超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法与流程

1.本发明涉及振冲碎石桩技术领域，尤其涉及一种超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法。


背景技术：

2.振冲法是一种地基处理的方法，在振冲器水平振动和高压水或辅以高压空气的共同作用下，使松散地基土层振密；或在地基土层中成孔后，回填性能稳定的硬质粗颗粒材料，经振密形成的增强体(振冲桩)和周围地基土形成复合地基的地基处理方法。
3.利用振冲法施工的过程中，不同地质条件的地层采用施工方法不同，如果遇到结构复杂的特殊地层，在振冲器水平振动作用下不能保证施工效果时，通过高压水对地层进行水冲预破坏，有利于提高振冲器的穿透和造孔能力。
4.但现有《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(dl/t524-2016)中关于供水压力、供水量的规定只是根据工程实践(国内振冲碎石桩现有施工水平35m以内，且均是地层相对单一的浅孔振冲)的经验进行了归纳性总结，对于何种地层应采取多大水压没有具体规定。而对于强震地带而言，往往存在软弱夹层(如湖相或海相沉积的淤泥质黏土)和相对密实的硬层(如砂层或砂层夹砾石)，这两种地层在造孔中所遇到的问题完全不同，因此，上述规定已不能适用。
5.此外，在振冲碎石桩机施工过程中，振冲造孔及加密过程中振冲器是否能以符合垂直度要求进行振冲是影响振冲碎石桩桩体质量的一个重要因素，但是现有技术中采用常规导杆(即长度固定的导杆)的振冲碎石桩机不具有垂直度控制装置，只能在振冲过程中靠操作手的个人能力和责任心保持振冲器的悬垂状态，这种方式造成振冲器的垂直度往往不符合要求，边施工边修正，极大延长施工工期，造成业主损失。
6.此外，现有的振冲器的振冲加密均为根据加密电流进行控制，但是加密电流通常不能准确确定，因而根据加密电流对振冲器进行加密控制所得到的碎石桩不能与土层紧密结合。
7.因此，如何在处于超强地震带的地层施工出质量符合要求的振冲碎石桩，是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法，使振冲器能根据地层条件及符合要求的垂直度对地层加速振冲施工，并使振冲碎石填料形成的碎石桩与土层紧密结合在一起。
9.为了实现本发明的上述目的，本发明提供一种超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法，包括：
10.将用于检测振冲器偏斜参数的检测元件安装在减震器或导杆上；
11.将用于供应下水的管道穿过振冲器后从振冲器的底端伸出，以在振冲过程中利用
从振冲器底端喷出的下水对孔位处地层进行水冲预破坏；
12.在振冲器进行振冲施工过程中，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器垂直度进行控制；
13.在振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工；
14.在造孔施工完成后，振动器对投放到碎石桩中的碎石填料进行振冲，形成具有有效桩径的振冲碎石桩。
15.其中，形成具有有效桩径的振冲碎石桩包括：
16.在所述振冲器对碎石进行振冲加密期间，利用设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测振冲器对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲时的振冲器实时振动信号；
17.根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制，使振冲器振冲填入碎石桩孔中的碎石而形成碎石桩的桩径等于有效桩径。
18.优选的，根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制包括：
19.通过将所述拾音器检测到振冲器实时振动信号进行时域到频域的转换，得到振冲器实时振动信号主频频率；
20.将所述振冲器实时振动信号主频频率与预设频率进行比较；
21.当所述振冲器实时振动信号主频频率达到或接近预设频率时，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径，并向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩；
22.当所述振冲器实时振动信号主频频率大于所述预设频率时，控制振冲器继续对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲。
23.优选的，所述预设频率是预先获得的振动器振幅降低到最小时的振冲器振动信号主频频率。
24.优选的，根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制包括：
25.通过将所述拾音器在前检测到的在前振冲器振动信号和在后检测到的在后振冲器振动信号进行时域到频域的转换，得到在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率；
26.对振冲时段内所得到的在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率进行分析；
27.当在后振冲器振动信号主频频率小于在前振冲器振动信号主频频率且保持一段时间时，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径，并向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩。
28.优选的，设置在振冲器壳体内侧的拾音器包括声音传感器和音频放大器。
29.或者，设置在振冲器壳体内侧的拾音器为声音传感器。
30.优选的，利用检测元件检测振冲器的偏斜参数包括：
31.通过检测元件获取减震器或导杆的顶角和方位角；
32.将获取的减震器或导杆的顶角和方位角对应确定为振冲器顶角和振冲器方位角。
33.优选的，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器进行控制，以便振冲器以符合要求的垂直度进行振冲施工包括：
34.将确定的振冲器顶角和振冲器方位角分别与预设的振冲器顶角阈值范围和方位角阈值范围进行比对；
35.根据比对结果，确定振冲器垂直度是否符合要求。
36.优选的，当振冲器垂直度不符合要求时，根据振冲器方位角对导杆方位进行调节，并根据振冲器顶角对导杆顶角进行调节，以便振冲器垂直度符合要求。
37.优选的，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工包括：
38.将用于供应下水的管道穿过导杆和振冲器后从振冲器的底端伸出，以便下水从振冲器底端喷出对地层进行水冲预破坏；
39.在振冲施工过程中获取当前地层密实度；
40.获取供应下水的瞬时下水压力，并将获取的瞬时下水压力确定为当前下水压力；
41.根据预置的下水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目标下水压力；
42.控制供应下水的下水流量，使当前下水压力达到所述目标下水压力，以便利用振冲器振冲和目标下水压力完成碎石桩孔的振冲施工。
43.与现有技术相比，本发明超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法具有如下突出优点：
44.1、本发明超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法，在通过振冲器对强震地带复杂地基进行振冲施工的过程中，可以实时检测振冲器偏斜参数并及时控制振冲器振冲施工的垂直度，从而使振冲器能以符合要求的垂直度对施工地层向下振冲施工，确保形成的振冲碎石桩桩径的均匀性和密实性，提高振冲碎石桩安全性，且有效缩短施工工期，降低施工成本。
45.2、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下水压力的供给量，以便振冲器与合适下水压力共同作用，顺利完成复杂地层振冲施工，从而解决了深厚覆盖层地层振冲施工的难题。
46.3、本发明对局部分布不均匀的地层获取的振冲电流瞬时值进行平均处理，避免由于振冲电流频繁突变而频繁调整供应下水的下水压力，保证水泵供水平稳，延长水泵使用寿命。
47.4、本发明方法，能够使碎石桩与周围土层紧密结合在一起，使碎石桩的桩径真正达到设计要求。
附图说明
48.图1是本发明超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法的示意图；
49.图2是本发明振冲碎石桩机的透视图(检测元件安装在导杆上)；
50.图3是本发明振冲器、减震器、导杆装配后的结构示意图(检测元件安装在减震器上)；
51.图4是本发明偏斜下放实际导杆时的立面投影图；
52.图5是本发明偏斜下放实际导杆时的水平投影图；
53.图6是本发明振冲碎石桩机的下水控制系统的示意框图；
54.图7是本发明实施例获取当前地层密实度的方法流程图；
55.图8是本发明实施例下水控制方法流程图；
56.图9是本发明在振冲器壳体内侧设置拾音器的示意图；
57.图10是本发明用来控制振冲器对碎石填料进行加密控制的加密控制部分的原理图；
58.图11是图10中的加密控制部分进行振冲加密控制的第一实施例的流程图；
59.图12是图10中的加密控制部分进行振动加密控制的第二实施例的流程图。
具体实施方式
60.如图1所示，为本发明超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法的流程图，由图可知，本发明方法包括：
61.将用于检测振冲器偏斜参数的检测元件安装在减震器或导杆上；
62.将用于供应下水的管道穿过振冲器后从振冲器的底端伸出，以在振冲过程中利用从振冲器底端喷出的下水对孔位处地层进行水冲预破坏；
63.在振冲器进行振冲施工过程中，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器垂直度进行控制；
64.在振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工；
65.在造孔施工完成后，振动器对投放到碎石桩中的碎石填料进行振冲，形成具有有效桩径的振冲碎石桩。
66.振冲施工形成碎石桩通常包括，1)振冲器振冲造孔，形成碎石桩孔，2)振冲器对填入碎石桩孔中的碎石进行振冲加密，形成碎石桩。
67.在振冲造孔与振冲加密的过程中，为了确保上述振冲器的垂直度能始终符合要求，以便施工出垂直度符合要求的碎石桩孔和质量好、均匀、密实、抗震的振冲碎石桩，本发明对振冲造孔与振冲加密过程中振冲器的偏斜参数进行控制。
68.应用时，将用于检测振冲器偏斜参数的检测元件安装在减震器或导杆上；在振冲器进行振冲施工过程中，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器垂直度进行控制；在振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工；在造孔施工完成后，振动器对投放到碎石桩中的碎石填料进行振冲，形成具有有效桩径的振冲碎石桩。
69.其中，如图2所示，为本发明提供的振冲碎石桩机1000的透视图，由图可知，本发明振冲碎石桩机1000包括吊装系统、导杆10、减震器12、振冲器13及自动进给系统。
70.具体的，吊装系统包括振冲碎石桩机的主机、与主机连接的桅杆11、安装在主机后端的主卷扬装置，通过主卷扬装置的钢丝绳及桅杆11吊装导杆10，以使导杆在自重作用下竖直安置。自动进给系统安装于吊装系统主机的后部，可用作主机的配重，包括气管卷扬装置、电缆卷扬装置和水管卷扬装置，这三个装置与主卷扬装置被设置为同步进给。
71.导杆10为长度固定的导杆(即常规导杆)，其长度可根据实际振冲深度的需要而确定，上部的连接段用于与主卷扬装置的钢丝绳连接，下部的工作段用于与振冲器13间接连接，装配时，如图3所示，在导杆10下部的工作段与振冲器13之间安置减震器12。
72.为了上述振冲碎石桩机的振冲器在振冲施工时始终能以符合要求的垂直度进行施工，本发明在减震器的上部(即靠近导杆的位置处)或导杆上安装用于检测振冲器偏斜参数的检测元件，如图2中安装在导杆10上的第一个检测元件101，或者图3中的安装在减震器12上部的第二个检测元件121，以通过检测元件可以实时获得振冲器的偏斜参数。
73.其中，振冲器电机通过连接法兰、联轴器等将动力传给主轴并带动主轴旋转，主轴再带动偏心块旋转产生离心力即为振冲器的激振力，激振力使壳体产生高频振动，通过壳体使振冲器实现振冲作业。
74.发明人发现，振冲器偏心块的质心偏离振冲器壳体质心，且在壳体质心下方时，振冲器壳体沿长度方向上各点的振幅呈三角形分布，与振冲器中心线的交点即为零振幅点。而设计时，应使减震器的质心与零振幅点重合，这时减震器的减震、隔震效果最好，使用寿命也长。由于减震器上部及导杆位于振冲器上部且位于振冲器零振幅点以上，因此，在振冲器振冲施工过程中减震器上部及以上部位不受振冲器水平振动力影响，所以，本发明将检测元件安装在减震器的上部(位于减震器质心上方的位置处)或者导杆上(优选的，位于导杆靠近减震器的下部)，通过该检测元件检测的数据表征振冲器的偏斜参数，从而确保了振冲器振冲施工时垂直度检测的可行性与准确性。
75.而本发明利用检测元件检测振冲器的偏斜参数包括：
76.通过检测元件获取减震器或导杆的顶角和方位角；
77.将获取的减震器或导杆的顶角和方位角对应确定为振冲器的顶角和方位角。
78.其中，本发明检测元件采用现有技术中可以检测某部件顶角和方位角的元件，如陀螺仪等，可通过现有技术固定方法将检测元件固定于减震器上部或导杆上。振冲器的偏斜参数包括振冲器顶角和方位角。
79.当检测元件安装在减震器上部时，检测元件检测到的顶角和方位角即认为是减震器的顶角和方位角。当检测元件安装在导杆上，则检测元件检测到的顶角和方位角即认为是导杆的顶角和方位角。在本发明中，由于导杆、减震器、振冲器同轴，并且在振冲施工过程中三者仍然同轴，且检测元件所安装位置与振冲器顶部较近，故将检测到的减震器的顶角和方位角或者导杆的顶角和方位角对应确定为振冲器顶角和振冲器方位角，即，所确定的振冲器顶角和振冲器方位角，即为振冲器的偏斜参数。
80.本发明中，认为沿铅垂线方向下放的导杆、减震器、振冲器的垂直度为0，即，沿铅垂线方向下放的导杆等与竖直桩孔的横断面垂直，当将导杆、减震器、振冲器看作一个整体振冲组件，则这样的振冲组件为理论振冲组件。而振冲器在实际振冲施工时，实际导杆等构成的振冲组件与铅垂线之间产生一定夹角，即，实际振冲组件等会相对沿铅垂线方向的理论振冲组件产生一定偏斜，且实际振冲组件中实际导杆、实际减震器、实际振冲器相对沿铅垂线方向的理论振冲组件中理论导杆、理论减震器、理论振冲器的偏斜角度相同。其中，本发明中所指的导杆的顶角是指实际下放(或延伸)的导杆与原应沿铅垂线方向下放(或延伸)的理论导杆之间的夹角θ，相应的，实际下放减震器与理论减震器之间的夹角也为θ，同样，实际下放的振冲器与理论振冲器之间的夹角也为θ(如图4所示，示出实际振冲组件倾斜
下放时的振冲器顶角)。而减震器方位角是针对倾斜下放(或延伸)的导杆而言，指倾斜下放的实际导杆的下放方向投影到水平面上的方向，以坐标北为基准(0
°
位置)，从坐标北沿顺时针方向转到实际导杆下放方向的夹角即为导杆的方位角α。同样的，倾斜下放的实际振冲组件的下放方向投影到水平面上的方向，以坐标北为基准(0
°
位置)，从坐标北沿顺时针方向转到实际振冲组件下放方向的夹角也与减震器的方位角α相同，即，振冲器、导杆的方位角也与减震器的方位角α相同(如图5所示，示出倾斜下放实际振冲组件oa的方位角)，其中顺时针一周为360
°
(0
°
位置也就是360
°
位置)。例如，实际下放振冲组件在水平投影的方向沿图5中oa方向(α为290
°
)，则减震器、导杆方位角就是290
°
，相应的，将振冲器方位角确定为290
°
，此时实际振冲器下放方向是西北(北偏西)70
°
。而在减震器等完全垂直的情况下，则振冲器顶角为0
°
，此时振冲器方位角为0
°
(即振冲组件在图5中水平投影为点o，该o点与桩孔中轴线在水平投影上的点重合，中轴线沿铅垂线方向)，即，振冲器不存在偏斜问题。也就是说，通过方位角表征振冲组件的偏斜方向，以便据此对实际振冲组件下放方向进行调节。
81.上述根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器垂直度进行控制，使振冲器垂直度达到规定的垂直度范围，适用于振冲造孔与振冲加密的过程。
82.而在振冲造孔过程中，当振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，振冲器还根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工。
83.其中，将用于供应下水的管道穿过振冲器后从振冲器的底端伸出，以在振冲过程中利用从振冲器底端喷出的下水对孔位处地层进行水冲预破坏。
84.其中，本发明通过对振冲碎石桩机的下水控制方法形成碎石桩孔，包括：在振冲施工过程中获取当前地层密实度；根据当前地层密实度，实时控制水泵供应下水的下水流量，以便振冲器和下水共同作用快速振冲碎石桩孔施工。
85.本发明根据当前地层密实度自动控制下水的供给量，既适用于地层相对单一的浅孔振冲，也适用于地层复杂的深孔振冲，保证浅孔或深孔振冲施工的顺利进行。
86.如图8所示，本实施例提供一种振冲碎石桩机的下水控制方法，包括：
87.s100，将用于供应下水的管道穿过振冲器后从振冲器的底端伸出，以便下水从振冲器底端喷出对地层进行水冲预破坏；
88.s101，在振冲施工过程中获取当前地层密实度；
89.s102，获取供应下水的瞬时下水压力，并将获取的瞬时下水压力确定为当前下水压力；
90.s103，根据预置的下水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目标下水压力；
91.s104，控制供应下水的下水流量，使当前下水压力达到所述目标下水压力，以便利用振冲器振冲和目标下水压力完成振冲施工。
92.如图7所示，s101在振冲施工过程中获取当前地层密实度包括：
93.s201，获取振冲器的当前振冲电流；
94.s202，根据预置的振冲电流与地层密实度的对应关系，查找与当前振冲电流相对应的地层密实度；
95.s203，将查找到的地层密实度确定为当前地层密实度。
96.如图2所示，振冲器3通过振冲器变频柜2连接控制器1，振冲器变频柜2和控制器1采用无线连接，也可以采用有线连接。
97.在本实施例的一个实施方式中，当遇到局部分布均匀的地层时，获取的振冲电流瞬时值平稳，s201获取振冲器的当前振冲电流通过以下方式实现：获取振冲器的振冲电流瞬时值；将获取的振冲电流瞬时值确定为当前振冲电流。
98.该实施方式在具体实施时，控制器1从振冲器变频柜2获取振冲器3的振冲电流信号，并将获取的振冲电流确定为当前振冲电流。或者，在振冲器变频柜2连接振冲器3的振冲出线上安装电流检测传感器(图中未示出)；启动振冲器3时，电流检测传感器就会有振冲电流信号产生，振冲电流信号通过有线或无线的方式实时传输到控制器1。控制器1将从电流检测传感器实时传输过来的振冲电流确定为当前振冲电流。其中，电流检测传感器可以采用现有技术中能够检测电流的任意传感器。例如，电流互感器。
99.在本实施例的另一个实施方式中，当遇到局部分布不均匀的地层时，获取的振冲电流瞬时值跳跃大，s201获取振冲器的当前振冲电流通过以下方式实现：获取振冲器的多个振冲电流瞬时值；对获取的多个振冲电流瞬时值做平均处理，得到平均振冲电流；将平均振冲电流确定为当前振冲电流。其中，获取相邻两个所述振冲电流瞬时值的间隔时间相等。对获取的多个振冲电流瞬时值做平均处理的方法如下：将连续获取的n(n≥2)个振冲电流瞬时值编成一个队列，并将队列中的n个振冲电流瞬时值相加后取平均值；将每次新获取的一个振冲电流瞬时值加入队尾，同时去掉队首的一个振冲电流瞬时值，形成一个新的队列，并将新的队列中的n个振冲电流瞬时值相加后取算术平均值。
100.该实施方式在具体实施时，获取振冲电流瞬时值的方法参见前述的实施方式。具体可以在控制器内部设置电流平均处理模块，控制器从振冲器变频柜2或电流检测传感器获取振冲电流瞬时值，通过电流平均处理模块对队列中的n(n≥2)个振冲电流瞬时值做平均处理，得到平均振冲电流；控制器将平均振冲电流确定为当前振冲电流。
101.其中，s202根据预置的振冲电流与地层密实度的对应关系，查找与当前振冲电流相对应的地层密实度；以及s203将查找到的地层密实度确定为当前地层密实度。具体实施方式如下：
102.控制器中预置有振冲电流与地层密实度的对应关系。振冲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电流与地层密实度的对应关系。
103.在本实施例的一个实施方式中，振冲电流与地层密实度的对应关系，如表1所示。将地层密实度分为软、中、硬三个级别，不同级别的地层密实度与振冲电流的对应关系通过现场试验数据获得。
104.表1振冲电流与地层密实度的对应关系
105.[0106][0107]
其中，表1所示的ie为振冲器额定电流。
[0108]
控制器获得当前振冲电流后，通过查找表1，将与当前振冲电流相对应的地层密实度确定为当前地层密实度。例如，当控制器1获取当前振冲电流i＝0.3ie时，通过查找表1，将当前地层密实度确定为中级。
[0109]
需要说明的是，表1只是示出了振冲电流与地层密实度的一种对应关系，对于更复杂的地层，控制器还可以根据现场试验数据得到其他更复杂的对应关系。
[0110]
其中，s102获取供应下水的瞬时下水压力，并将获取的瞬时下水压力确定为当前下水压力，具体实施方式如下：
[0111]
如图6所示，在水泵4的出水管路上安装供水压力检测传感器41，用于获取水泵4供应下水的瞬时下水压力并传输至控制器1，控制器1将供水压力检测传感器41传输过来的的瞬时下水压力确定为当前下水压力。
[0112]
由于螺杆泵具有供水压力无脉动且瞬时流量平稳的特点，因此，本实施例采用螺杆泵供应下水，也可采用其他供水压力无脉动且瞬时流量平稳的水泵供应下水，只要供应的下水压力、下水流量满足需要即可。供水压力检测传感器41安装在螺杆泵的出水管路上，获取螺杆泵供应下水的瞬时下水压力。供水压力检测传感器41可以采用现有技术中能够检测水压的任意传感器。例如，可以采用压力变送器。
[0113]
此外，如图6所示，在水泵4的出水管路上还安装供水流量检测传感器42，用于实时检测水泵4供应下水的瞬时下水流量。供水流量检测传感器42可以采用现有技术中能够检测水流量的任意传感器。例如，可以采用电磁流量计。供水流量检测传感器42将实时检测到的水泵4供应下水的瞬时下水流量传输至控制器1，控制器将瞬时下水流量确定为当前下水流量。
[0114]
如图6所示，供水压力检测传感器41和供水流量检测传感器42将实时检测到的瞬时下水压力信号和瞬时下水流量信号传输到远程终端单元rtu，rtu通过无线传输信号至控制器1。
[0115]
其中，s103根据预置的下水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目标下水压力，具体实施方式如下：
[0116]
控制器中预置有下水压力与地层密实度的对应关系。下水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与地层密实度的对应关系。
[0117]
在本实施例的一个实施方式中，下水压力与地层密实度的对应关系，如表2所示。将地层密实度分为软、中、硬三个级别，不同级别的地层密实度与下水压力的对应关系通过现场试验数据获得。
[0118]
表2下水压力与地层密实度的对应关系
[0119]
下水压力p(mpa)地层密实度dr0.3～0.5软
0.5～0.7中0.7～0.8硬
[0120]
控制器1通过查找表2，查找到与当前地层密实度对应的目标下水压力。如表2所示，每个级别的地层密实度对应的下水压力均设置上下限。例如，当控制器1通过查找表1将当前地层密实度确定为中级，则通过查找表2，查找到与中级当前地层密实度相对应的目标下水压力为0.5～0.7mpa。
[0121]
需要说明的是，表2只是示出了下水压力与地层密实度的一种对应关系，对于更复杂的地层，控制器还可以根据现场试验数据得到其他更复杂的对应关系。
[0122]
其中，s104控制供应下水的下水流量，使当前下水压力达到目标下水压力，具体实施方式如下：比较当前下水压力和目标下水压力，得到当前下水压力和目标下水压力的差值；控制器根据当前下水压力和目标下水压力的差值，控制水泵供应下水的下水流量，使当前下水压力达到目标下水压力。
[0123]
具体的，控制器根据当前下水压力和目标下水压力的差值，控制水泵4供应下水的下水流量，包括：当当前下水压力大于目标下水压力上限时，控制水泵4减少下水流量；当当前下水压力小于目标下水压力下限时，控制水泵4增加下水流量；当当前下水压力位于目标下水压力范围内时，控制水泵4维持下水流量。
[0124]
如图6所示，本实施例水泵4通过水泵变频柜5连接控制器1，水泵变频柜5和控制器1采用无线连接，也可以采用有线连接。控制器1通过控制水泵变频柜5改变输出频率来控制水泵4的转速，从而改变水泵4供应下水的下水流量，当水泵出水管路排出的下水流量增大时，下水压力也随之增大；当水泵出水管路排出的下水流量减小时，下水压力也随之减小。
[0125]
本实施例下水控制过程如下：
[0126]
1、振冲器3启动后，供水压力检测传感器41实时检测瞬时下水压力，供水流量检测传感器42实时检测瞬时下水流量；
[0127]
2、控制器1获取当前振冲电流、当前下水压力、当前下水流量；
[0128]
3、控制器1根据获取得到的当前振冲电流查找表1，确定与当前振冲电流对应的当前地层密实度；通过查找表2，确定与当前地层密实度对应的目标下水压力；
[0129]
4、控制器1将获取的当前下水压力和查找确定的目标下水压力进行比较，将差值信号转换成控制信号控制水泵变频柜5的输出频率，通过控制水泵4的转速改变水泵4的下水流量，进而改变下水压力，使当前下水压力位于目标下水压力范围内。
[0130]
在达到规定垂直度范围的振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工后，将碎石填料投放到碎石桩孔内，振动器对投放到碎石桩中的碎石填料进行振冲加密，形成具有有效桩径的振冲碎石桩。
[0131]
其中，形成具有有效桩径的振冲碎石桩包括：
[0132]
在所述振冲器对碎石进行振冲加密期间，利用设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测振冲器对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲时的振冲器实时振动信号；
[0133]
根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制，使振冲器振冲填入碎石桩孔中的碎石而形成碎石桩的桩径等于有效桩径。
[0134]
本发明的碎石桩有效桩径是指，在碎石桩孔中形成的碎石桩与孔周围土层紧密结
合的碎石桩桩径。本发明的碎石桩有效桩径以下意义：
[0135]
第一，在碎石桩孔中形成的碎石桩与孔周围土层紧密结合在一起；
[0136]
第二，碎石桩有效桩径是符合振冲加密要求时的碎石桩桩径，因而可以在振冲施工过程中不要求计算实际桩径，加快了振冲施工进程。
[0137]
图9显示了本发明的振冲器的结构，本发明的振冲器与现有的振冲器的区别在于，在振冲器的壳体1308内侧安装了用于拾取声音的拾音器1311以及用于固定拾音器1311的支撑杆1312，支撑杆1312穿过用于支撑轴1306的轴承座的通孔固定到电机1304的壳体上。图9显示的振冲器13还包括吊具1301、水管1302、电缆1303、电机1304、联轴器1305、轴1306、偏心块1307、壳体1308、翅片1309、下水管1310以及拾音器1311。
[0138]
在碎石桩孔形成之后，通过对电机1304加电，振冲器开始对碎石填料进行振冲加密。加密段内的填料在振冲器的激振力的作用下沿水平方向向原始地层挤入，而上部的填料则在自重作用下在泥浆中下落，填料高度可以进行实时测定。随着加密过程的进行，出现如下几个现象：
[0139]
第一，加密电流逐渐增大；
[0140]
第二，振冲器外壳处激振力增大；
[0141]
第三，振冲器的振幅随之降低；
[0142]
第四，以振冲器为中心，其周边的填料逐步密实，逐步形成了大致呈圆周型、以振冲器周边受振范围内密实度最大，到达桩孔周边时与原始地层所能提供的侧压力基本相当的振冲碎石桩体。
[0143]
现有技术主要是根据电机1304的加密电流大小，对碎石填料加密进行控制，但存在以下四个问题：
[0144]
第一，物理和工程意义不明确，与密实度间没有直接关系。加密电流大小需要通过试验确定，试验后进行检验才能大致得到桩体的密实度数据。但是，当振冲碎石桩的深度高达70m以上甚至达到百米级别时，这个深度下无法通过传统的试验得到桩体的密实度数据，因而无法通过实验确定加密电流；
[0145]
第二，不同型号、不同功率的振冲器在不同的地层中有着不同的电流；
[0146]
第三，从工程实践看，即使是同一厂家、同一型号的振冲器，其空载电流也有很大差别；
[0147]
第四，在较为寒冷的地区，振冲器初用时，空载电流较大；而随着工程的展开，振冲器自身温度升高，空载电流随之下降。
[0148]
因此，以加密电流作为密实度无法表征超深覆盖层条件下桩体密实度。
[0149]
为了解决现有技术的上述问题，本发明提出了根据振冲器对碎石填料振冲时振冲器的振动信号频率来控制振冲器进行振冲加密(即，对碎石填料振冲)的技术。该加密技术的核心技术是：
[0150]
在振冲器13对其周围的碎石填料进行振冲过程中，利用设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测振冲器对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲时的振冲器实时振动信号；
[0151]
根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制，使振冲器振冲填入碎石桩孔中的碎石而形成碎石桩的桩
径等于有效桩径。
[0152]
本发明的根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器1311检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制包括：
[0153]
通过将所述拾音器检测到振冲器实时振动信号进行时域到频域的转换，得到振冲器实时振动信号主频频率；
[0154]
将所述振冲器实时振动信号主频频率与预设频率进行比较；
[0155]
当所述振冲器实时振动信号主频频率达到或接近预设频率时，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径，并向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩；
[0156]
当所述振冲器实时振动信号主频频率大于所述预设频率时，控制振冲器继续对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲。
[0157]
本发明的预设频率是预先获得的振动器振幅降低到最小时的振冲器振动信号主频频率。
[0158]
本发明的根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制包括：
[0159]
通过将所述拾音器在前检测到的在前振冲器振动信号和在后检测到的在后振冲器振动信号进行时域到频域的转换，得到在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率；
[0160]
对振冲时段内所得到的在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率进行分析；
[0161]
当在后振冲器振动信号主频频率小于在前振冲器振动信号主频频率且保持一段时间时，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径，并向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩。
[0162]
本发明的设置在振冲器壳体内侧的拾音器包括声音传感器和音频放大器。
[0163]
本发明的设置在振冲器壳体内侧的拾音器也可以是声音传感器。
[0164]
图10显示了用来控制振冲器对碎石填料进行振冲加密控制的控制部分，包括用来将振冲器壳体上的振动信号转换成相应的电信号的拾音器1311、对拾音器1311输出的电信号进行声频分析的声频分析模块、对声频分析模块输出的声频进行处理的处理器，存储处理器输出的数据的存储器以及显示处理器输出的数据的显示器。
[0165]
此外，处理器还连接主卷扬装置，以便在判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径时，向上提升振冲器13。
[0166]
本发明的拾音器1311可以包括声音传感器和音频放大器，也可以仅仅包括声音传感器。
[0167]
本发明的声频分析模块、处理器，存储器以及显示器可以设置在地面上，声频分析模块可以通过电缆与拾音器相连。此外，本发明的声频分析模块可以是傅里叶变换器，将振动信号进行从时域到频域的转换。
[0168]
相对于本发明人的安装在振冲器外壳体上的压力传感器另一件专利申请，本发明可以大大延长声音传感器的使用寿命。也就是说，由于声音传感器1311安装在振冲器壳体内侧，不会像安装在振冲器外壳体上的压力传感器那样受到碎石填料和振动器的挤压，因
而不易损坏。
[0169]
图11显示了控制振冲器进行振动加密控制的第一实施例的控制流程，该流程主要由处理器实施，具体包括：
[0170]
步骤s301,在振冲器对碎石填料进行振冲期间，拾音器检测振冲器壳体的实时振动信号；
[0171]
步骤s302,通过将所述拾音器检测到振冲器实时振动信号进行时域到频域的转换，得到振冲器实时振动信号主频频率
[0172]
步骤s303,判断振冲器实时振动信号主频频率是否达到或接近预设频率；
[0173]
步骤s304，当步骤s302的判断结果为是，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径；
[0174]
步骤s305，向上提升振冲器，对将形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩；
[0175]
步骤s306，当步骤s302的判断结果为否，控制振冲器继续对对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲。
[0176]
图12显示了控制振冲器进行振动加密控制的第二实施例的控制流程，包括：
[0177]
步骤s401,通过在振冲器对碎石填料进行振冲期间，拾音器检测振冲器壳体的实时振动信号，得到拾音器在前检测到的在前振冲器振动信号和在后检测到的在后振冲器振动信号；
[0178]
步骤s402,通过将拾音器在前检测到的在前振冲器振动信号和在后检测到的在后振冲器振动信号进行时域到频域的转换，得到在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率；
[0179]
步骤s403,判断在后振冲器振动信号主频频率是否小于在前振冲器振动信号主频频率；
[0180]
步骤s404,若步骤s403的判断结果为是，则进一步判断在后检测到的振冲器振动信号主频频率是否在一段时间内保持不变；
[0181]
步骤s405,若步骤s404的判断结果为是，则判断将要形成的碎石桩的桩径大于或等于有效桩径；
[0182]
步骤s405,向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径大于或等于有效桩径的碎石桩；
[0183]
步骤s406,若步骤s403或步骤s404的判断结果为否，则控制振冲器继续对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲。
[0184]
需要指出的是，本发明的特点之一是提出了有效桩径的概念，即在碎石桩孔中形成的碎石桩与孔周围土层紧密结合且符合振冲加密要求的碎石桩桩径。
[0185]
本发明的碎石桩有效桩径解决了现有技术可能存在的碎石桩不能与土层紧密结合的技术问题。
[0186]
尽管上述对本发明做了详细说明，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。

技术特征：
1.一种超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法，包括：将用于检测振冲器偏斜参数的检测元件安装在减震器或导杆上；将用于供应下水的管道穿过振冲器后从振冲器的底端伸出，以在振冲过程中利用从振冲器底端喷出的下水对孔位处地层进行水冲预破坏；在振冲器进行振冲施工过程中，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器垂直度进行控制；在振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工；在造孔施工完成后，振动器对投放到碎石桩中的碎石填料进行振冲，形成具有有效桩径的振冲碎石桩。2.根据权利要求1所述的方法，形成具有有效桩径的振冲碎石桩包括：在所述振冲器对碎石进行振冲加密期间，利用设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测振冲器对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲时的振冲器实时振动信号；根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制，使振冲器振冲填入碎石桩孔中的碎石而形成碎石桩的桩径等于有效桩径。3.根据权利要求2所述的方法，根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制包括：通过将所述拾音器检测到振冲器实时振动信号进行时域到频域的转换，得到振冲器实时振动信号主频频率；将所述振冲器实时振动信号主频频率与预设频率进行比较；当所述振冲器实时振动信号主频频率达到或接近预设频率时，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径，并向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩；当所述振冲器实时振动信号主频频率大于所述预设频率时，控制振冲器继续对嵌入到碎石桩孔周围土层中的碎石进行振冲。4.根据权利要求3所述的方法，所述预设频率是预先获得的振动器振幅降低到最小时的振冲器振动信号主频频率。5.根据权利要求2所述的方法，根据设置在振冲器壳体内侧的拾音器检测到的所述振冲器实时振动信号，对所述振冲器对碎石桩的振冲进行控制包括：通过将所述拾音器在前检测到的在前振冲器振动信号和在后检测到的在后振冲器振动信号进行时域到频域的转换，得到在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率；对振冲时段内所得到的在前振冲器振动信号主频频率和在后振冲器振动信号主频频率进行分析；当在后振冲器振动信号主频频率小于在前振冲器振动信号主频频率且保持一段时间时，判断将要形成的碎石桩的桩径等于有效桩径，并向上提升振冲器，对将要形成的振冲碎石桩的中间部分的碎石进行振冲，从而最终形成桩径等于有效桩径的碎石桩。6.根据权利要求3或5所述的方法，设置在振冲器壳体内侧的拾音器包括声音传感器和
音频放大器。7.根据权利要求1所述的方法，利用检测元件检测振冲器的偏斜参数包括：通过检测元件获取减震器或导杆的顶角和方位角；将获取的减震器或导杆的顶角和方位角对应确定为振冲器顶角和振冲器方位角。8.根据权利要求7所述的方法，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器进行控制，以便振冲器以符合要求的垂直度进行振冲施工包括：将确定的振冲器顶角和振冲器方位角分别与预设的振冲器顶角阈值范围和方位角阈值范围进行比对；根据比对结果，确定振冲器垂直度是否符合要求。9.根据权利要求8所述的方法，当振冲器垂直度不符合要求时，根据振冲器方位角对导杆方位进行调节，并根据振冲器顶角对导杆顶角进行调节，以便振冲器垂直度符合要求。10.根据权利要求1所述的方法，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工包括：在振冲施工过程中获取当前地层密实度；获取供应下水的瞬时下水压力，并将获取的瞬时下水压力确定为当前下水压力；根据预置的下水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目标下水压力；控制供应下水的下水流量，使当前下水压力达到所述目标下水压力，以便利用振冲器振冲和目标下水压力完成碎石桩孔的振冲施工。

技术总结
本发明公开了一种超强地震带下形成有效桩径振冲碎石桩的方法，包括：将用于检测振冲器偏斜参数的检测元件安装在减震器或导杆上；将用于供应下水的管道穿过振冲器后从振冲器的底端伸出；在振冲器进行振冲施工过程中，根据检测元件检测到的振冲器偏斜参数对振冲器垂直度进行控制；在振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，振冲器根据当前地层密实度控制供应的下水的下水流量进行振冲造孔施工；在造孔施工完成后，振动器对投放到碎石桩中的碎石填料进行振冲，形成具有有效桩径的振冲碎石桩。本发明方法，使振冲器能根据地层条件及符合要求的垂直度对50m以上深厚覆盖层地层加速振冲施工，并使振冲碎石填料形成的碎石桩与土层紧密结合在一起。密结合在一起。密结合在一起。


技术研发人员：孙亮 韩伟 石峰
受保护的技术使用者：中国水电基础局有限公司
技术研发日：2022.03.15
技术公布日：2023/9/22