CN111735493A - 水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法及设备 - Google Patents

水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法及设备 Download PDF

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陈运涛
田隽
盛利
侯建飞
左大伟
袁方龙
张杨
孙玉涛
王雷
朱飞虎
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Tianjin Port & Channel Engineering Co ltd
Tianjin Port No2 Container Terminal Co ltd
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Tianjin Jingang Construction Co ltd
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Tianjin Port No2 Container Terminal Co ltd
CCCC First Harbor Engineering Co Ltd
Tianjin Port Engineering Institute Ltd of CCCC Frst Harbor Engineering Co Ltd
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers

Abstract

本发明公开了一种水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法及设备，选取具有代表性的试验区，在土层中设置孔隙水压力传感器；夯机配备夯锤后就位至试验区；进行夯击，并实时获取夯击数，采集每次夯击的孔隙水压力，获取每次夯击中的孔隙水压力最大值；实时显示相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值的差值与夯击数的时程变化关系，从中得到差值随夯击数的增加趋于稳定时的有效夯击数；对整个待固结场地进行夯击，每个夯击点位的夯击次数为有效夯击数。本发明以孔隙水压力作为水运工程地基加固过程中的收锤标准，并同步实现夯点定位、夯击数记录、孔隙水压力观测等，避免了过夯、少夯情况的发生，有效的保证了现场施工进度和质量。

Description

水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法 及设备
技术领域
本发明属于软土地基加固技术领域，特别涉及一种适用于水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法及设备。
背景技术
强夯法即强力夯实法，又称动力固结法，是利用大型履带式强夯机将8-30吨的重锤从6m-30m高度自由落下，对土进行强力夯实，迅速提高地基的承载力及压缩模量，形成比较均匀的、密实的地基，在地基一定深度内改变了地基土的孔隙分布。经过多年的实践及强夯设备的更新，强夯法施工已广泛运用到高速公路铁路、机场、核电站、大工业区、港口填海等基础加固工程，并对相对较复杂的地质如高填方基础、高含水量基础、港口填海基础、海水吹填基础等都有成功的施工案例。
目前，相关地基加固规范中明确规定了以夯沉量作为强夯施工的控制标准，即单击夯击能E＜4000kN·m，最后两击平均夯沉量不大于50mm；单击夯击能4000kN·m≤E＜6000kN·m，最后两击平均夯沉量不大于100mm；6000kN·m≤E，最后两击平均夯沉量不大于200mm，且各等级夯击能对应的地基加固深度不同。但实践表明，该标准在指导水运工程地基加固时存在诸多问题，如：对于吹填粉土和粉质黏土地基加固，一般有效加固深度为5m-6m，采用平锤所对应的夯击能为2000kN·m，现场施工过程中，每个夯点夯击8-10击后，最后两击平均夯沉量仍大于100mm，但此时已达到预期加固效果，若为满足规范收锤标准继续夯击将出现没锤现象，严重影响现场施工进度，且过度夯击将增大施工成本；对于表层存在厚度较大且不均匀的杂填土等硬壳层的地基加固工程，为了满足使用要求，有效加固深度一般不小于7m,先采用中-高能量柱锤破除硬壳层，再用平锤以“轻夯多遍”的原则，逐步分层加固土体，采用柱锤破除硬壳层时，因硬壳层厚度不均导致每个夯点夯击数为6-15击，终锤击数难以控制，甚至出现少夯、过夯的情况，致使下卧黏土层内的超静孔隙水压力增长幅度偏差较大，地基出现局部剪切破坏或影响深度不够的现象，严重影响现场施工质量。综上所述，仅靠夯沉量作为动力固结法加固饱和软土地基收锤标准无法满足工程需要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法。
本发明的另一个目的在于提供一种用于实现上述方法的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制设备。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。
一种水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在场地中选取地质条件具有代表性的区域作为试验区，然后在试验区土层中设置孔隙水压力传感器。
步骤2：根据试验区地质情况为夯机配备相应的夯锤，并就位夯机至试验区；
在步骤2中，对于以吹填粉土或粉质黏土为主的软土地层，为夯机配备锤径为2.0～2.5m的平锤进行步骤3至4的操作；
在步骤2中，对于场地存在厚度大于1.5m的杂填土等结构层地质，首先为夯机配备锤径为1.0～1.5m的柱锤，就位夯机至试验区进行夯击预处理，破除结构层；然后再为夯机配备锤径为2.0～2.5m的平锤进行步骤3至4的操作。
步骤3：夯机起吊到一定高度后，对场地地基进行夯击，重复起吊、夯击的动作，并实时获取夯击数，采集通过孔隙水压力传感器监测到的每次夯击的孔隙水压力数据，从中获取每次夯击中的孔隙水压力最大值；
在步骤3中，对于以渗透系数大于1.0×10-6cm/s的吹填粉土和粉质黏土为主的地层，采集频率不大于5次/s；
在步骤3中，对于渗透系数小于1.0×10-6cm/s的黏土地层，采集频率不小于30次/s；
在步骤3中，夯击过程中实时获取每次夯击的夯沉量。
步骤4：通过显示单元实时显示相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值与夯击数的时程变化关系，并从中得到差值随夯击数的增加趋于稳定时对应的夯击数，记作有效夯击数；
在步骤4中，随夯击数的增加，当相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值小于设定的阈值时，即可判定差值随夯击数的增加趋于稳定；
在步骤4中，所述显示单元还实时显示相邻两次夯击的夯沉量之间的差值与夯击数的变化关系，用于与场地地基土层内孔隙水压力共同作为强夯施工的收锤依据；
在步骤4中，所述相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值与夯击数的时程变化关系以孔隙水压力差值-夯击数变化时程曲线的形式在显示单元上进行显示，所述相邻两次夯击的夯沉量之间的差值与夯击数的变化关系以夯沉量差值-夯击数变化曲线的形式在显示单元上进行显示。
步骤5：根据步骤1至4在试验区得到的结果，夯机对整个待固结场地进行夯击，每个夯击点位的夯击次数为步骤4得到的有效夯击数，直至完成整个场地的夯击加固。
用于实现上述方法的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制设备，包括夯机、夯机管理系统、地基监测系统、显示单元、中央控制系统。
所述夯机管理系统包括GPS定位器、激光测距仪、拉力传感器；所述GPS定位器安装于夯机吊臂顶部，并与夯锤中心位于同一垂直线上，用于进行夯点定位；所述夯机管理系统还包括激光测距仪，所述激光测距仪安装于夯机吊臂顶部，所述夯锤的上表面粘贴有激光靶，所述激光靶与激光测距仪的光束保持垂直，用于测量每次夯击的夯沉量；所述拉力传感器安装于夯机用于拉紧夯锤的夯绳上，用于获取夯击数。
所述地基监测系统包括孔隙水压力传感器、无线信号自动采集装置，所述孔隙水压力传感器设置在试验区的土层中，用于监测每次夯击的孔隙水压力数据；所述无线信号自动采集装置与孔隙水压力传感器通讯连接，用于采集孔隙水压力传感器的监测数据。
所述中央控制系统分别与GPS定位器、激光测距仪、拉力传感器、无线信号自动采集装置、显示单元通讯连接，用于控制各部分的工作状态、接收相关数据，并将处理后的数据通过显示单元进行显示。
在上述设备中，所述显示单元还显示夯机对应夯点位置、现场施工进度，其中施工进度包括现场已夯点位和待夯点位。
与现有技术相比，本发明首次提出以孔隙水压力作为水运工程地基加固过程中的收锤标准，形成一套适用于水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工的控制方法，该方法能够直观的了解强夯夯击过程中和夯击后土层内孔隙水压力的变化规律；另外，本发明将孔隙水压力自动化监测技术与强夯自动化施工技术相结合，同步实现夯点定位、夯击数、孔隙水压力观测等，避免了过夯、少夯情况的发生，有效的保证了现场施工进度和质量。
附图说明
图1为本发明设备的平面结构示意图；
图2为本发明设备的显示单元的显示界面；其中，a为夯沉量-夯击数变化曲线，b为孔隙水压力-夯击数变化时程曲线，c为夯机对应夯点位置，d1为已夯点位，d2为待夯点位；
附图标记：
1-夯机，2-1-GPS定位器，2-2-激光测距仪，2-2-1-激光靶，2-3-拉力传感器，2-4-夯绳，2-5-夯锤，3-1-孔隙水压力传感器，3-2-无线信号自动采集装置。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
以渗透系数大于1.0×10-6cm/s的吹填粉土和粉质黏土为主的软土地层为例，如图1和2所示，本发明的一种水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在场地中选取地质条件具有代表性的区域作为试验区，然后在试验区土层中设置孔隙水压力传感器3-1；
步骤2：根据试验区地质情况为夯机1配备锤径为2.0～2.5m的平锤作为夯锤2-5，就位夯机1至试验区；
步骤3：夯机1起吊到一定高度后，对场地地基进行夯击，重复起吊、夯击的动作，并实时获取夯击数，以5次/s的频率采集通过孔隙水压力传感器3-1监测到的每次夯击的孔隙水压力数据，从中获取每次夯击中的孔隙水压力最大值；
步骤4：通过显示单元以孔隙水压力差值-夯击数变化时程曲线的形式实时显示相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值(具体指相邻两次夯击中，后一次夯击中的孔隙水压力最大值减去前一次夯击中的孔隙水压力最大值所得的差值)与夯击数的时程变化关系，并从曲线中读取差值随夯击数的增加趋于稳定时(即：随夯击数的增加，当相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值小于设定的阈值时)对应的夯击数，记作有效夯击数；
步骤5：根据步骤1至4在试验区得到的结果，夯机1对整个待固结场地进行夯击，每个夯击点位的夯击次数为步骤4得到的有效夯击数，直至完成整个场地的夯击加固。
实施例2
以场地存在厚度大于1.5m的杂填土且渗透系数小于1.0×10-6cm/s的黏土地层为例，如图1和2所示，本发明的一种水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，包括以下步骤：
步骤1：在场地中选取地质条件具有代表性的区域作为试验区，然后在试验区土层中设置孔隙水压力传感器3-1；
步骤2：根据试验区地质情况，首先为夯机1配备锤径为1.0～1.5m的柱锤，就位夯机1至试验区进行夯击预处理，破除结构层；然后再为夯机1配备锤径为2.0～2.5m的平锤作为夯锤2-5，进行步骤3至4的操作；
步骤3：夯机1起吊到一定高度后，对场地地基进行夯击，重复起吊、夯击的动作，并实时获取夯击数，以30次/s的频率采集通过孔隙水压力传感器3-1监测到的每次夯击的孔隙水压力数据，从中获取每次夯击中的孔隙水压力最大值；
步骤4：通过显示单元以孔隙水压力差值-夯击数变化时程曲线的形式实时显示相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值(具体指相邻两次夯击中，后一次夯击中的孔隙水压力最大值减去前一次夯击中的孔隙水压力最大值所得的差值)与夯击数的时程变化关系，并从曲线中读取差值随夯击数的增加趋于稳定时(即：随夯击数的增加，当相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值小于设定的阈值时)对应的夯击数，记作有效夯击数；
步骤5：根据步骤1至4在试验区得到的结果，夯机1对整个待固结场地进行夯击，每个夯击点位的夯击次数为步骤4得到的有效夯击数，直至完成整个场地的夯击加固。
实施例3
本实施例是实施例1或2的基础上，对本发明水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法的进一步说明。
如图1和2所示，在步骤3中，夯击过程中实时获取每次夯击的夯沉量；在步骤4中，所述显示单元还实时显示相邻两次夯击的夯沉量之间的差值与夯击数的变化关系，用于与场地地基土层内孔隙水压力共同作为强夯施工的收锤依据；其中，所述相邻两次夯击的夯沉量之间的差值与夯击数的变化关系以夯沉量差值-夯击数变化曲线的形式在显示单元上进行显示。
实施例4
如图1和2所示，本发明用于实现实施例1至3任一项所述方法的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制设备，包括夯机1、夯机管理系统、地基监测系统、显示单元、中央控制系统。
所述夯机管理系统包括GPS定位器2-1、激光测距仪2-2、拉力传感器2-3；所述GPS定位器2-1安装于夯机1吊臂顶部，并与夯锤2-5中心位于同一垂直线上，用于进行夯点定位；所述夯机管理系统还包括激光测距仪2-2，所述激光测距仪2-2安装于夯机1吊臂顶部，所述夯锤2-5的上表面粘贴有激光靶2-2-1，所述激光靶2-2-1与激光测距仪2-2的光束保持垂直，用于测量每次夯击的夯沉量；所述拉力传感器2-3安装于夯机1用于拉紧夯锤2-5的夯绳2-4上，用于获取夯击数。
所述地基监测系统包括孔隙水压力传感器3-1、无线信号自动采集装置3-2。所述孔隙水压力传感器3-1用于监测每次夯击的孔隙水压力数据；所述孔隙水压力传感器3-1沿深度方向等间距间隔设置在试验区的钻孔中，并使用直径1.5～2.5cm的风干黏土球作为填料对钻孔进行缩孔；其中，同一钻孔内的孔隙水压力传感器3-1沿深度方向的间距为2-4m，且每一土层中有不少于一个孔隙水压力传感器3-1。所述无线信号自动采集装置3-2与孔隙水压力传感器3-1通讯连接，用于采集孔隙水压力传感器3-1的监测数据。
所述中央控制系统分别与GPS定位器2-1、激光测距仪2-2、拉力传感器2-3、无线信号自动采集装置3-2、显示单元通讯连接，用于控制各部分的工作状态、接收相关数据，并将处理后的数据通过显示单元进行显示。
所述激光测距仪2-2与拉力传感器2-3形成串联电路，起吊时，夯绳2-4拉紧夯锤2-5，拉力传感器2-3受力，拉力传感器2-3表面的电阻应变片变形并产生电信号(电压或电流)，此时激光测距仪2-2与拉力传感器2-3形成闭合串联电路，激光测距仪2-2开始记录夯绳初始位移；落锤后，夯绳2-4松弛，拉力传感器2-3的电信号断开，所述中央控制系统记录为一次夯击；重复上述起吊、夯击步骤，激光测距仪2-2记录并将夯沉量数据传送给中央控制系统，中央控制系统处理得到总夯沉量和相邻两击的夯沉量差值(即每击夯沉量)数据；中央控制系统将夯击数(即单点夯击次数)和相邻两击的夯沉量差值(即每击夯沉量)显示在如图2所示的显示单元的界面上。
所述显示单元分别以孔隙水压力差值-夯击数变化时程曲线(如图2中b所示)、夯沉量差值-夯击数变化曲线(如图2中a所示)、夯机对应夯点位置(如图2中c所示)、现场施工进度的形式对相关数据进行显示，其中施工进度包括现场已夯点位(如图2中d1所示)和待夯点位(如图2中d2所示)。
本发明首次提出以孔隙水压力作为水运工程地基加固过程中的收锤标准，形成一套适用于水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工的控制方法，该方法能够直观的了解强夯夯击过程中和夯击后土层内孔隙水压力的变化规律；另外，本发明将孔隙水压力自动化监测技术与强夯自动化施工技术相结合，同步实现夯点定位、夯击数和夯沉量记录、孔隙水压力观测等，以夯沉量和孔隙水压力作为大面积复杂场区强夯施工终锤双控依据，避免了过夯、少夯情况的发生，有效的保证了现场施工进度和质量。
本发明公开和提出的方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (10)

1.一种水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在场地中选取地质条件具有代表性的区域作为试验区，然后在试验区土层中设置孔隙水压力传感器(3-1)；
步骤2：根据试验区地质情况为夯机(1)配备相应的夯锤(2-5)，并就位夯机(1)至试验区；
步骤3：夯机(1)起吊到一定高度后，对场地地基进行夯击，重复起吊、夯击的动作，并实时获取夯击数，采集通过孔隙水压力传感器(3-1)监测到的每次夯击的孔隙水压力数据，从中获取每次夯击中的孔隙水压力最大值；
步骤4：通过显示单元实时显示相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值与夯击数的时程变化关系，并从中得到差值随夯击数的增加趋于稳定时对应的夯击数，记作有效夯击数；
步骤5：根据步骤1至4在试验区得到的结果，夯机(1)对整个待固结场地进行夯击，每个夯击点位的夯击次数为步骤4得到的有效夯击数，直至完成整个场地的夯击加固。
2.根据权利要求1所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤2中，对于以吹填粉土或粉质黏土为主的软土地层，为夯机(1)配备锤径为2.0～2.5m的平锤进行步骤3至4的操作。
3.根据权利要求1所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤2中，对于场地存在厚度大于1.5m的杂填土等结构层地质，首先为夯机(1)配备锤径为1.0～1.5m的柱锤，就位夯机(1)至试验区进行夯击预处理，破除结构层；然后再为夯机(1)配备锤径为2.0～2.5m的平锤进行步骤3至4的操作。
4.根据权利要求1所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤3中，对于以渗透系数大于1.0×10-6cm/s的吹填粉土和粉质黏土为主的地层，采集频率不大于5次/s。
5.根据权利要求1所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤3中，对于渗透系数小于1.0×10-6cm/s的黏土地层，采集频率不小于30次/s。
6.根据权利要求1所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤3中，夯击过程中实时获取每次夯击的夯沉量；在步骤4中，所述显示单元还实时显示相邻两次夯击的夯沉量之间的差值与夯击数的变化关系，用于与场地地基土层内孔隙水压力共同作为强夯施工的收锤依据。
7.根据权利要求6所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤4中，所述相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值与夯击数的时程变化关系以孔隙水压力差值-夯击数变化时程曲线的形式在显示单元上进行显示，所述相邻两次夯击的夯沉量之间的差值与夯击数的变化关系以夯沉量差值-夯击数变化曲线的形式在显示单元上进行显示。
8.根据权利要求1所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制方法，其特征在于：在步骤4中，随夯击数的增加，当相邻两次夯击中的孔隙水压力最大值之间的差值小于设定的阈值时，即可判定差值随夯击数的增加趋于稳定。
9.用于实现权利要求1至8任一项所述方法的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制设备，其特征在于：包括夯机(1)、夯机管理系统、地基监测系统、显示单元、中央控制系统；
所述夯机管理系统包括GPS定位器(2-1)、激光测距仪(2-2)、拉力传感器(2-3)；所述GPS定位器(2-1)安装于夯机(1)吊臂顶部，并与夯锤(2-5)中心位于同一垂直线上，用于进行夯点定位；所述夯机管理系统还包括激光测距仪(2-2)，所述激光测距仪(2-2)安装于夯机(1)吊臂顶部，所述夯锤(2-5)的上表面粘贴有激光靶(2-2-1)，所述激光靶(2-2-1)与激光测距仪(2-2)的光束保持垂直，用于测量每次夯击的夯沉量；所述拉力传感器(2-3)安装于夯机(1)用于拉紧夯锤(2-5)的夯绳(2-4)上，用于获取夯击数；
所述地基监测系统包括孔隙水压力传感器(3-1)、无线信号自动采集装置(3-2)，所述孔隙水压力传感器(3-1)设置在试验区的土层中，用于监测每次夯击的孔隙水压力数据；所述无线信号自动采集装置(3-2)与孔隙水压力传感器(3-1)通讯连接，用于采集孔隙水压力传感器(3-1)的监测数据；
所述中央控制系统分别与GPS定位器(2-1)、激光测距仪(2-2)、拉力传感器(2-3)、无线信号自动采集装置(3-2)、显示单元通讯连接，用于控制各部分的工作状态、接收相关数据，并将处理后的数据通过显示单元进行显示。
10.根据权利要求9所述的水运工程大面积复杂场地地基动力固结智能化施工控制设备，其特征在于：所述显示单元还显示夯机对应夯点位置、现场施工进度，其中施工进度包括现场已夯点位和待夯点位。
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