CN113463699A - 一种振冲碎石桩加密性测试装置与智能反演分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种振冲碎石桩加密性测试装置及振冲器确定方法，装置包括：容器本体，容器本体为上部开口的圆柱形容器；立体监测网络，立体监测网络为圆环形立体监测网络，以振冲器的几何中心为球心，进行立体监测网络的监测点的布置；可拆卸引孔护筒和振冲器，竖向放置在容器本体的中心，振冲器放置在可拆卸引孔护筒的孔径内，通过引孔护筒进入拟振冲地层；固定支架，设置于容器本体的正上方，用于振冲器的上下提拉控制；拟振冲地层场地土，用于填充在容器本体内，其中，经振冲后地层可划分为土体加密区、土体欠加密区和土体未加密区；多个组合传感器，在每个监测点处，均布置一套组合传感器，用于监测振冲作业全过程，采集土体数据。

Description

一种振冲碎石桩加密性测试装置与智能反演分析方法

技术领域

本公开涉及振冲施工技术领域，尤其涉及一种振冲碎石桩加密性测试装置与智能反演分析方法。

背景技术

振冲法，又称振动水冲法，是指砂土地基通过加水振动可以使之密实的原理发展起来的地基加固方法，后来又被用于黏性土层中设置振冲置换碎石桩。振冲法是国内外普遍应用的有效地基处理方法之一，可以达到提高地基承载力、减小建筑物地基沉降量，提高土石坝体及地基的稳定性、消除地基液化的目的。在工业与民用建筑工程、水利水电工程、海港岛礁工程等领域均有较广泛的应用。

常规振冲桩施工桩体材料宜采用含泥量不大于5％的碎石、卵石、砾石等硬质材料，根据设计要求，粒径约为20～150mm，碎石上料需采用装载机现场配合振冲情况倒入桩孔。

现有技术存在以下问题：

(1)现有振冲桩加密过程，仅能通过电流强度、留振时间等少量监测手段实时监控振冲器工作状态，而振冲器周边地层加密状态缺乏直接监测和实时数据，只能依靠振冲器电流强度间接推测，真实性、准确性和可靠性无法保证。

(2)现有振冲技术无法获得振冲过程地层有效加密范围，留振时间内附近土体加密变化过程无法直接观测，振冲加密作业过程大多依靠操作手现场经验判断，缺乏科学的评判标准，振冲桩质量无法保证。

(3)现有振冲法施工前，振冲器的选择一般根据地勘资料和现场生产性试验结合工程经验选定型号，由于不了解地层内部加密变化情况，振冲器选择缺乏科学试验数据，工作效率低，针对性差、振冲器与地层匹配性缺乏科学试验数据支持，经济性差、测试周期长、地层实际加密质量可靠性无法保障。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种振冲碎石桩加密性测试装置与智能反演分析方法，解决现有现场试验和施工无法直接观测、真实掌握振冲加密过程和加密效果问题，同时为地层振冲工程设计和施工提供科学数据和技术支持。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种振冲碎石桩加密性测试装置，所述装置包括：

容器本体，所述容器本体为上部开口的圆柱形容器；

立体监测网络，所述立体监测网络为圆环形立体监测网络，以所述振冲器的几何中心为球心，进行立体监测网络的监测点的布置；

可拆卸引孔护筒和振冲器，引孔护筒竖向放置在所述容器本体的中心土体上部，所述振冲器从所述可拆卸引孔护筒的孔径内进入土层开始振冲作业；

固定支架，设置于所述容器本体的正上方，用于振冲器的上下提拉控制；

拟振冲地层场地土，用于填充在所述容器本体内，其中，经振冲后地层可划分为土体加密区、土体欠加密区和土体未加密区；

多个组合传感器，在每个监测点处，均布置一套组合传感器，用于监测振冲作业全过程，采集土体数据。

在一个实施例中，优选地，所述组合传感器包括：土压力计、渗压计、土体应变计和加速度计。

在一个实施例中，优选地，所述拟振冲地层场地土采用分层法制备。

在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：

薄钢条和配重块，所述薄钢条铺设在拟振冲地层场地土上，所述配重块放置在所述薄钢条上，其中，所述配重块的数量根据真实土层压力状态确定。

在一个实施例中，优选地，所述各个组合传感器通过无线网络将采集的数据实时传输至与其连接的服务器。

在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：

水准仪，设置于所述拟振冲地层场地土的表层，用于监测振冲前后土层的沉降。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种采用如第一方面的实施例中任一项所述的振冲碎石桩加密性测试装置的智能反演分析方法，所述方法包括：

对于拟定使用的不同型号的振冲器，分别采用所述振冲碎石桩加密性测试装置进行测试试验，以得到拟振冲地层条件下每个振冲器对应的土体数据并发送至服务器；

所述服务器根据每个振冲器对应的土体数据进行反演分析，以确定每个振冲器对应的关键最优施工参数；

根据所述每个振冲器对应的关键最优施工参数，确定所述拟振冲地层条件下应采用的最优振冲器；

采用所述最优振冲器及与其对应的关键最优施工参数，对振冲碎石桩的可加密性能进行评价。

在一个实施例中，优选地，所述关键最优施工参数包括：

土体加密区水平长轴半径、土体加密区竖直短轴半径、土体欠加密区水平长轴半径、土体欠加密区竖直短轴半径、加密电流强度、留振时间、碎石填料量和置换率。

在一个实施例中，优选地，所述服务器根据每个振冲器对应的土体数据进行分析，以确定每个振冲器对应的关键最优施工参数，包括：

基于服务器内预置地层等值椭球面分析程序，根据地层内各传感器实时数据，计算并显示出土压力、孔隙水压力、土体应变和加速度的等值椭球面分布图；

根据预先设定的土体加密判定标准，计算出土体加密区水平长轴半径Rx₁、Ry₁，土体加密区竖直短轴半径Rz₁，土体欠加密区水平长轴半径Rx₂、Ry₂，土体欠加密区竖直短轴半径Rz₂，并计算出各区域等值椭球面图。

在一个实施例中，优选地，采用所述最优振冲器及与其对应的关键最优施工参数，对所述拟振冲地层的可加密性能进行评价，包括：

在所述最优振冲器振冲作业结束一定恢复期后，采用静载荷法、动力触探法和标准贯入法对碎石桩、振冲复合地基开展承载力和密实度测试，根据规范要求进行质量评价；

对所述振冲复合地基按一定厚度开展分层剥离作业，并采集视频、照片、绘制横剖面剥离面素描图；

结合反演分析结果、承载力测试数据，对振冲碎石桩的可加密性能进行评价。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第二方面的实施例中任一项所述方法的步骤。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

(1)振冲碎石桩加密性测试装置采用地层立体监测网实时动态显示振冲器加密影响范围，分析加密状况，解决了现有现场试验和施工无法直接观测、真实掌握振冲加密过程和加密效果问题。

(2)通过该振冲碎石桩加密性测试装置开展测试试验，可以获得振冲器和加密地层关键参数，为该地层振冲器优选提供重要参考，同时为该地层振冲工程设计和施工提供科学数据和技术支持。

(3)经济性显著，在实验室开展模拟振冲试验，与现场生产性实验相比费用可显著降低。

(4)室内实验室试验，不受天气、季节、温度等影响，与现场试验相比可有效节约工期。

(5)将传统依靠经验判断为主的施工方式，转变为依靠科学试验数据综合分析研判，提升振冲施工的科学性和工程指导意义。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1A是根据一示例性实施例示出的一种振冲碎石桩加密性测试装置的横剖面示意图。

图1B是根据一示例性实施例示出的一种振冲碎石桩加密性测试装置的平面示意图。

图1C是根据一示例性实施例示出的加密反演分析的立体示意图。

图2是根据一示例性实施例示出的一种智能反演分析方法的流程图。

图3是根据一示例性实施例示出的另一种智能反演分析方法的流程图。

图4是根据一示例性实施例示出的又一种智能反演分析方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

现有振冲器的激振过程，仅靠电流强度和留振时间等监控参数控制施工，缺乏对周边地层的实时监控，周边土体加密质量只能通过振冲器电流强度变化凭操作手经验判断，缺乏科学评判标准和地层准确真实数据验证，施工质量难以保证。本发明振冲碎石桩加密性测试装置通过在拟振冲地层内部布设立体监测网络，基于等值椭球面分析程序，在激振过程中基于网络内各节点传感器实时监测数据绘制加密区等值椭球面，通过反演分析实时给出振冲器周边加密地层的真实加密状态，实时控制地层的加密过程。

如图1A，图1B和图1C所示，根据本公开实施例的第一方面，提供一种振冲碎石桩加密性测试装置，振冲碎石桩加密性测试装置包括：

容器本体11，所述容器本体11为上部开口的圆柱形容器；

立体监测网络(图中未示出)，所述立体监测网络为圆环形立体监测网络，以所述振冲器的几何中心为球心，进行立体监测网络的监测点的布置；监测网络间距以振冲器直径为基数，根据精度要求可加密或减疏，本例以2倍振冲器直径为上下、环向和前后间距，监测边界为10d内球形区域(可根据具体试验调整)。

可拆卸引孔护筒12和振冲器13，竖向放置在所述容器本体11土体上部，所述振冲器13通过放置在所述可拆卸引孔护筒12的孔径进入拟振冲地层。

容器中心竖向提前放置一个可拆卸引孔护筒，高度约2～4d振冲器直径，直径约为振冲器直径1.5倍。

固定支架14，设置于所述容器本体的正上方，用于振冲器13的上下提拉控制；

拟振冲地层场地土15，用于填充在所述容器本体内，其中，经振冲后地层可划分为土体加密区、土体欠加密区和土体未加密区；

多个组合传感器16，在每个监测点处，均布置一套组合传感器，用于监测振冲作业全过程，采集土体数据。

每个监测点(图1A中虚线交点)处采用鱼线吊挂方式预先按设计坐标位置吊挂布置一个土压力计、渗压计、土体应变计和加速度计等组成的具备防水性能的组合传感器，组合传感器外置金属铠甲保护，可避免受振动或挤压破坏。

在一个实施例中，优选地，所述组合传感器包括：土压力计、渗压计、土体应变计和加速度计。

在一个实施例中，优选地，所述拟振冲地层场地土采用分层法制备。具体地，试验所用土体应采用拟振冲地层场地土。容器内土体采用分层法制备，每层铺设约10cm厚，用橡皮锤逐层敲击密实，铺设时应注意对传感器的保护。逐层将场地土铺设到容器表层。

在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：

薄钢条和配重块(图中未示出)，所述薄钢条铺设在拟振冲地层场地土表层，所述配重块放置在所述薄钢条上，其中，所述配重块的数量根据真实土层压力状态确定。场地土铺设完毕后在其上铺设薄钢条，其上放置配重块增加模拟地层初始土压力，根据容器中心点位置土压力计数据，在地层上方配置固定足够数量的配重块，使其满足真实地层土压力或相似比(缩尺试验)状态。

在一个实施例中，优选地，所述装置还包括：

水准仪17，设置于所述拟振冲地层场地土的表层，用于监测振冲前后土层的沉降。

其中，初始土压力模拟方法具体包括：

对采用分层法制作的模型土，需保证测试容器中心位置土压力符合试验要求，采用顶部放置配重块方法增加模型土压力值。具体方法为：可通过预埋竖直向0位置处土压力计读数，在土体表面均匀配置配重块，将土压力值增加到原状土压力值。原状土土压力可通过如下公式计算得到：

深度h处土压力：

σ_h＝k₀×γ×h

k₀表示土的侧压力系数或静止土压力系数，对于正常固结粘性土，可近似按k₀≈1-sinj'(j'为土的有效内摩擦角)，γ表示土重度，h表示深度。

在一个实施例中，优选地，所述各个组合传感器通过无线网络将采集的数据实时传输至与其连接的服务器。

在振冲碎石桩加密性测试装置进行测试试验时，首先将振冲器吊装就位，通过引孔护筒向下逐步造孔。引孔护筒的功能具有定位、抗倾斜、引导向下、填入碎石等功能。根据振冲器导杆自身竖向标尺判断下降深度，直到设计深度处造孔结束。然后按振冲工艺标准执行洗孔操作，洗孔后开始按规范填入级配碎石(振冲过程采用常规振冲工艺)，根据规范要求和服务器实时反演分析，确定各阶段电流强度、留振时间、提拉高度、回插深度等振冲器控制关键参数。直至振冲器回升到土体表面，振冲作业结束。振冲作业流程按规范要求执行。

图2是根据一示例性实施例示出的一种智能反演分析方法的流程图。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种采用如第一方面的实施例中任一项所述的振冲碎石桩加密性测试装置的振冲器确定方法，所述方法包括：

步骤S201，对于拟定使用的不同型号的振冲器，分别采用所述振冲碎石桩加密性测试装置进行测试试验，以得到拟振冲地层条件下每个振冲器对应的土体数据并发送至服务器；

步骤S202，所述服务器根据每个振冲器对应的土体数据进行反演分析，以确定每个振冲器对应的关键最优施工参数；其中，可以采用MATLAB等软件开发适用于本测试装置试验的等值椭球面分析程序，预置入服务器。

振冲加密性智能反演分析模型，主要基于振冲器加密电流强度I、留振时间t、土体加密区水平长轴半径R_x1、R_y1，土体加密区竖直短轴半径R_z1，土体欠加密区水平长轴半径R_x2、R_y2，土体欠加密区竖直短轴半径R_z2、置换率Q、土压力P₁、孔隙水压力P₂、土体应变ε、加速度a等关键参数，建立振冲加密性智能反演分析模型(I-t-R₁-R₂-Q-P₁-P₂-ε-a)，通过等值面分析功能，实时给出振冲地层加密区等值椭球面、欠加密区等值椭球面云图。

电流强度I：根据规范、地层和测试要求具体情况确定，一般设定为0～100A。

留振时间t：根据规范、地层和测试要求具体情况确定，一般设定为0～30s/次。

土体加密区水平长轴半径R_x1、R_y11，土体加密区竖直短轴半径R_z1：根据规范、地层和测试要求具体情况确定，见图1(C)。

土体欠加密区水平长轴半径R_x2、R_y2，土体欠加密区竖直短轴半径R_z2：根据规范、地层和测试要求具体情况确定，见图1(C)。

置换率Q：根据体积比计算确定，计算分析公式见下：

Δv：为填入碎石体积；v：为拟振冲地层体积。P₁：由土压力计实时监测得到，单位：kPa；P₂：由孔隙水压力计实时监测得到，单位：kPa；ε：由土应变计实时监测得到，单位：10^-6。a:地层加速度，由加速度计实时监测得到。振冲前后土表层沉降差作为试验观测参考数据。

步骤S203，根据所述每个振冲器对应的关键最优施工参数，确定所述拟振冲地层条件下应采用的最优振冲器；

根据拟采用振冲器实验测试结果，以达到相同加密半径R₁所需加密时间、加密效果、经济性和其他要求四项作为评判依据，按照评分表发开展适用性评判，见表1。

表1振冲器适用性测试评判表

以达到相同加密外边界R₁作为评判标准，具体的：

加密时间：加密达到R₁外边界所需时间；

加密效果：可根据设计需求确定，一般可选择单桩承载力、复合地基承载力等；

经济性：包括振冲器成本、用电量、用水量、运输吊装费用等；

其他：可用于除前三项外其他项目，如针对特殊地层设置特殊评判项目等。

步骤S204，采用所述最优振冲器及与其对应的关键最优施工参数，对振冲碎石桩的可加密性能进行评价。

在该实施例中，对拟定使用的不同型号振冲器逐一开展测试试验，根据达到相同加密半径R₁所需加密时间、加密效果、经济性、设计要求等开展对比分析，综合评判各振冲器适用性，并给出评判建议。

在一个实施例中，优选地，所述关键最优施工参数包括：

土体加密区半径、土体欠加密区半径、加密电流强度、留振时间、碎石填料量和置换率。

图3是根据一示例性实施例示出的另一种智能反演分析方法的流程图。

如图3所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S202包括：

步骤S301，基于服务器内预置地层等值椭球面分析程序，根据地层内各传感器实时数据，计算并显示出土压力、孔隙水压力、土体应变和加速度值的等值椭球面分布图；

步骤S302，根据预先设定的土体加密判定标准，计算出土体加密区水平长轴半径R_x1、R_y1，土体加密区竖直短轴半径R_z1，土体欠加密区水平长轴半径R_x2、R_y2，土体欠加密区竖直短轴半径R_z2，并计算出各区域等值椭球面图。

其中，R₁取值范围在立体坐标系可表示为：

其中，x₁，y₁，z₁的取值可根据地层设计要求确定，适用于各类传感器数值分析。

R₂取值范围在立体坐标系可表示为：

x₁，y₁，z₁的取值可根据地层设计要求确定，适用于各类传感器数值分析。

图4是根据一示例性实施例示出的又一种智能反演分析方法的流程图。

如图4所示，在一个实施例中，优选地，上述步骤S204包括：

步骤S401，在所述最优振冲器振冲作业结束一定恢复期后，采用静载荷法、动力触探法和标准贯入法对桩、振冲复合地基开展承载力和密实度测试，根据规范要求进行质量评价；

步骤S402，对所述振冲复合地基按分层厚度开展分层剥离作业，并采集视频、照片、绘制横剖面剥离面素描图等；

步骤S403，结合反演分析结果、承载力测试数据，对振冲碎石桩的可加密性能进行评价。

该发明测试装置和智能反演方法包括且不限于：单一/多种地层、不同型号振冲器、不同桩径、不同振冲深度等振冲施工关键参数的对比分析。

根据本公开实施例的第三方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现如第一方面的实施例中任一项所述方法的步骤。

进一步可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。

进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种振冲碎石桩加密性测试装置，其特征在于，所述装置包括：

容器本体，所述容器本体为上部开口的圆柱形容器；

立体监测网络，所述立体监测网络为圆环形立体监测网络，以所述振冲器的几何中心为球心，进行立体监测网络的监测点的布置；

可拆卸引孔护筒和振冲器，竖向放置在所述容器本体的中心土体上部，所述振冲器通过放置在所述可拆卸引孔护筒的孔径进入拟振冲地层；

固定支架，设置于所述容器本体的正上方，用于振冲器的上下提拉控制；

拟振冲地层场地土，用于填充在所述容器本体内，其中，经振冲后地层可划分为土体加密区、土体欠加密区和土体未加密区；

多个组合传感器，在每个监测点处，均布置一套组合传感器，用于监测振冲作业全过程，采集土体数据。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述组合传感器包括：土压力计、渗压计、土体应变计和加速度计。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述拟振冲地层场地土采用分层法制备。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

薄钢条和配重块，所述薄钢条铺设在拟振冲地层场地土上，所述配重块放置在所述薄钢条上，其中，所述配重块的数量根据真实土层压力状态确定。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述各个组合传感器通过无线网络将采集的数据实时传输至与其连接的服务器。

6.一种采用如权利要求1至5中的任一项所述的振冲碎石桩加密性测试装置的智能反演分析方法，其特征在于，所述方法包括：

对于拟定使用的不同型号的振冲器，分别采用所述振冲碎石桩加密性测试装置进行测试试验，以得到拟振冲地层条件下每个振冲器对应的土体数据并发送至服务器；

所述服务器根据每个振冲器对应的土体数据进行反演分析，以确定每个振冲器对应的关键最优施工参数；

根据所述每个振冲器对应的关键最优施工参数，确定所述拟振冲地层条件下应采用的最优振冲器；

采用所述最优振冲器及与其对应的关键最优施工参数，对振冲碎石桩的可加密性能进行评价。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述关键最优施工参数包括：

土体加密区水平长轴半径、土体加密区竖直短轴半径、土体欠加密区水平长轴半径、土体欠加密区竖直短轴半径、加密电流强度、留振时间、碎石填料量和置换率。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述服务器根据每个振冲器对应的土体数据进行分析，以确定每个振冲器对应的关键最优施工参数，包括：

基于服务器内预置地层等值椭球面分析程序，根据地层内各传感器实时数据，计算并显示出土压力、孔隙水压力和土体应变的等值椭球面分布图；

根据预先设定的土体加密判定标准，计算出土体加密区水平长轴半径Rx₁、Ry₁，土体加密区竖直短轴半径Rz₁，土体欠加密区水平长轴半径Rx₂、Ry₂，土体欠加密区竖直短轴半径Rz₂，并计算出各区域等值椭球面云图。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用所述最优振冲器及与其对应的关键最优施工参数，对所述拟振冲地层的可加密性能进行评价，包括：

在所述最优振冲器振冲作业结束一定恢复期后，采用静载荷法、动力触探法和标准贯入法对振冲碎石桩、振冲复合地基开展承载力和密实度测试，根据规范要求进行质量评价；

对所述振冲复合地基按分层厚度开展分层剥离作业，并采集视频、照片、绘制横剖面剥离面素描图；

结合反演分析结果、承载力测试数据，对振冲碎石桩的可加密性能进行综合评价。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求6至9中任一项所述方法的步骤。

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