CN115704215A - 振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法，包括：获取施工形成的桩孔内在未投放石料前的料面深度；将石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内，形成一段松散桩体；对所形成的松散桩体的料面深度进行测量计算，并利用获得的投放石料前后料面深度的高度差计算每延米松散桩体的平均填料量；对松散桩体进行振冲加密施工，形成密实桩体；利用平均填料量和密实系数，计算出密实桩体每延米的平均桩径；根据密实桩体的平均桩径与预设桩径的比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数，以形成符合桩径要求的密实桩体。本发明的方法，能形成桩径均匀且连续的振冲碎石桩体，解决了本领域在中粗砂层等地层且强震高发地带进行振冲施工形成的振冲碎石桩体连续性差、在强震状态下易错断或错开的难题。

Description

振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法

技术领域

本发明涉及桩机施工技术领域，尤其涉及一种振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法。

背景技术

振冲碎石桩工艺以施工质量效果突出、施工工艺简单、施工成本低、填筑材料来源广泛等优势而获得广泛应用。

在振冲碎石桩机施工中，向桩孔内上料后桩径的实时测定是振冲工艺自动化的关键难题之一。从常识上看，振冲碎石桩的桩径与地层情况密切相关，但这就不可避免地存在一个问题，那就是桩径极不均匀。在中粗砂层等地层中，振冲造孔过程中同时也产生了挤密作用，这样就很容易导致碎石填料很难扩散而造成桩径过小；反之，如果是湖相沉积淤泥质等地层，则因周边约束太小而造成填料大量填入，很难挤密，表观上则表现为加密电流太小，此时往往采取两种措施处理，一是降低加密电流标准，二是加大填料。前者的问题是没有客观依据，人为因素太重，后者的问题在于桩径过大，甚至串桩。直至目前，都没有很好的处理措施，工程实践中通常做法就是一次性填入大量碎石，尽量拉长孔内填料高度差，形成平均效果，但这种处理方法实际上是不客观的。对于常规工程而言，这样的模糊化处理没有问题，但是，对于一些强震高发带而言就埋下了很大的隐患。如果发生特大强震，需要将地层中的超静孔隙水压力降低至安全范围时，桩体本身的连续性就变成了关键问题，而中粗砂层中因振冲造孔过程中的预加密效应造成的桩径过小就成为了最为薄弱的环节，一旦强震状态下将其错断或错开，则振冲碎石桩下部的超静孔隙水竖直向上排水效应就会急剧下降，液化的可能性随之上升，振冲的工程作用随之严重下降，对工程整体运行造成威胁。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法，能形成桩径均匀且连续的振冲碎石桩体，解决了本领域在中粗砂层等地层且强震高发地带进行振冲施工形成的振冲碎石桩体连续性差、在强震状态下易错断或错开的难题。

为实现本发明的上述目的，本发明提供一种振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法，其包括：

获取振冲碎石桩机施工形成的桩孔内在未投放石料前的料面深度；

将石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内，形成一段松散桩体；

对所形成的松散桩体的料面深度进行测量计算，获得投放石料前后料面深度的高度差，并利用投放石料前后料面深度的高度差计算每延米松散桩体的平均填料量；

对所述松散桩体进行振冲加密施工，形成一段密实桩体，利用所述平均填料量和密实系数，计算出密实桩体每延米的平均桩径；

将所述密实桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数，以形成符合桩径要求的振冲碎石桩的密实桩体。

优选的，所述利用投放石料前后料面深度的高度差计算每延米松散桩体的平均填料量包括：

计算投放到桩孔内的石料重量G₂；

利用所计算的放到桩孔内的石料重量G₂和预先获取的石料松散堆积密度ρ₁，计算桩孔内石料堆积体积V₂；

利用桩孔内石料堆积体积V₂和投放石料前后料面深度的高度差算出每延米松散桩体的平均填料量。

优选的，所述石料松散堆积密度ρ₁为待投放的石料的重量与体积之比。

优选的，将该段桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数包括：

将该段桩体的平均桩径d₀与预设桩径d_s进行比较；

若平均桩径d₀大于或等于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机按原振冲参数进行振冲加密作业；

若平均桩径d₀小于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机需以调节后的振冲参数进行振冲扩桩作业。

优选的，若平均桩径d₀小于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机需以调节后的振冲参数进行振冲扩桩作业包括：

若d₀<0.5d_s，采用如下振冲参数进行振冲施工：

振冲加密电流：大于预设电流30-50A、且小于或等于额定电流的90％；下水的水压：大于1MPa；下气的气压：大于0.7MPa；

若0.5d_s<d₀<0.8d_s，采用如下振冲参数进行振冲施工：

振冲加密电流：大于预设电流20-30A、且小于或等于额定电流的90％；下水的水压：0.7-0.8MPa；下气的气压：0.5-0.6MPa；

若0.8d_s<d₀<d_s，采用如下振冲参数进行振冲施工：

振冲加密电流：大于预设电流10-20A、且小于或等于额定电流的90％；下水的水压：0.5-0.6MPa；下气的气压：0.3-0.4MPa。

优选的，振冲参数包括振冲电流密度、下水的水压和下气的气压。

优选的，将待投放石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内时，获得投放到桩孔内石料的真实投放重量包括：

以轮询方式获取装载有待投放石料时的多个装载机的第一重量信息和多个装载机所在位置信息；

根据获取的多个装载机所在位置信息，控制位于桩孔投料区域内的装载机依次将所装载的石料投放到桩孔内，以获取投放石料后的装载机的第二重量信息；

根据获取的每个装载机的第一重量信息和第二重量信息，得到每个装载机每斗投放到桩孔内的石料重量，并将多个装载机的每斗石料重量累加以获得投放到桩孔内石料的真实投放重量。

优选的，振冲碎石桩机施工形成桩孔时，需形成符合垂直度要求的桩孔。

与现有技术相比，本发明的振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法具有如下优点：

1、本发明方法能形成桩径均匀且连续的振冲碎石桩体，解决了本领域在中粗砂层等地层且强震高发地带进行振冲施工形成的振冲碎石桩体连续性差、在强震状态下易错断或错开的难题。

2、本发明方法可实现振冲碎石桩机施工中石料的自动上料以及动态实时计量，操作简便，计量准确，实现本地与远程称重数据同步，自动监控，有效保证质量，提高工效，节省人力。

3、本发明对于深厚覆盖的复杂地层，根据不同地层密实度精确控制振冲碎石桩机振冲成桩的振冲参数，确保顺利完成复杂地层的深孔振冲施工，从而解决了位于强震高发地带的50m以上深厚覆盖层地层振冲施工成桩的难题。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明方法中振冲碎石桩机一个视角的透视图；

图2是本发明方法中振冲碎石桩机另一个视角的透视图；

图3是本发明钻杆垂直度保持装置抱紧连接段的局部放大视图；

图4是本发明钻杆垂直度保持装置的第一种结构示意图；

图5是本发明钻杆垂直度保持装置的第二种结构示意图；

图6是本发明钻杆系统的结构示意图；

图7是本发明钻杆系统的部分示意图；

图8是本发明钻杆系统的工作段与振冲器系统连接的结构示意图；

图9是本发明垂直度调节原理的第一种示意性框图；

图10是本发明垂直度调节原理的第二种示意性框图；

图11是本发明桅杆垂直度保持装置的示意性框图；

图12是本发明垂直度检测机构的示意性框图；

图13是本发明振冲碎石桩机施工中形成桩体的流程图；

图14是装载机、振冲碎石桩机、远端控制系统的示意图；

图15是远端控制系统控制装载机向桩孔投料的流程图；

图16是装载机与远端控制系统通信的示意图；

图17是装载机向桩孔投放石料时计重的流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，分别为用于本发明方法的振冲碎石桩机两个视角的透视图，由图可知，本发明振冲碎石桩机包括吊装系统100、钻杆系统200、振冲器系统400及自动进给系统500。

其中，吊装系统100包括振冲碎石桩机的主机101、与主机连接的桅杆102、安装在主机101后端的主卷扬装置501，通过主卷扬装置501的钢丝绳及桅杆102吊装钻杆系统200，以使钻杆系统在自重作用下竖直安置。

在主机101上安置有自动进给系统500，该自动进给系统安装于吊装系统100主机101的后部，可用作主机101的配重。自动进给系统500包括气管卷扬装置502、电缆卷扬装置503和水管卷扬装置504，且这三个装置与主卷扬装置501被设置为同步进给。

钻杆系统200具有位于上部的用于与主卷扬装置501的钢丝绳连接的连接段201、位于中间的支撑段202和位于下部的用于与振冲器系统400连接的工作段203(通常，如图8所示，在工作段203与振冲器系统400之间安置减震组件)。该钻杆系统200采用现有技术的伸缩式导杆，使得钻杆系统200的轴向长度可调，以便改变振冲器系统相对地面的下放或上提位置。如图6、图7所示，钻杆系统200具有由内向外依次套接的多层套管，连接段201为顶层套管，工作段203为底层套管，支撑段202包括一层或多层中间套管。其中，相邻两层套管可采用现有技术的连接结构连接在一起，即可使相邻两层套管轴向滑动顺利，又可防止相互之间发生扭转。工作时，钻杆系统中多层套管的数量与长度可以根据使用需要而确定，如可采用4层以上的套管，每层套管的长度可为18—25米(顶层套管的长度还可更长些)。使用时，钻杆系统的多层套管的长度可伸长或缩短，当伸缩式导杆的多层套管全部伸出时，伸缩式导杆的总长度可达到72米甚至更长，因此，采用本发明的振冲碎石桩机可以对深度大于50米的地层进行振冲造孔。需要说明的是，每相邻两层套管连接时的同轴度相同，即，多层套管长度伸长后同轴，使得振冲施工过程中，各层套管与桩孔呈垂直状态。

在通过上述振冲碎石桩机对地层进行振冲施工的过程中，先通过振冲器系统进行振冲施工形成振冲碎石桩孔，然后通过装载机向形成的桩孔内逐渐投放石料，投放石料的过程中通过振冲器系统对投放的松散石料进行加密以形成密实的桩体。

下面，对采用振冲碎石桩机形成桩体的过程进行详细描述。

首先，是通过振冲器系统进行振冲施工以形成振冲碎石桩孔。由于振冲碎石桩机的振冲器是在碎石、砂、泥浆环境下工作，振冲器系统200的振冲器对深度大于50米的复杂地层进行振冲造孔的过程中，若遇到坚硬地层，振冲器在振冲过程中极易发生偏斜，使得桩孔发生偏斜，这将导致施工失败，并造成巨大损失。尤其是在对强震高发地带的中粗砂层等地层进行施工时，桩孔偏斜导致桩体倾斜将造成无法估量的损失。为了避免出现振冲器在振冲过程中发生偏斜的情况，本发明将振冲碎石桩机的钻杆系统与吊装系统的桅杆平行安置，这样可使与钻杆系统底部连接的振冲器系统与桅杆平行，通过保证桅杆的垂直度可确保振冲器系统的垂直度；而在通过振冲器进行振冲造孔施工时，对桅杆相对位于水平面上主机的垂直度进行实时检测，并根据检测结果对桅杆垂直度进行相应调整，确保桅杆垂直度符合要求，从而使得与桅杆平行安置的振冲器能以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲并形成振冲碎石桩孔。

具体的，本发明通过振冲器垂直保持系统300确保振冲器能以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲并形成振冲碎石桩孔。

如图1-图5所示，本发明振冲器垂直保持系统300包括：用于使振冲器振冲造孔施工时的桅杆相对位于水平面上主机的垂直度符合要求，以便振冲器以符合要求的垂直度对施工地层的待施工桩点向下振冲形成振冲碎石桩孔的桅杆垂直度保持装置；用于使钻杆系统与吊装系统的桅杆平行安置，以便与钻杆系统底部连接的振冲器系统与桅杆平行的钻杆垂直度保持装置。

其中，如图11所示，桅杆垂直度保持装置包括：用于在通过振冲器进行振冲造孔施工时，对桅杆相对位于水平面上主机的垂直度进行实时检测与处理的垂直度检测机构；用于根据垂直度检测机构的检测结果对桅杆垂直度进行相应调整以使桅杆垂直度符合要求的桅杆角度调节机构。

本发明采用的垂直度检测机构如图12所示，包括如下模块：通过对桅杆相对安置在水平面上主机的倾角进行实时检测，获得桅杆相对主机的倾斜角度的倾角检测模块；在获得桅杆相对主机的倾斜角度后，通过计算以获得桅杆相对主机垂直度(简称为桅杆垂直度)的偏差数据的偏差数据计算模块；通过获得的桅杆垂直度的偏差数据，确定是否需要对桅杆垂直度进行调节的比较结果的垂直度比较模块；用于将比较结果发送给控制器，以便控制器根据比较结果控制桅杆角度调节机构执行相应动作调节桅杆垂直度的发送模块。

其中，倾角检测模块安置在桅杆内部(图中未示出)，优选的，倾角检测模块安置在桅杆内部靠近下端的1/5处，以更加精确地检测桅杆倾斜角度。该倾角检测模块可以采用倾角传感器，也可以采用现有技术的其它可以检测倾角并对数据进行处理的元件。

其中，偏差数据计算模块可以通过如图9所示的方式获得偏差数据，即，通过倾角检测模块实时检测桅杆垂直度后，获得桅杆相对主机的倾斜角度，然后，将该倾斜角度减去90度，获得桅杆相对主机垂直度偏差值。

或者，偏差数据计算模块还可以通过如图10所示的方式获得偏差数据，即，通过倾角检测模块实时检测桅杆垂直度后，获得桅杆相对主机的倾斜角度，然后，将该倾斜角度减去90度后取绝对值，获得桅杆相对主机垂直度偏差值的绝对值。

而在获得桅杆垂直度的偏差数据后，通过比较模块确定是否需要对桅杆垂直度进行调节，该比较模块将获得的桅杆垂直度的偏差数据与提前设定好的桅杆垂直度的预设阈值区间进行比较，并得到相应比较结果，比较过程如下：在获取桅杆垂直度的实时偏差数据后，判断该偏差数据是否处于预设阈值区间内；若偏差数据超出预设阈值区间，则需要对桅杆垂直度进行调节，且确定出需对桅杆调节方向与大小的相关信息；若偏差数据未超出预设阈值区间，则不需对桅杆垂直度进行调节。该预设阈值区间代表桅杆相对竖直面所能倾斜的最大角度与最小角度的范围。上述数据处理过程由预先存储的程序进行。

比较模块获得比较结果后，通过发送模块将比较结果发送给控制器，控制器根据比较结果控制桅杆角度调节机构执行相应动作以调节桅杆垂直度。即，当垂直度检测机构的检测结果表明需要对桅杆垂直度进行相应调整以使桅杆垂直度符合要求时，即偏差数据超出预设阈值区间，需要对桅杆垂直度进行调整以符合要求时，控制器将控制桅杆角度调节机构执行相应动作以调节桅杆垂直度至符合要求。控制器为PLC控制器。

需要说明的是，当需要对桅杆垂直度进行调节时，控制器首先控制振冲器系统停止振冲施工，并通过吊装系统上提振冲器系统，然后，通过控制桅杆角度调节机构执行相应动作，以调节桅杆垂直度至符合要求。

其中，本发明的桅杆角度调节机构包括：其活塞杆与桅杆连接的纠偏油缸，其缸体安装在主机上；与纠偏油缸连接的比例阀。设计时，可以通过一个纠偏油缸调节桅杆的垂直度，也可以通过一对纠偏油缸调节桅杆的垂直度，还可以通过多对纠偏油缸调节桅杆的垂直度。由比例阀控制纠偏油缸动作，比例阀连接PLC控制器，PLC控制器反馈信号闭环控制比例阀开口大小和方向，从而控制纠偏油缸对桅杆进行倾斜方向与倾斜大小的调节，保持桅杆的垂直度在符合要求的预设阈值区间内。

由于桅杆的垂直度符合要求，可使振冲器振冲造孔施工时的振冲器以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲，并形成符合垂直度要求的振冲碎石桩孔。

本发明除了在振冲器振冲造孔施工时，通过桅杆垂直度保持装置确保桅杆垂直度符合要求，从而使振冲器以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲形成振冲碎石桩孔外，还通过钻杆垂直度保持装置使钻杆系统与吊装系统的桅杆平行安置，从而使与钻杆系统底部连接的振冲器系统与桅杆平行，进而在桅杆垂直度符合要求的情况下，可使振冲器系统的垂直度始终符合要求，以便施工出符合垂直度要求的桩孔。

其中，对钻杆系统施加水平方向约束力与竖直方向导向力的钻杆垂直度保持装置包括：与钻杆系统连接的用于对钻杆系统的连接段施加水平方向约束力与竖直方向导向力的支撑架；与支撑架和桅杆分别连接的用于将支撑架固定于桅杆上的固定架。

具体的，支撑架可以采用如图4所示的第一种结构，具有沿竖直方向平行安置的一对立柱303、与一对立柱303顶端垂直连接且朝一侧伸出的水平架301、两端分别与一对立柱303和水平架301底端面两侧连接的一对加强柱302。水平架301上开设圆形通孔，圆形通孔与钻杆系统连接段201连接。设计时，可在圆形通孔内壁上开设沿竖直方向延伸的多条卡槽306，相应的，钻杆系统连接段201外壁设置沿连接段长度延伸方向延伸的多条连接筋204，水平架上的卡槽306与连接段201外壁上的连接筋204配合连接，连接时为间隙配合，以便钻杆系统连接段在穿过通孔后可沿竖直方向在通孔内上下滑动。这样，钻杆系统连接段201的下部穿过水平架301上通孔，连接段外壁的连接筋204安置在卡槽306内，通过水平架301上通孔、卡槽对连接段施以水平方向约束力和竖直方向导向力，从而对连接段的连接处施以一定刚性约束，使得钻杆系统始终与桅杆平行，进而使与钻杆系统连接的振冲器系统与桅杆平行。在振冲器系统振冲施工的过程中，通过钻杆垂直度保持装置，使得桅杆垂直度符合要求时，振冲器系统能振冲造出符合垂直度要求的桩孔。

当然，也可在圆形通孔内壁设置沿竖直方向延伸的多条连接筋，在钻杆系统连接段201外壁固定安置与多条连接筋配合的卡槽(图中未示出)，通过连接筋与卡槽配合的方式，使水平架对连接段施以一定刚性约束力。

进一步的，本发明支撑架还可以采用如图5所示的第二种结构，该结构在第一结构的基础上，在水平架301上表面两侧靠近边缘处还分别设置挡拦308，以为维护人员维护钻杆垂直度保持装置及钻杆系统时提供安全防护。

本发明的水平架301可为一体结构，进一步的，为了方便将钻杆系统的连接段与水平架301连接在一起及维修，水平架301还可设置成由两个部分构成(如图4所示)的结构，这两部分各具有半个通孔，两部分通过铰链与锁扣305连接在一起并拼成一个完整圆形通孔。

而与支撑架和桅杆102分别连接的固定架307具有与桅杆102配合连接的竖直连接架和与竖直连接架的上下两端分别固定连接且与竖直连接架垂直的一对上连接耳和一对下连接耳，相应的，在支撑架的上下两端也分别设置一对上连接耳、一对下连接耳，如图4所示，支撑架的一对上连接耳设置在水平架301的远离通孔一端的两侧，支撑架的一对下连接耳设置在一对立柱303上，支撑架的上、下连接耳分别通过销轴304与固定架307上的上、下连接耳连接在一起，从而使得支撑架与固定架连接在一起。当然，为提高固定架与支撑架的连接强度，也可以多设置一些连接耳或连接板等。

相对于现有技术具有伸缩导杆的振冲碎石桩机来说，虽然现有技术的振冲碎石桩机在桅杆上设置环形架，但其环形架的作用是通过环形架护在伸缩导杆外围(环形架与伸缩导杆最大外径之间具有较大间隙)以防止伸缩导杆及振冲器下设过程中与桅杆相撞而导致构件损坏，并防止振冲器振冲施工中因晃动幅度过大而与桅杆相撞，可见，其环形架不能解决振冲器在振冲施工时产生的桩孔倾斜问题。而本发明采用钻杆垂直度保持装置，对钻杆系统的连接段提供水平面内的刚性约束力和竖直方向的导向力，可以确保钻杆系统与桅杆平行，从而在桅杆垂直度得到保证的条件下，使得钻杆系统及振冲器系统的垂直度得到保证，能振冲施工出垂直度符合要求的桩孔。

进一步的，为了根据钻杆系统连接段的长度确定抱紧连接段的位置，本发明吊装系统还在桅杆102上安置用于调节钻杆垂直度保持装置相对桅杆位置的调节油缸103(如图3所示)，该调节油缸103活塞杆与桅杆平行并朝下竖直延伸，末端与固定架307固定连接。固定架307的竖直连接架与桅杆102通过滑动配合的方式连接，从而通过调节油缸103的伸缩而调节固定架307在桅杆上的位置，进而可以调节钻杆垂直度保持装置对钻杆系统连接段的约束位置，使得振冲器系统在振冲时可以保持更好的垂直度要求。

综上，本发明通过上述振冲碎石桩机进行振冲施工，以形成用于投放石料的符合垂直度要求的振冲碎石桩孔包括如下步骤：

S01、将钻杆系统与吊装系统的桅杆平行安置，以便与钻杆系统底部连接的振冲器系统与桅杆平行；

在利用吊装系统下放钻杆系统及振冲器系统的过程中，对钻杆系统相对主机的垂直度进行控制，以便随钻杆系统下放的振冲器系统与桅杆平行。而对钻杆系统的垂直度进行控制，是通过对钻杆系统施加水平方向约束力与竖直方向导向力的方法。

需要说明的是，振冲碎石桩机的主机应安置在水平的地面上，且地面具有足够承载力，可使振冲碎石桩机的主机保持水平，而确保主机保持水平的方式，可以采用经纬仪辅助校准使主机处于水平和竖直状态。

由于钻杆系统包括连接段、支撑段和工作段，而连接段通过第一根钢丝绳悬吊在桅杆上，因此，对钻杆系统施加水平方向约束力与竖直方向导向力时，是将该约束力施加在钻杆系统的连接段上。施加水平方向约束力与竖直方向导向力，是通过钻杆垂直度保持装置对连接段施加水平方向约束力与竖直方向导向力的方法。

通过钻杆垂直度保持装置对连接段施加水平方向约束力与竖直方向导向力包括：

通过多根销轴将钻杆垂直度保持装置的固定架与支撑架连接在一起；

将固定架安装在桅杆上，并使钻杆系统的连接段穿过支撑架的通孔，以通过支撑架对连接段施加水平方向约束力与竖直方向导向力。

其中，当支撑架的水平架由两部分对接而成时，可打开锁扣，使支撑架的远离桅杆的一部分相对靠近桅杆的另一部分处于打开状态，当钻杆系统连接段一部分穿过支撑架的通孔后，再将两部分对接，并通过锁扣锁紧，从而对连接段提供刚性约束。优选的，连接段被约束的位置靠近连接段与支撑段连接处。

或者，当钻杆垂直度保持装置在桅杆上的位置可调时，通过钻杆垂直度保持装置对连接段施加水平方向约束力与竖直方向导向力还包括：

在通过多根销轴将钻杆垂直度保持装置的固定架与支撑架连接在一起之前或之后，还包括：

将固定架与调节油缸活塞杆连接；

根据钻杆系统连接段所需抱紧的位置，控制调节油缸的活塞杆伸缩，以通过活塞杆调节固定架在桅杆上的竖直位置，直至钻杆垂直度保持装置到达所需位置。

通过钻杆垂直度保持装置，可使钻杆系统与吊装系统的桅杆平行安置，从而使与钻杆系统底部连接的振冲器系统与桅杆平行。当桅杆垂直度符合要求时，振冲器系统可以符合要求的垂直度对地层振冲施工以形成桩孔。

S02、在通过振冲器系统进行振冲施工时，使桅杆相对位于水平面上主机的垂直度符合要求，以便振冲器以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲形成振冲碎石桩孔

在通过钻杆垂直度保持装置使钻杆系统、振冲器系统与吊装系统的桅杆平行之后，利用振冲器系统对地层进行振冲施工，振冲施工时，需使桅杆相对位于水平面上主机的垂直度符合要求，以便振冲器以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲形成振冲碎石桩孔，其包括如下步骤：

S021、在通过振冲器系统进行振冲施工时，对桅杆相对位于水平面上主机的垂直度进行实时检测，以获得桅杆垂直度的实时偏差数据；

在通过振冲器进行振冲造孔施工过程中，对桅杆相对位于水平面上主机的垂直度进行实时检测与处理，包括：通过对桅杆相对安置在水平面上主机的倾角进行实时检测，获得桅杆相对主机的倾斜角度；在获得桅杆相对主机的倾斜角度后，通过计算以获得桅杆相对主机垂直度(简称为桅杆垂直度)的实时偏差数据。

其中，在获得桅杆相对主机的倾斜角度(即桅杆与主机之间的夹角)后，通过计算获得桅杆垂直度偏差数据可以通过如下方法：通过倾角检测模块实时检测桅杆垂直度后，获得桅杆相对主机的倾斜角度，然后，将该倾斜角度减去90度，获得桅杆相对主机垂直度偏差值，该偏差值就为桅杆垂直度的实时偏差数据。或者，还可以通过如下方法：通过倾角检测模块实时检测桅杆垂直度后，获得桅杆相对主机的倾斜角度，然后，将该倾斜角度减去90度后取绝对值，获得桅杆相对主机垂直度偏差值的绝对值，该偏差值的绝对值就为桅杆垂直度的实时偏差数据。

S022、根据获得的桅杆垂直度的实时偏差数据，判断是否需要对桅杆垂直度进行调节；

通过计算获得桅杆垂直度实时偏差数据后，根据该实时偏差数据，判断是否需要对桅杆垂直度进行调节，即，判断该偏差数据是否处于预设阈值区间内，若偏差数据超出预设阈值区间，则需要对桅杆垂直度进行调节，若偏差数据未超出预设阈值区间，则不需对桅杆垂直度进行调节。

具体的，在获得桅杆垂直度的实时偏差数据后，通过比较模块确定是否需要对桅杆垂直度进行调节，该比较模块将获得的桅杆垂直度的偏差数据与提前设定好的桅杆垂直度的预设阈值区间进行比较，并得到相应比较结果，比较过程如下：在获取桅杆垂直度的实时偏差数据后，判断该偏差数据是否处于预设阈值区间内；若偏差数据超出预设阈值区间，则需要对桅杆垂直度进行调节，且确定出需对桅杆调节方向(即桅杆需前倾还是后仰)与大小的相关信息；若偏差数据未超出预设阈值区间，则不需对桅杆垂直度进行调节。该预设阈值区间代表桅杆相对竖直面所能倾斜的最大角度与最小角度的范围。

S023、若需要对桅杆垂直度进行调节，则调节桅杆垂直度至符合要求，以便振冲器系统以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲并形成振冲碎石桩孔。

获得的比较结果是桅杆垂直度的偏差数据超出预设阈值区间，需要对桅杆垂直度进行调整以符合要求时，该比较结果被发送给PLC控制器，控制器根据比较结果控制桅杆角度调节机构执行相应动作以调节桅杆垂直度，使桅杆垂直度符合要求。

具体的，若需要对桅杆垂直度进行调节，控制器首先控制振冲器系统停止振冲施工，并通过吊装系统上提振冲器系统；然后，通过控制桅杆角度调节机构执行相应动作，以调节桅杆垂直度至符合要求：PLC控制器控制比例阀开口大小和方向，从而通过纠偏油缸带动桅杆相对主机偏转进行倾斜方向与倾斜大小的调节，以使桅杆的垂直度在符合要求的预设阈值区间内。最后，下放被上提的振冲器系统，并利用振冲器系统继续对地层进行振冲施工。

采用上述方法，伸缩导杆系统是刚性连接，其垂直度由桅杆垂直机制直接保证，桅杆的垂直度符合要求，就使得与桅杆平行安置的钻杆系统及振冲器振冲施工时的垂直度符合要求，导杆+振冲器系统在遇到硬层或较大砾石时仍然会保持垂直。在工程实践中，对孔深超过50米的较硬地层特别是带有较大砾石地层进行振冲施工，既保持了对硬层和砾石的冲击力，又保证了桩孔垂直度，施工中改用旋挖或冲击的概率远低于传统方法(几乎不需改用旋挖或硬砸冲击)，在质量和工效上远优于传统方法，有效确保后续形成的振冲碎石桩孔及振冲碎石桩的桩径均匀性和密实性得到保证，使得振冲碎石桩安全性能好。另外，形成的振冲碎石桩还可构成地层中良好的竖向排水通道，大幅度缩减了地层中超静孔隙水的排水距离，使孔隙水压力数倍甚至数十倍的加速消散，对控制或抑制超静孔隙水压力的上升起到至关重要的作用，从根本上提高了复合地基抗地震液化能力和抗震效果。

通过上述步骤形成符合垂直度要求的桩孔后，进行清孔处理，然后通过多个装载机向清孔处理后的桩孔内逐渐投放石料，在逐渐投放石料的过程中，通过振冲碎石桩机的振冲器系统对投放到桩孔内的石料进行振冲加密施工，并在振冲加密施工过程中实时获取形成桩体的桩径，通过获取桩径结果及时调整加密振冲参数，以通过加密处理后的各段桩体由下至上形成连续均匀桩径符合要求的振冲碎石桩的完整桩体，从而解决了本领域在强震高发地带的中粗砂层等地层进行振冲施工形成的振冲碎石桩体连续性差、在强震状态下易错断或错开的难题。

其中，参见图13，本发明在形成符合垂直度要求的桩孔后并进行清孔处理后，通过装载机自动上料并通过振冲碎石桩机振冲施工形成连续、均匀桩体的流程如下：

获取振冲碎石桩机施工形成的桩孔内在未投放石料前的料面深度；

将石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内，对该段桩体的料面深度进行测量，通过计算获得投放石料前后料面深度的高度差；

对该段石料进行振冲加密施工，形成一段桩体，根据规范规定的方法通过计算获取该段桩体每延米的平均桩径；

将该段桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数，以形成符合桩径要求的振冲碎石桩的桩体。

其中，所述振冲参数包括振冲电流密度、下水的水压和下气的气压。振冲电流密度是指振冲器系统工作时振冲器电机的实际电流，下水是指由穿过伸缩导杆和振冲器后从振冲器的底端伸出的供水管道所供应的水，下水从振冲器底端喷出对地层进行水冲预破坏，下气是指供向钻杆系统的伸缩导杆底层套管底部侧面位置的气，下气出口下方为减震器和振冲器。

具体的，对振冲碎石桩机施工形成的符合垂直度要求的桩孔进行清孔处理后，通过多个装载机将松散状态的石料逐渐投放到桩孔内，并在逐渐投放石料的过程中通过振冲碎石桩机的振冲器系统对石料进行振冲加密，以将松散石料挤密成加密桩体。施工时，每隔一段时间(也可为每隔一定高度，在此仅对每隔一段时间进行说明)投放的石料会形成一段桩体，并通过由下至上的多段桩体连接形成均匀连续且符合垂直度要求的振冲碎石桩。相应的，一段时间形成桩体过程中，需对未投放石料前的料面深度和投放石料后的料面深度分别进行测量，以获得桩孔内松散状态下的料面高度差；而后对该段石料堆积体进行振冲加密施工，形成一段桩体，而后根据规范规定的方法通过计算即可获得该段桩体的平均桩径。

其中，在对振冲碎石桩机施工形成的桩孔内未投放石料前的料面深度和已投放石料后的料面深度分别进行测量时，采用在振冲碎石桩机的副卷扬装置上设置料面深度测定装置的方法。其中，副卷扬装置安装在振冲碎石桩机主机的后部(图中未示出)，副卷扬装置用于释放一根可以伸入到振冲碎石桩机施工形成的桩孔内的钢丝绳，在钢丝绳的末端可以挂一重锤，并在副卷扬装置上安装一感应元件(如压力传感器，也可为编码器)，当重锤碰到桩孔内所投放石料的上表面时，感应元件会感应到副卷扬装置产生的相应变化(如为副卷扬装置提供液压油的压力变化或者副卷扬装置转轴输出转矩的变化)，并将该变化传送给控制器，控制器据此变化进行计算而确定出未投放石料前的料面深度和已投放石料后的料面深度。

对振冲碎石桩机施工形成的桩孔内未投放石料前的初始料面深度进行测量前，对待投向桩孔内的待投放石料初始重量进行测量，以获取待投放石料的松散堆积密度，并对待投放石料重量进行称重，以获得待投放石料的初始重量。而在对桩孔内未投放石料前的料面深度进行测量后，将待投放松散石料投放到桩孔内，对已投放石料后桩孔内呈松散状态的料面深度进行测量，从而获得桩孔内石料在松散状态下的高度差，进而获知每延米桩体的松散状态下的平均填料量；而后对该段石料堆积体进行振冲加密施工，形成一段桩体，而后根据规范规定的密实系数方法通过计算即可获得该段桩体的平均桩径。

下面，对投放石料前后进行桩径计算的方法进行详细说明。

将待投放石料投向桩孔内之前，通过对待投向桩孔内的待投放石料初始重量进行测量，以获取石料的松散堆积密度：

将待投放石料堆于直径为1m、高为1m的圆筒内，表面平整，并通过如下公式计算石料的体积V₁：

V₁＝3.142*0.5²*1＝0.7855m³ (公式1)

通过对石料称重，获得石料的初始重量G₁(kg)，根据如下公式，计算石料的松散堆积密度ρ₁：

ρ₁＝(G₁/1000)/V₁＝G₁*1.273*10^-3cm³/g (公式2)

通过在振冲碎石桩机上的副卷扬装置上设置的上述料面深度测定装置，测定没有将待投放石料投向桩孔前的料面初始深度h₁；然后，将待投放石料倒入桩孔内，并记录倒入到桩孔内的真实投放重量G₂以及在桩孔内的堆积体积V₂，其中，堆积体积V₂如下公式计算：

V₂＝G₂/ρ₁ (公式3)

在得到石料的真实投放重量G₂以及在桩孔内的堆积体积V₂后，再通过料面深度测定装置检测桩孔内已投料后的料面深度h₂；然后，计算每延米桩体平均填料量V_m，其由如下公式计算：

V_m＝V₂/(h₁-h₂) (公式4)

得到每延米桩体平均填料量后，通过如下公式计算平均桩径d₀：

d₀＝2*sqrt(η*V_m/3.142) (公式5)

式中，η为密实系数，一般取0.7-0.8，具体由现场试验结果确定。

其中，将待投放石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内时，获得投放到桩孔内石料的真实投放重量包括：

以轮询方式获取装载有待投放石料时的多个装载机的第一重量信息和多个装载机所在位置信息；

根据获取的多个装载机所在位置信息，控制位于桩孔投料区域内的装载机依次将所装载的石料投放到桩孔内，以获取投放石料后的装载机的第二重量信息；

根据获取的每个装载机的第一重量信息和第二重量信息，得到每个装载机每斗投放到桩孔内的石料重量，并将多个装载机的每斗石料重量累加以获得投放到桩孔内石料的真实投放重量。

具体的，在装载机向桩孔内投放石料的过程中，为了实现石料的自动上料以及动态实时重量计量，并通过远程监督投料情况，本发明将在远端中央控制室的振冲施工管理系统与施工现场的装载有待投放石料的所有装载机700通过无线AP设备800组网在同一局域网中(如图14、图16所示)，每个装载机上设置有无线信号收发器以与在远端中央控制室的振冲施工管理系统的主机无线连接。在振冲施工管理系统上设计一套PLC或者单片机ARM程序通讯口(RS485或者232口)，通过ARM单片机或PLC编程，远程轮询方式查询并接收所有装载机空载重量信息、每斗投放石料的称重信息和位置信息等(如图15所示)。每个装载机不同状态的称重信息从装载机中直接读取，无转换误差。通过标志判断，将所有符合距离要求的装载机数据均进行重量累计(如图17所示)，并对已累计过的装载机，设置标志位防止重复累计，实现多台装载机对同一个桩孔进行上料的重量累加。

当计算某一时段内通过多个装载机向同一桩孔内投放石料的真实投放重量时(如某一时段内仅采用一个装载机向桩孔内投放石料，则计算一个装载机在某一时段内投放石料的重量，下面仅以多个装载机为例进行说明)，远程振冲施工管理系统以轮询方式获取多个装载机装载有待投放石料时的第一重量信息和多个装载机所在位置信息；然后，根据获取的多个装载机所在位置信息，控制位于桩孔投料区域内的装载机依次将所装载的石料投放到桩孔内，并获取投放石料后的每个装载机的第二重量信息；最后，根据获取的每个装载机的第一重量信息和第二重量信息，得到每个装载机每斗投放到桩孔内的石料重量，并将多个装载机的每斗石料重量累加以得到多个装载机在某一时段内投放到同一桩孔内的石料总重量，该石料总重量即为真实投料重量。

为了可以获取装载机的位置及编号信息，本发明在每个装载机上安装有用于对装载机定位的定位元件以及用于标记装载机身份(如编号)的身份识别元件，定位元件及身份识别元件可采用现有技术，在此不再赘述。每个装载机的位置信息及编号信息均可发送给远程振冲施工管理系统。

为了可以从装载机中直接读取不同状态下的称重信息以避免转换误差，本发明在装载机上安装可以检测装载机在不同状态下重量的检测元件，通过检测元件对装载机处于未装有石料的空载状态时的空载重量进行标定后，再根据标定后的空载重量检测得到装有石料和将石料卸下后的第一重量信息和第二重量信息。

实施时，可在装载机上安装位置开关，通过位置开关所在高度检测装载机的重量：先以装载机处于未装有石料的空载状态时的位置开关所在原始高度为基准，用标准砝码对装载机内部液压系统进行重量标定，并将标定后的空载装载机的空载重量信息发送给远程振冲施工管理系统的控制器(如PLC控制器)；当装载机装上石料后，以满载装石料时位置开关所在高度为基准，记录相应高度下装载机内部液压系统所显示的第一重量信息G1，并将该第一重量信息G1发送给远程控制器；而当装载机将石料投放到桩孔内后，以投放石料后位置开关所在高度为基准，记录相应高度下装载机内部液压系统所显示的第二重量信息G2，并将该第二重量信息G2发送给远程控制器。远程控制器通过获取的每个装载机的第一重量信息G1和第二重量信息G2，得到每个装载机投放到桩孔内的石料重量G＝|G2-G1|(即装载机单斗投料重量)，然后将每个装载机投放到同一桩孔内的单斗投料重量累加，得到多个装载机投放到同一桩孔内的石料总重量。其中，位置开关处于不同高度时对应的重量信息可以预先制表并输入远程振冲施工管理系统。其中，位置开关的位置与重量的对应关系通过试验获得，即在正式施工之前，在现场先做试验，控制器通过试验获得的大量数据分析确定位置开关所在位置与装载机盛装石料重量的对应关系。

或者，可以在装载机主推油缸进出口法兰上通过高强度螺栓安装专用的取压模块(如压力传感器)，通过取压模块检测装载机处于不同状态时固定位置的主推油缸进出口油压差，通过非线性校准获得相应的与装载机载重量成线性关系的油压差，从而获得主推油缸的油压，并通过油压获得对应的重量信息。相应的，不同油压差对应的重量信息可以预先制表并输入远程振冲施工管理系统。不同油压差与重量的对应关系通过试验获得，即在正式施工之前，在现场先做试验，控制器通过试验获得的大量数据分析确定油压差与重量的对应关系。

其中，根据获取的装载机所在位置信息，控制位于桩孔投料区域内的装载机将所装载的石料投放到桩孔内包括：

获取装载机位置信息后，将位置信息与桩孔所在位置信息进行比较；

若装载机位置与桩孔位置之间的间距小于或等于预设值，则装载机位于桩孔的投料区域内，其可将所装载的石料投放到桩孔内；

若装载机位置与桩孔位置之间的间距大于预设值，则装载机未位于桩孔的投料区域内，其需朝桩孔移动，直至位于桩孔的投料区域内。

本发明利用装载机所配备的北斗定位系统设置累计开关，即当根据装载机驾驶室所安装的定位元件(如北斗定位天线)获得该装载机和桩孔的孔口距离小于或等于5m时，判定装载机位于桩孔的投料区域内，该装载机所卸下的石料是被投放到该桩孔内，从而避免了单个桩孔内投放石料的多记和漏记，确保石料的动态实时自动计量，实现了对装载机上料重量的远程实时监控。

而在通过上述步骤获得一段时间内(该一段时间可根据现场投料情况确定)通过装载机向桩孔内投放石料、并通过振冲碎石桩机加密振冲施工形成的该段桩体的每延米的平均桩径后，将该段桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数。其中，预设桩径为施工前按预设振冲参数现场做试验桩所得的桩径。

而将该段桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数包括：

将该段桩体的平均桩径d₀与预设桩径d_s进行比较；

若平均桩径d₀略大于或等于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机按原振冲参数进行振冲加密作业；

若平均桩径d₀小于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机需以调节后的振冲参数进行振冲扩桩作业。

需要说明的是，通过振冲碎石桩机将投放在桩孔内的一段石料振冲加密施工形成桩体的过程中，可将该段施工过程中的平均振冲电流或瞬时振冲电流作为振冲加密电流。通常，调节前的振冲加密电流略小于或等于预设电流。而施工过程中的振冲加密电流与当前施工地层的密实度相关。控制器中预置有振冲加密电流与地层密实度的对应关系。振冲加密电流与地层密实度的对应关系通过试验获得，即在正式施工之前，在现场先做试验桩，控制器通过试验桩获得的大量数据分析确定振冲加密电流与地层密实度的对应关系。另外，振冲器系统振冲施工的过程中，振冲器电机还对应有额定电流，以通过额定电流防止电机烧坏。

在将上述一段桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并得出平均桩径d₀小于预设桩径d_s的结论时，说明当前施工地层密实度较大，即地层较硬，而当前采用的振冲参数尤其是振冲加密电流相对较小，因此，需调高振冲加密电流。即，若平均桩径d₀小于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机需以调大后的振冲加密电流进行振冲加密施工。

而在通过调大后的振冲加密电流振冲碎石桩机进行振冲加密施工时，确定出与调大后的振冲加密电流对应的地层密实度，即，当前地层密实度，然后，根据预置的下水压力、下气压力与地层密实度的对应关系，查找与当前地层密实度相对应的下水压力与下气压力，最后，控制供应下水的下水流量和供应下气的下气流量，使调节后下水压力和下气压力分别达到所需的目标压力，从而利用振冲器系统振冲、调大后的振冲加密电流、目标下水压力、下气压力协同完成振冲扩桩施工。

其中，控制器中预置有下水压力、下气压力与地层密实度的对应关系。下水压力、下气压力与地层密实度的对应关系通过试验获得，即在正式施工之前，在现场先做试验桩，控制器通过试验桩获得的大量数据分析确定下水压力、下气压力与地层密实度的对应关系。

下面对平均桩径d₀小于预设桩径d_s时采用的振冲扩桩作业方案进行描述：

若d₀<0.5d_s，说明地层硬度很高，此时振冲电机的振冲加密电流应加到最大，可采用如下振冲参数进行振冲施工：振冲加密电流大于预设电流30-50A、且小于或等于额定电流的90％；下水的水压大于1MPa；下气的气压大于0.7MPa；

若0.5d_s<d₀<0.8d_s，说明地层硬度中等，可采用如下振冲参数进行振冲施工：振冲加密电流大于预设电流20-30A、且小于或等于额定电流的90％；下水的水压为0.7-0.8MPa；下气的气压为0.5-0.6MPa；

若0.8d_s<d₀<d_s，说明地层硬度一般，可采用如下振冲参数进行振冲施工：振冲加密电流大于预设电流10-20A、且小于或等于额定电流的90％；下水的水压为0.5-0.6MPa；下气的气压为0.3-0.4MPa。

通过上述方案，针对不同地层情况采用不同振冲参数进行振冲扩桩，确保形成桩体的桩径符合预设桩径要求，从而形成由下至上连续、均匀的完整桩体。

尽管上文对本发明作了详细说明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种振冲碎石桩机施工中的桩体形成方法，其特征在于，包括：

获取振冲碎石桩机施工形成的桩孔内在未投放石料前的料面深度；

将石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内，形成一段松散桩体；

对所形成的松散桩体的料面深度进行测量计算，获得投放石料前后料面深度的高度差，并利用投放石料前后料面深度的高度差计算每延米松散桩体的平均填料量；

对所述松散桩体进行振冲加密施工，形成一段密实桩体，利用所述平均填料量和密实系数，计算出密实桩体每延米的平均桩径；

将所述密实桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数，以形成符合桩径要求的振冲碎石桩的密实桩体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用投放石料前后料面深度的高度差计算每延米松散桩体的平均填料量包括：

计算投放到桩孔内的石料重量G₂；

利用所计算的放到桩孔内的石料重量G₂和预先获取的石料松散堆积密度ρ₁，计算桩孔内石料堆积体积V₂；

利用桩孔内石料堆积体积V₂和投放石料前后料面深度的高度差算出每延米松散桩体的平均填料量。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石料松散堆积密度ρ₁为待投放的石料的重量与体积之比。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，将该段桩体的平均桩径与预设桩径进行比较，并根据比较结果调节振冲碎石桩机的振冲参数包括：

将该段桩体的平均桩径d₀与预设桩径d_s进行比较；

若平均桩径d₀大于或等于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机按原振冲参数进行振冲加密作业；

若平均桩径d₀小于预设桩径d_s，则振冲碎石桩机需以调节后的振冲参数进行振冲扩桩作业。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，振冲参数包括振冲电流密度、下水的水压和下气的气压。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将待投放石料投放到已进行料面深度测量后的桩孔内时，获得投放到桩孔内石料的真实投放重量包括：

以轮询方式获取装载有待投放石料时的多个装载机的第一重量信息和多个装载机所在位置信息；

根据获取的多个装载机所在位置信息，控制位于桩孔投料区域内的装载机依次将所装载的石料投放到桩孔内，以获取投放石料后的装载机的第二重量信息；

根据获取的每个装载机的第一重量信息和第二重量信息，得到每个装载机每斗投放到桩孔内的石料重量，并将多个装载机的每斗石料重量累加以获得投放到桩孔内石料的真实投放重量。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，振冲碎石桩机施工形成桩孔时，需形成符合垂直度要求的桩孔。

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