沖擊加速度測(cè)試法在強(qiáng)夯實(shí)時(shí)檢測(cè)中的應(yīng)用

李萬莉，顧明浩

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

強(qiáng)夯法又稱動(dòng)力固結(jié)法，即用起重設(shè)備反復(fù)將夯錘起吊到一定高度，而后利用自動(dòng)脫鉤釋放載荷或帶錘自由落下，其動(dòng)能在土中形成強(qiáng)大的沖擊波和高應(yīng)力，從而提高地基的強(qiáng)度，降低壓縮性，改善其抵抗振動(dòng)液化能力，消除濕陷性等.該法自誕生以來，以其經(jīng)濟(jì)易行、效果顯著、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工便捷、材料節(jié)省、質(zhì)量容易控制、適用范圍廣、施工周期短等突出優(yōu)點(diǎn)，在世界各地多種類型、多種目的的地基處理工程中得到了廣泛的應(yīng)用.在我國(guó)，大規(guī)模的城鎮(zhèn)化建設(shè)、工程建設(shè)仍將持續(xù)，地基處理工程越來越廣泛，施工工法也越來越先進(jìn).強(qiáng)夯工法作為一種適應(yīng)性廣、高效、經(jīng)濟(jì)的施工工法，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、開山填淤、圍海造田、山區(qū)回填、碼頭、機(jī)場(chǎng)和公路等基礎(chǔ)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域.

目前的強(qiáng)夯施工中，在確定好施工能級(jí)之后，需要確定強(qiáng)夯的最佳夯擊次數(shù).一般先進(jìn)行試夯，利用試夯時(shí)的數(shù)據(jù)來確定當(dāng)前施工場(chǎng)地所需的強(qiáng)夯夯擊次數(shù).試夯時(shí)，夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)試夯時(shí)的夯擊次數(shù)和夯沉量的關(guān)系來確定，并應(yīng)同時(shí)滿足下列條件［1］：①最后兩擊平均夯沉量不宜大于設(shè)計(jì)值；②夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起；③不因夯坑過深發(fā)生提錘困難.

最后兩擊夯沉量平均值不宜大于下列數(shù)值：當(dāng)單擊夯擊能小于4 000kN·m時(shí)為50mm；當(dāng)單擊夯擊能為4 000～6 000kN·m時(shí)為100mm；當(dāng)單擊夯擊能大于6 000kN·m時(shí)為200mm.在達(dá)到以上要求時(shí)就認(rèn)為此擊數(shù)為最佳擊數(shù).這是一種有效的經(jīng)驗(yàn)性的評(píng)估夯實(shí)程度確定強(qiáng)夯擊數(shù)的方法.

1 強(qiáng)夯實(shí)時(shí)檢測(cè)現(xiàn)狀分析

1.1 通過夯沉量實(shí)時(shí)檢測(cè)夯實(shí)程度

利用夯沉量來實(shí)時(shí)檢測(cè)強(qiáng)夯程度確定最佳夯擊次數(shù)的方法主要分為3類：傳統(tǒng)人工測(cè)量夯沉量；利用編碼器或者特制碼盤測(cè)量卷揚(yáng)出繩量，再通過計(jì)算相對(duì)差值求得夯沉量；利用超聲波或者激光測(cè)距等非接觸方式測(cè)量錘頂?shù)綐?biāo)稱位置的距離來計(jì)算夯沉量.

傳統(tǒng)的人工測(cè)量，需要工人在每次夯擊完成后測(cè)量錘頂距離地面的高度來計(jì)算夯沉量.由于強(qiáng)夯場(chǎng)地條件惡劣，地面可能由于強(qiáng)夯作用而發(fā)生隆起，所以無法近距離直接測(cè)量，一般采用水平儀遠(yuǎn)距離測(cè)量.偏錘的實(shí)際存在、塔尺所立測(cè)點(diǎn)的變換和所立塔尺的垂直度誤差，以及錘頂面上的積土均使測(cè)量存在客觀誤差，又較難消除，同時(shí)測(cè)量精度和數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)確性受測(cè)量記錄人員的人為因素影響.在光線較差，尤其是夜間施工時(shí)，測(cè)量較難進(jìn)行.在測(cè)量過程中，由于吊車的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，有時(shí)會(huì)使測(cè)點(diǎn)與測(cè)量?jī)x器的通視遭到破壞，這時(shí)需要移動(dòng)儀器位置重新獲得通視，從而增加了測(cè)量人員的工作量，導(dǎo)致架設(shè)時(shí)間內(nèi)某些點(diǎn)無法監(jiān)視測(cè)量或夯機(jī)需停工等待.

利用測(cè)量出繩量來計(jì)算夯沉量的方法一般使用光電編碼器.光電編碼器的轉(zhuǎn)軸與卷筒同軸相連，并與卷筒主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣光電編碼器在卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)輸出很多個(gè)脈沖.通過油壓傳感器或臂架上的壓力傳感器和接近開關(guān)來確定檢測(cè)的起始位置，通過卷筒倍率轉(zhuǎn)換，脈沖數(shù)可以換算成鋼絲繩的線位移量.該方法具有成本低、體積小、精度高、測(cè)量方便等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在一定的缺點(diǎn).由于強(qiáng)夯時(shí)夯錘頂部經(jīng)常會(huì)被塵土覆蓋，所以可能無法準(zhǔn)確測(cè)量強(qiáng)夯高度，同時(shí)在強(qiáng)夯作業(yè)時(shí)，可能由于地面較為松軟導(dǎo)致強(qiáng)夯機(jī)下陷，影響測(cè)量高度，帶來誤差.一旦發(fā)生鋼絲繩在卷筒里亂繩可能影響測(cè)量結(jié)果［2］.

激光測(cè)距方法采用了高精度的激光測(cè)距傳感器，具體方法是將激光測(cè)距傳感器安裝在強(qiáng)夯機(jī)臂架的頂部用來測(cè)量夯錘的下沉量，同時(shí)安裝壓力傳感器在臂架的底部用以傳輸壓力信號(hào).該方案直接測(cè)量?jī)纱魏粨糁泻诲N落下后測(cè)距傳感器到夯錘的距離，兩次數(shù)據(jù)相減即得夯沉量.該方法的特點(diǎn)是激光測(cè)距傳感器具有精度高、測(cè)量準(zhǔn)、使用便捷的優(yōu)點(diǎn).但是由于強(qiáng)夯施工環(huán)境惡劣，在強(qiáng)震動(dòng)、高溫、大霧情況下不能保證激光傳感器的正常工作.利用超聲波傳感器或者雙目測(cè)距等方法也存在類似問題［3－5］.

總體來說，人工測(cè)量夯沉量費(fèi)時(shí)費(fèi)力還有風(fēng)險(xiǎn)，通過編碼器測(cè)量會(huì)受到機(jī)器下陷塵土覆蓋等問題，而通過激光測(cè)距或超聲波測(cè)距等受惡劣環(huán)境影響較大，不能保證正常工作.

1.2 通過力學(xué)分析實(shí)時(shí)檢測(cè)夯實(shí)程度

強(qiáng)夯是一個(gè)不斷沖擊的過程，在此過程中，土體和夯錘分別受到了沖擊作用力和反作用力.國(guó)內(nèi)外學(xué)者借此做了一些通過夯錘受力或土體受力狀況來評(píng)估夯實(shí)程度的研究.

PORAN等［6］提出了一種利用加速度曲線和土體相關(guān)參數(shù)來計(jì)算土體彈性模量的方法.其認(rèn)為，DSM（Dynamic Settlement Moduls）動(dòng)態(tài)夯沉量模量B和土體的動(dòng)態(tài)剛度系數(shù)K′相關(guān).

t為夯錘地面積，dt為夯錘位移，D為夯錘直徑.

在彈性半空間中：

式中：E是彈性模量；ν為泊松比；K（ω）為動(dòng)態(tài)剛度系數(shù).因此通過對(duì)式（2），（3）進(jìn)行合并，可以得到：

PORAN等通過分析得到認(rèn)為K（ω）是一個(gè)常數(shù)，在泊松比小于0.4的松土和中等密度土中，K（ω）近似等于1.對(duì)于松土和中等密度的沙土，由該公式得到的數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)比較吻合，但對(duì)于高密度土則不適用.

ADAM等［7］認(rèn)為利用夯錘在沖擊作用后半段的自由振動(dòng)可以用來對(duì)強(qiáng)夯進(jìn)行質(zhì)量控制.首先，在孔隙水壓力仍在增加情況下，將土體彈性自由振動(dòng)用黏性阻尼單自由度系統(tǒng)來近似替代.然后，通過測(cè)量夯錘在自由振動(dòng)時(shí)的加速度，根據(jù)單自由度阻尼系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)可以得到系統(tǒng)的阻尼頻率和阻尼系數(shù).最后根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到土體的彈性模量和泊松比，從而在強(qiáng)夯后快速確定強(qiáng)夯程度.

CUI Xinzhuang［8］闡述了一種基于孔隙水壓力和土體應(yīng)力來判斷強(qiáng)夯狀態(tài)的方法.在一定夯擊次數(shù)之后，土體應(yīng)力和孔隙水壓力的幅值與夯實(shí)程度和夯沉量有良好的相關(guān)性.隨著夯擊次數(shù)的增加，土體應(yīng)力和孔隙水壓力的變換與夯沉量變換類似也是逐步增加并且趨于穩(wěn)定.此文采用了相對(duì)估計(jì)的方法，利用土體應(yīng)力和孔隙水壓力的相對(duì)增加量或百分比來確定夯實(shí)程度.

2 實(shí)驗(yàn)研究

綜合利用測(cè)量強(qiáng)夯過程中夯錘觸地時(shí)夯錘的加速度的峰值和作用時(shí)間及夯沉量來實(shí)時(shí)檢測(cè)夯實(shí)程度，本文對(duì)這種方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn).在未夯前，夯點(diǎn)土質(zhì)松軟，夯錘和地面沖擊時(shí)間長(zhǎng)，地面緩沖效果較好，峰值加速度小.隨著夯擊次數(shù)的增加，夯坑下方由上向下逐漸形成硬殼，土體硬化，屈服應(yīng)力增高，強(qiáng)夯產(chǎn)生的沖擊載荷在垂直方向上的衰減率減少，其應(yīng)力影響深度增加，因而其加固深度逐漸加深.當(dāng)夯擊達(dá)到一定擊數(shù)后，某一深度范圍內(nèi)的土體屈服應(yīng)力將接近或大于強(qiáng)夯沖擊載荷的附加應(yīng)力，土中各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)處于屈服面內(nèi)，此時(shí)土體的動(dòng)力響應(yīng)主要呈彈性特點(diǎn)，夯擊能絕大部分消耗土體的彈性振動(dòng)和阻尼振動(dòng)，土體屈服面形狀、大小及空間位置基本不變［9－10］.因此夯錘的加速度峰值逐漸增大，作用時(shí)間減短，但達(dá)到一定擊數(shù)后，加速度增加放緩，逐漸趨于穩(wěn)定.而與此同時(shí)，每一擊的夯沉量也是逐漸減少趨于穩(wěn)定.鑒于此，通過夯錘沖擊加速度來檢測(cè)土體的夯實(shí)情況具有一定可行性.

利用東昊測(cè)試技術(shù)有限公司的DH186IEPE壓電式加速度傳感器和NI公司的NI9234信號(hào)采集卡和NI 9178信號(hào)采集主板作為信號(hào)采集硬件，軟件采用Labview進(jìn)行讀取和數(shù)據(jù)處理.該傳感器量程可達(dá)±50g（g＝9.8m·s－2）頻率響應(yīng)0.5～5 000Hz.該采集卡可連接IEPE（Integrated Electronic Piezoelectric）與 非IEPE傳感器，進(jìn)行高精度振動(dòng)信號(hào)測(cè)量.它具有102 dB動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)IEPE加速度傳感器提供信號(hào)條理和交流耦合功能.采集通道還提供自動(dòng)調(diào)節(jié)采樣率的內(nèi)置抗混疊濾波器，同時(shí)以每通道高達(dá)51.2kHz的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化.夯錘采用質(zhì)量為5.5kg、直徑為10 cm的圓柱形夯錘，在13.4cm和15.5cm兩個(gè)高度對(duì)非飽和粘土進(jìn)行實(shí)驗(yàn).設(shè)定采樣頻率為2 800Hz，分別得到圖1—4數(shù)據(jù).圖1和圖3分別是高度為13.4cm和高度15.5cm下所測(cè)得的部分加速度曲線，圖2和圖4則分別為其累計(jì)夯沉量、單擊夯沉量、峰值加速度和作用時(shí)間在每一擊時(shí)的統(tǒng)計(jì).

圖1 13.4cm高度實(shí)驗(yàn)加速度曲線Fig.1 Acceleration curve of height 13.4cm

圖2 13.4cm高度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總Fig.2 All data of height 13.4cm

圖3 15.5cm高度實(shí)驗(yàn)加速度曲線Fig.3 Acceleration curve of height 15.5cm

圖4 15.5cm高度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總Fig.4 All data of height 15.5cm

可以看到峰值加速度和累計(jì)夯沉量有較好的相關(guān)性.隨著夯擊次數(shù)的增加，單擊夯沉量逐漸減少趨于平穩(wěn)，同時(shí)作用時(shí)間也逐漸趨于平穩(wěn)，兩者也呈現(xiàn)良好的相關(guān)性.

3 新型加速度采集系統(tǒng)

目前利用力學(xué)分析來實(shí)時(shí)檢測(cè)強(qiáng)夯質(zhì)量時(shí)，一是將壓力傳感器埋入土中，通過纜線傳輸信號(hào)來測(cè)量土體的壓力，這種做法對(duì)于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究是可行的，但對(duì)于工程應(yīng)用則是無法實(shí)現(xiàn)的.二是將壓電式或壓阻式加速度計(jì)安裝在夯錘表面，同樣通過電纜傳輸信號(hào).由于強(qiáng)夯過程中，夯錘需要反復(fù)提升下落，若要應(yīng)用于工程中，需對(duì)強(qiáng)夯機(jī)增加額外卷揚(yáng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，較為麻煩.

隨 著 MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術(shù)的發(fā)展，芯片型加速度傳感器也有了很大的進(jìn)步.ADI公司發(fā)布的ADXL001，ADXL377都有著非常不錯(cuò)的使用性能.在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在強(qiáng)夯過程中，加速度響應(yīng)頻率在500Hz之內(nèi)，加速度峰值通過資料表明一般在100～200g.ADXL001變電容加速度傳感器其量程可達(dá)到±500g，頻率響應(yīng)可達(dá)22kHz，噪聲密度僅4.25mg/，能滿足實(shí)驗(yàn)和工程要求.然后通過CC2530芯片自帶的A/D轉(zhuǎn)換和無線收發(fā)，可以組成一套低功耗的無線實(shí)時(shí)加速度測(cè)量系統(tǒng).數(shù)據(jù)通過無線傳輸最后進(jìn)入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.這樣克服了以往加速度采集需要電纜來傳輸信號(hào)的困難，使系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集加速度信號(hào)，對(duì)夯實(shí)程度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè).

4 結(jié)論

本文首先介紹了現(xiàn)有的強(qiáng)夯檢測(cè)方法，主要分為兩大類，基于夯沉量和基于力學(xué)分析來檢測(cè)強(qiáng)夯程度.測(cè)量夯沉量的方法都有其一定的缺點(diǎn).力學(xué)分析具有很強(qiáng)針對(duì)性，但需要考慮實(shí)際的實(shí)現(xiàn)方式.然后通過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)加速度的峰值和作用時(shí)間隨夯擊次數(shù)增加和累計(jì)夯沉量和單次夯沉量有著密切的關(guān)系.最后提出利用MEMS加速度傳感器和無線芯片結(jié)合的加速度采集系統(tǒng)，使得利用加速度來檢測(cè)夯實(shí)程度變得更為實(shí)際.

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ 79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范 ［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

Ministry Of Construction of the People＇s Republic of China.JGJ 79—2002.Technical code for ground treatment of buildings［S］.Beijing：China Architecture ＆ Building Press，2002.

［2］張青蘭.新型強(qiáng)夯機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

ZHANG Qinglan.Research of a monitoring system on a new type of dynamic compaction machine［D］.Xi’an：Chang’an University，2011.

［3］長(zhǎng)安大學(xué).強(qiáng)夯機(jī)夯擊深度在線測(cè)控系統(tǒng)：中國(guó)，CN201605605U［P］.2010－10－13.

Chang’an University.Dynamic compaction tamping depth online measurement and controlsystem：China，CN201605605U［P］.2010－10－13.

［4］電子科技大學(xué).一種基于激光測(cè)距與圖像識(shí)別的強(qiáng)夯工程自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法：中國(guó)，CN102032896B［P］.2012－04－25.

University of Electronic Science and Technology of China.Dynamic compaction automotive detection method based onlaser distance measuring and image identification：China，CN102032896B［P］.2012－04－25.

［5］電子科技大學(xué).一種基于雙目測(cè)距原理的強(qiáng)夯工程自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法：中國(guó)，CN102032897B［P］.2011－12－07.

University of Electronic Science and Technology of China.Dynamic compaction automotive detection method based on binocular visio：China，CN102032897B［P］.2011－12－07.

［6］PORAN C J，HEH K S，RODRIGUEZ J.New technique for quality control of dynamic compaction［C］∥ Proceedings of the 1992ASCE Specialty Conferrence on Grouting，Soil Improvement an Geosynthetics.Reston：ASCE，1992：915－926.

［7］ADAM D，Brandl H，KOPF F，et al.Heavy tamping integrated dynamic compaction control［J］.Ground Improvement，2007，11（4）：237－243.

［8］CUI Xinzhuang.Real-time diagnosis method of compaction state of subgrade during dynamic compaction［J］.Geotechnical Testing Journal，2010，33（4）：299－303.

［9］顏波，林沛元，于海濤，等.強(qiáng)夯地基處理夯沉量及夯擊能量耗散分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（增刊1）：249－252.

YAN Bo，LIN Peiyuan，YU Haitao，et al.Analysis of settlement and tamping energy dissipation［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011，33（S1）：249－252.

［10］水偉厚，高廣運(yùn)，吳延煒，等.濕陷性黃土在強(qiáng)夯作用下的非完全彈性碰撞沖擊應(yīng)力解析 ［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2003，24（5）：92－97.

SHUI Weihou，GAO Guangyun，WU Yanwei，et al.Non-perfect elastic collision and impact stress analysis during dynamic compaction on collapsible loess［J］.Journal of Building Structures，2003，24（5）：92－97.