所述质量参数包含承载力。
根据本发明的一个实施例，所述夯击参数中规定的内容包含：柱锤的锤径、柱锤的长度、柱锤的质量以及柱锤的落距。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于施工过程的最优夯击参数选择装置，所述装置包含：
第一模块，其用于选定备选夯击参数组，依次采用所述备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波；
第二模块，其用于依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与所述备选夯击参数组对应的相关关系组；
第三模块，其用于基于所述相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。
本发明提供的用于施工过程的最优夯击参数选择方法及装置，在多组夯击参数下，进行弹性波检测、质量参数检测，得出弹性波频谱特征与质量参数的相关关系，选择适用于当前施工项目的最优夯击参数。并且，本发明利用夯击作为激发源，无需额外设置激发源。设备简易轻便，无需预埋或在桩身、锤身上安装传感器，不干扰施工过程，随夯击同步进行，可指导施工工艺参数选择，节约施工成本和时间。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法流程图；
图2显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择现场示意图；
图3显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法计算桩头深度时的示意图；
图4显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法进行频谱分析时的弹性波频谱图；
图5显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法中频谱特征与质量参数的曲线图；
图6显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法中在单一夯击参数下的频谱特征与质量参数的关系曲线图；
图7显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法中在多种夯击参数下的频谱特征与质量参数的关系曲线图；以及
图8显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择装置结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
对于施工过程，规范中只提到了打入式预制桩的监测，载体桩没有规范规定的方法。根据《JGJ106-2014建筑基桩检测技术规范》，桩基检测可分为如下这些不同的阶段：
1、施工前：试验桩检测，为设计提供依据，确定单桩极限承载力。
2、施工后：验收检测，工程桩检测，为验收提供依据，确定单桩承载力和桩身完整性检测。
3、施工过程：根据工程需要，进行质量检测与监测。打入式预制桩，有要求时，高应变法进行试打桩的打桩过程监测。监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为选择沉桩工艺参数及桩长提供依据。
对于施工过程，规范中只提到了打入式预制桩的监测，载体桩没有规范规定的方法。规范中，提到的桩基检测方法见下表1。
传统桩基础的检测方法包括静载荷试验、低应变完整性检测和高应变检测等。载体桩桩端存在载体，采用高应变所需要的锤击能量大，一般不采用该方法进行检测，主要是载体桩的静载荷试验和低应变完整性检测。
静载荷试验是通过堆载或锚桩作为反力装置，采用千斤顶作为加载手段，分级对桩基础或复合地基进行加载，模拟桩或复合地基的受力以检测其是否满足工程设计要求的检测手段。一般包括工程试验桩检测和工程桩验收检测。
低应变完整性检测通常采用的方法为反射波法，反射波法是利用波在固体中传播规律，通过桩底反射波信号进行分析判断桩身与桩底混凝土质量的一种无损检测方法。它利用重锤在桩顶进行敲击产生震动波，震动波在固体中传播时，当传播介质发生变化，或传播截面发生变化时，一部分波便会反射回桩顶。通过对桩顶传感器采集的信号进行数学积分，筛选、分离和放大，分析出桩身的缺陷。
高应变法打桩动态监测分为传感器安装、测试系统调试及数据采集和分析等3个过程。1、根据桩锤套筒长度确定传感器的安装位置，确保传感器位于打桩锤套筒下缘和截桩标记上缘间，从而能有效监测到应力波信息。在安装传感器时避开接桩、焊缝、锤套下缘和桩横截面积变化等干扰位置。采用电磁钻在距离桩顶约5m的圆周上对称钻孔，分别用于加速度传感器、应力传感器和无线发射器的固定。起吊前，先安装传感器、无线发射器。2、采用测试系统进行监测调试。3、工作就绪后，在打桩过程中进行数据采集、分析处理。
以上三种方法都是针对成桩以后的检测，如试验桩检测、工程桩检测，且存在各自的缺点，不利于推广到施工过程中实施。
表1检测目的及检测方法
现有技术中，一种载体桩承载力的检测方法利用重锤锤击载体桩，通过控制锤击能量使桩身产生竖向位移，通过测定的位移数值和桩端持力层的土性，判定该根桩的竖向承载能力。
1)对需要检测的载体桩的桩头进行加固保护；
2)在桩头上方，利用重锤提升一定高度后自由下落击打桩头，通过控制锤击能量使桩身产生向下的竖向位移，测量并记录该位移数值；
3)重复进行步骤2)的锤击操作，多次锤击的总能量达到设定值时，停止锤击并记录桩身的总位移数值；
4)通过总位移数值、桩端持力层的土性判定载体等效计算面积Ae值，再依据Ae值计算得出该根桩的竖向承载能力。
现有技术在桩头安装位移传感器，易坏，且需频繁拆卸安装；需控制锤击能量，需测定位移和桩端持力层的土性，操作复杂；只能测竖向承载力；干扰施工过程，需施工方配合。
图1显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择方法流程图。
如图1所示，在步骤S101中，选定备选夯击参数组，依次采用备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波。
然后，在步骤S102中，依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与备选夯击参数组对应的相关关系组。
优选地，通过以下方法确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系：
首先，对夯击过程中产生的弹性波进行谱分析，得到弹性波频谱特征。然后，依据预设方法，测量得到反映施工质量的质量参数。最后，基于弹性波频谱特征以及质量参数，得到相关关系。
最后，在步骤S103中，基于相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。
优选地，首先，考虑施工成本、施工复杂度以及施工震动效应因素，选定相关关系组中的最优相关关系。然后，将最优相关关系所对应的夯击参数作为适用于当前施工项目的所述最优夯击参数。
优选地，通过设置在地面上的检波器接收夯击过程中产生的弹性波。
优选地，依据接收到的弹性波计算得到桩头深度。
具体来说，通过以下方式计算得到桩头深度：
首先，根据设置在地面的至少三个检波器，接收夯击过程中产生的弹性波以及接收到弹性波的时刻。
然后，测量三个检波器分别与桩孔的距离，结合接收到的弹性波以及时刻，通过数学运算计算得到桩头深度。
在一个实施例中，还包含：依据桩头深度，测定三击贯入度。
优选地，质量参数包含承载力。
在一个实施例中，夯击参数中规定的内容包含：柱锤的锤径、柱锤的长度、柱锤的质量以及柱锤的落距。
图2显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择现场示意图。
图2显示的是面向载体桩打桩的施工过程现场示意图。对第1根桩，用弹性波检测获取频谱特征E、静载荷方法测更直接反映施工质量的质量参数R，建立E和R的相关性。在一个实施例中，在后续其他桩施工时，只测频谱特征E，即可推算出参数R，从而判断施工质量，辅助施工。质量参数R中的密实度、静力触探等，复杂度较高，所以测与之相关的一个变量E，来间接测定R。需要说明的是，质量参数包含承载力。
如图2，需要在桩孔附近的地面上设置检波器，检波器的数量根据监测目标的不同而变化，可以是1个，也可以是多个。
在进行弹性波现场检测时，开启检测仪器，利用柱锤夯击作为发射源，产生弹性波，检波器接收到来自桩底的透射波信号，随着柱锤多次夯击，重复激发接收。另外，在夯击过程中，测得质量参数R。
当检波器的数量为至少3个时，可以通过弹性波数据进行分析，计算得到桩头深度。如图3所示，显示了计算桩头深度时的示意图。需要说明的是，质量参数包含承载力。
如图3，计算桩头深度至少需要3个检波器的数据，利用任意单次夯击的波形。待测值为桩头深度H＝LMN，检波器能够测得的数据为：检波器A、检波器B、检波器C这3个检波器接收到的波形的时刻。
假定三角形区域的地下空间弹性波波速均匀，可得出如下方程组：
V×TNA＝LNA
V×TNB＝LNB
V×TNC＝LNC
其中，V表示波速，TNA、TNB、TNC分别表示弹性波在NA、NB、NC传播的时间，LNA、LNB、LNC分别表示检波器A、检波器B、检波器C与位置N(桩头)的直线距离。
因检波器可能无法测得准确的触发时间，波形在NA、NB、NC传播的准确时间TNA、TNB、TNC无法获取，但可根据测得的接收波形时刻，得出2个时间差。
△T1＝TNB-TNA
△T2＝TNC-TNA
其中，△T1表示检波器B与检波器A接收到弹性波的时间差，△T2表示检波器C与检波器A接收到弹性波的时间差。
方程组可改为：
V×TNA＝LNA
V×(△T1+TNA)＝LNB
V×(△T2+TNA)＝LNC
将LNA、LNB、LNC用H表示，如，
则方程组可改为：
方程组未知量为V、TNA、H，以上3个方程3个未知量，运用数学运算即可解出H。
另外，还可以对接收到的弹性波进行傅里叶变换等处理，进行谱分析，计算每次夯击的频谱特征E。两次柱锤夯击的变化值△E小于预设阈值时，再继续夯击已无实际意义，停止夯击。
频谱特征E举例如下，不局限于以下几种情况：
单峰：主频。
双峰：两个峰值之差的绝对值。
另外，频谱特征包含：能量变化、主频以及峰值移动。
通过频谱特征E与测得的参数R，得到夯击过程中R和E相关性曲线。假设弹性波接收到的波形为单峰，频谱特征用E表示。如图4所示(横轴表示频率，纵轴表示振幅)，主频的频率随着夯击降低。R随着夯击增大，E随着夯击增大，呈正相关，如图5所示。根据这一相关性，可得出在当前夯击参数下，二者的曲线，如图6所示，显示在单一夯击参数下的频谱特征与质量参数的关系曲线图。需要说明的是，质量参数包含承载力。
在实际应用中，设计多组夯击参数，按照以上步骤，可测得各组夯击参数击下，E与R的相关曲线，如图7所示。其中，夯击参数中规定的内容包括柱锤的锤径、柱锤的长度、柱锤的质量以及柱锤的落距等。
进一步地，根据承载力要求，排除达不到要求的参数。对于能达标的参数，可得出其达标时对应的能量E、夯击次数等，考虑施工成本、施工复杂度、施工震动效应等多方面因素，综合选择最优夯击参数。
考虑施工震动效应的原因：载体桩施工过程中由于柱锤的夯实作用，会产生震动波，若夯击能量过大，将可能对建筑物造成影响。
另外，在施工现场可布置多个检波器，可同时监测多个载体桩施工。但需要注意的是，不能有两个锤同时落地。
需要说明的是，本发明可用于成孔过程的孔底，以及载体桩桩头载体，不局限于载体桩，还能对其它现浇混凝土桩、预制混凝土桩进行最优夯击参数的选择。桩基包括房屋建筑桩基，也包括公路、铁路、桥梁等其他建筑工程基桩。检波器个数可以改变，如果测桩头深度，则至少3个。
另外，在施工过程中，需要遵守的土木工程领域规范包含：《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)、《铁路工程基桩检测技术规程》(TB 10218-2008)以及《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/T F81-01-2004)。
如上所述，本发明采用弹性波透射法，但无需额外设置发射源，而是利用柱锤夯击作为发射源。不用在桩身或锤身设置传感器，既能检测承载力，又能指导参数选择和施工进程。
图8显示了根据本发明的一个实施例的用于施工过程的最优夯击参数选择装置结构框图。如图8所示，选择装置800包含：第一模块801、第二模块802以及第三模块803。
其中，第一模块801用于选定备选夯击参数组，依次采用备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波。
第二模块802用于依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与备选夯击参数组对应的相关关系组。
第三模块803用于基于相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。
在一个实施例中，选择装置可以包含多个检波器、暂存数据库、数据传输模块、现场终端以及服务器。现场终端与服务器连接，现场终端通过数据传输模块分别与检波器、暂存数据库连接，检波器的输出端连接至暂存数据库的输入端。
检波器与现场终端可以通过无线适配器、USB通讯模块或串口通讯模块，保证检测数据实时、动态和不落地传输，确保其真实性；并采用暂存数据库作数据缓存，保证数据完整性、及时性和传输稳定性。
综上，本发明提供的用于施工过程的最优夯击参数选择方法及装置，在多组夯击参数下，进行弹性波检测、质量参数检测，得出弹性波频谱特征与质量参数的相关关系，选择适用于当前施工项目的最优夯击参数。并且，本发明利用夯击作为激发源，无需额外设置激发源。设备简易轻便，无需预埋或在桩身、锤身上安装传感器，不干扰施工过程，随夯击同步进行，可指导施工工艺参数选择，节约施工成本和时间。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种用于施工过程的最优夯击参数选择方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
选定备选夯击参数组，依次采用所述备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波；
依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与所述备选夯击参数组对应的相关关系组；
基于所述相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系的步骤中，还包含以下步骤：
对夯击过程中产生的弹性波进行谱分析，得到所述弹性波频谱特征；
依据预设方法，测量得到反映施工质量的所述质量参数；
基于所述弹性波频谱特征以及所述质量参数，得到所述相关关系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数的步骤中，还包含以下步骤：
考虑施工成本、施工复杂度以及施工震动效应因素，选定所述相关关系组中的最优相关关系；
将所述最优相关关系所对应的夯击参数作为适用于当前施工项目的所述最优夯击参数。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，通过设置在地面上的检波器接收夯击过程中产生的弹性波。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：依据接收到的弹性波计算得到桩头深度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，依据接收到的弹性波计算得到桩头深度的步骤中，还包含以下步骤：
根据设置在地面的至少三个检波器，接收夯击过程中产生的弹性波以及接收到弹性波的时刻；
测量所述三个检波器分别与桩孔的距离，结合接收到的所述弹性波以及所述时刻，通过数学运算计算得到所述桩头深度。
7.如权利要求5-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包含：依据所述桩头深度，测定三击贯入度。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量参数包含承载力。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述夯击参数中规定的内容包含：柱锤的锤径、柱锤的长度、柱锤的质量以及柱锤的落距。
10.一种用于施工过程的最优夯击参数选择装置，其特征在于，所述装置包含：
第一模块，其用于选定备选夯击参数组，依次采用所述备选夯击参数组中的夯击参数进行夯击，接收在夯击过程中产生的弹性波；
第二模块，其用于依据每一夯击参数对应的夯击过程中产生的弹性波，确定弹性波频谱特征与反映施工质量的质量参数之间的相关关系，得到与所述备选夯击参数组对应的相关关系组；
第三模块，其用于基于所述相关关系组，结合当前施工项目对于质量参数的要求，确定适用于当前施工项目的最优夯击参数。
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