一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法与流程

1.本发明涉及振冲碎石桩技术领域，尤其涉及一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法。


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，如果遇到地基原状土硬度大、土层组成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.《水电水利工程振冲法地基处理技术规范》(dl/t524-2016)规定：水泵是将储水设施中的水加压送至振冲器供水。根据施工需要可选用多级泵或单级泵，以满足施工水压和水量为原则。一般情况下，选择供水压力0.3mpa～1.0mpa，供水量不宜小于15m3/h(250l/min)的水泵即可。
5.上述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，而且仅给出了水泵的供水压力和供水量的一个大致范围，对于何种地层应采取多大水压，没有具体规定。而对于50m以上深厚覆盖层而言，往往存在软弱夹层(如湖相沉积淤泥质黏土)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于50m以上深厚覆盖层地层。
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。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的问题，提供一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法，根据不同地层密实度精确控制下水压力的供给量，使50m以上深厚覆盖层地层振冲施工加速进行，并使振冲碎石填料形成的碎石桩与土层紧密结合在一起。
8.为了实现本发明的上述目的，本发明提供以下技术方案：
9.一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法，包括：
10.通过对包括伸缩导杆和振冲器的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，快速完成碎石桩孔的振冲施工；
11.将碎石填料置入所述碎石桩孔中，使所述振冲器对其周围的碎石填料进行振冲加密；
12.在所述振冲器对其周围的碎石进行振冲期间，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；
13.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。
14.优选地，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：
15.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；
16.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；
17.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；
18.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。
19.优选地，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。
20.优选地，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：
21.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；
22.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；
23.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。
24.优选地，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。
25.优选地，设置在振冲器壳体内侧的拾音器为声音传感器。
26.优选地，通过对包括伸缩导杆和振冲器的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，快速完成碎石桩孔的振冲施工包括：
27.在振冲施工过程中获取振冲器的振冲速度和当前下水压力；
28.将所获取的振冲速度与振冲速度阈值进行比较；
29.根据所获取的振冲速度与振冲速度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力，以便利用振冲器振冲和调整后的当前下水压力完成振冲施工。
30.其中，所述获取振冲器的振冲速度包括：获取单位时间内振冲器的下放深度。
31.其中，所述根据所获取的振冲速度与振冲速度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量包括：
32.若所获取的振冲速度小于所述振冲速度阈值的下限值或大于所述振冲速度阈值
的上限值，则发出报警并按照设定值控制供应下水的下水流量；
33.若所获取的振冲速度在所述振冲速度阈值范围内，则根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量。
34.优选的，所述根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量包括：
35.将所述当前地层密实度与地层密实度校准值进行比较；
36.根据当前地层密实度与地层密实度校准值的比较结果，控制供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力，以便利用振冲器振冲和调整后的当前下水压力完成振冲施工。
37.优选的，所述地层密实度校准值为地层密实度阈值；根据当前地层密实度与地层密实度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量包括：
38.若当前地层密实度大于地层密实度阈值的上限值，则控制水泵加大所供应的下水流量；
39.若当前地层密实度小于地层密实度阈值的下限值，则控制水泵减小所供应的下水流量；
40.若当前地层密实度介于地层密实度阈值的上限值与下限值之间，则控制水泵保持所供应的下水流量。
41.优选的，当控制水泵加大所供应的下水流量时，提高所述地层密实度阈值的上限值和下限值，形成新的地层密实度阈值。
42.优选的，当控制水泵减小所供应的下水流量时，降低所述地层密实度阈值的下限值和上限值，形成新的地层密实度阈值。
43.或者，所述地层密实度校准值为在前获取的地层密实度；根据新获取的当前地层密实度与在前获取的地层密实度的比较结果，控制供应下水的下水流量包括：
44.若当前地层密实度大于在前获取的地层密实度，且大于等于第一预定值，则控制水泵加大所供应的下水流量；
45.若当前地层密实度小于在前获取的地层密实度，且大于等于第二预定值，则控制水泵减少所供应的下水流量；
46.若当前地层密实度与在前获取的地层密实度的差值在预定范围内，则控制水泵保持所供应的下水流量。
47.其中，获取当前地层密实度包括：
48.获取振冲器的当前振冲电流；
49.根据预置的振冲电流与地层密实度的对应关系，运算出与当前振冲电流相对应的地层密实度；
50.将所运算出的地层密实度确定为当前地层密实度。
51.其中，所述振冲施工包括振冲造孔和振冲加密。
52.本发明的有益效果体现在以下方面：
53.1)本发明在振冲施工过程中实时监测振冲器的振冲速度，并通过振冲速度控制下水压力的供给量，从而提高振冲施工的成功率，有利于50m以上深厚覆盖层地层振冲施工的顺利进行；
54.2)当振冲器的振冲速度在振冲速度阈值范围内时，本发明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，顺利完成复杂地层的深孔振冲施工，从而解决了50m以上深厚覆盖层地层振冲施工的难题；
55.3)本发明对具有脉动压力的瞬时下水压力进行平均处理，得到的平均下水压力更接近下水压力供给的真实值，从而实现对下水压力的精确控制。
56.4)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
57.图1是本发明的一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法的示意图；
58.图2是本发明使用的振冲碎石桩机的示意图；
59.图3是本发明振冲碎石桩机的下水控制系统的示意框图；
60.图4是本发明实施例获取当前地层密实度的方法流程图；
61.图5是本发明实施例提供的一种振冲碎石桩机的下水控制方法流程图；
62.图6是本发明实施例在振冲施工过程中获取当前下水压力的方法流程图；
63.图7是本发明实施例根据当前地层密实度与地层密实度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量的流程图；
64.图8是本发明在振冲器壳体内侧设置拾音器的的示意图；
65.图9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；
66.图10是图9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；
67.图11是图9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
68.图1显示了本发明的一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法，包括：
69.通过对包括伸缩导杆和振冲器的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，快速完成碎石桩孔的振冲施工；
70.将碎石填料置入所述碎石桩孔中，使所述振冲器对其周围的碎石填料进行振冲加密；
71.在所述振冲器对其周围的碎石进行振冲期间，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；
72.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。
73.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：
74.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；
75.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。
76.图2显示了本发明在碎石桩施工过程中使用的振冲碎石桩机1000。如图2所示，振
冲碎石桩机1000包括吊装装置、导杆10、振冲器13及自动进给装置。
77.具体的，吊装装置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。
78.此外，在主机上安置有自动进给装置，该自动进给装置安装于吊装装置主机的后部，可用作主机的配重。自动进给装置包括气管卷扬装置、电缆卷扬装置和水管卷扬装置，且这三个装置与主卷扬装置被设置为同步进给。
79.导杆10具有位于上部的用于与主卷扬装置的钢丝绳连接的连接段、位于中间的支撑段和位于下部的用于与振冲器13连接的工作段。该导杆10采用伸缩式导杆，使得导杆10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。即，导杆10具有由内向外依次套接的多层套管，连接段为顶层套管，工作段为底层套管，支撑段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，导杆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，导杆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100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。
80.本发明的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，包括：在振冲施工过程中获取当前地层密实度以及振冲器的振冲速度；根据振冲速度和当前地层密实度，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完成振冲施工。
81.本发明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。
82.本发明所述的振冲施工包括振冲造孔和振冲加密施工。
83.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
84.本实施例提供一种振冲碎石桩机的下水控制方法，如图5所示，包括：
85.s100，将用于供应下水的管道穿过伸缩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；
86.s101，在振冲施工过程中获取振冲器的振冲速度、以及当前下水压力；
87.s102，将所获取的振冲速度与振冲速度阈值进行比较；
88.s103，根据所获取的振冲速度与振冲速度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力，以便利用振冲器振冲和调整后的当前下水压力完成振冲施工。
89.其中，在本实施例的一个实施方式中，s101在振冲施工过程中获取振冲器的振冲速度，通过检测单位时间内振冲器的下放深度获得。
90.具体实现方法如下：控制器向下放深度检测装置发送深度检测指令；下放深度检测装置根据控制器发送的深度检测指令，对振冲器的下放深度进行实时检测，并将检测结果反馈给控制器。
91.振冲器下放深度的计算起点为深度零点。其中，深度零点为预先设计好的孔口位置，当振冲器底端(下水出口)与深度零点重合时，开始计算振冲器的下放深度，深度零点以
下的孔深即为振冲器的下放深度。
92.深度零点可以通过人为观察判断的方法。也可以采用自动判断方法，例如，可在设计好的孔口零位处安装一检测元件，当振冲器底端到达设计好的孔口零位时，检测元件向控制器发送到达深度零点信号，控制器在收到到达深度零点信号后向下放深度检测装置发送深度检测指令，下放深度检测装置根据控制器发送的深度检测指令，对振冲器的下放深度进行实时检测，并将检测结果反馈给控制器。检测元件可以采用接近传感器或现有技术可以感知物体位置的元件。
93.其中，下放深度检测装置可以采用现有技术的深度传感器或位移传感器。此外，振冲器的下放深度也可以采用现有技术任一检测深度的方法获取。
94.在得到振冲器的下放深度以后，通过计算单位时间的下放深度，从而得到振冲器的振冲速度。
95.在本实施例的一个实施方式中，每隔时间t获取一次振冲速度，则通过计算时间t内的下放深度的单位时间下放深度，从而得到该时间段内的振冲速度。
96.如图3所示，下放深度检测装置将时间t内检测到的下放深度传输到远程终端单元rtu，rtu通过无线传输信号至控制器1，控制器1计算单位时间的下放深度，从而得到振冲器的振冲速度。
97.在获取到振冲器的振冲速度之后，s103根据所获取的振冲速度与振冲速度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量，包括：
98.若所获取的振冲速度小于所述振冲速度阈值的下限值或大于所述振冲速度阈值的上限值，则发出报警并按照设定值控制供应下水的下水流量；
99.若所获取的振冲速度在所述振冲速度阈值范围内，则根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量。
100.其中，振冲速度阈值的下限值为规定的最小振冲速度，振冲速度阈值的上限值为规定的最大振冲速度。最小振冲速度和最大振冲速度可以根据工程实践，或者结合设备参数设置，例如最小振冲速度设置0.6m/min，最大振冲速度设置2.00m/min，则振冲速度阈值为{0.6，2.00}m/min。
101.若所获取的振冲速度小于振冲速度阈值的下限值，则发出报警并控制水泵按照设置的最大下水流量供应下水；若所获取的振冲速度大于振冲速度阈值的上限值，则发出报警并控制水泵按照设置的最小下水流量供应下水。其中，最大下水流量和最小下水流量可以根据工程实践，或者结合设备参数设置。
102.若所获取的振冲速度在振冲速度阈值范围内，则根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量。具体实施方式如下：
103.其中，在振冲施工过程中获取当前地层密实度，如图4所示，包括：
104.s201，获取振冲器的当前振冲电流；
105.s202，根据预置的振冲电流与地层密实度的对应关系，运算出与当前振冲电流相对应的地层密实度；
106.s203，将运算出的地层密实度确定为当前地层密实度。
107.如图3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。
108.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。
109.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。
110.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平均值。
111.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。
112.其中，s202根据预置的振冲电流与地层密实度的对应关系，运算出与当前振冲电流相对应的地层密实度；以及s203将运算出的地层密实度确定为当前地层密实度。具体实施方式如下：
113.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。
114.在本实施例的一个实施方式中，将地层密实度dr(％)取值为0～1，通过现场试验获取的大量数据分析确定出振冲电流与地层密实度成正比例关系，具体公式为：dr＝k*i；其中，i(a)为振冲电流，dr(％)为地层密实度，k为正比系数。
115.控制器获得当前振冲电流后，通过其内预置的公式dr＝k*i运算出与当前振冲电流相对应的地层密实度，并将运算出的地层密实度确定为当前地层密实度。例如，在一个优选的实施例中，取k＝1/380。其中，i＜ie＝380a(振冲器额定电流)。当控制器1获取的当前振冲电流i＝190a时，通过公式dr＝k*i运算出地层密实度dr(％)为0.5，将0.5确定为当前地层密实度。
116.需要说明的是，公式dr＝k*i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。
117.本实施例采用柱塞泵bw450供应下水，也可采用其他水泵供应下水，只要供应的下水压力、下水流量满足需要即可。
118.由于柱塞泵供水具有脉动压力和瞬时流量波动较大的特点，因此：s101在振冲施工过程中获取当前下水压力，如图8所示，包括：
119.s301，获取供应下水的多个瞬时下水压力；
120.s302，将所述多个瞬时下水压力做平均处理，得到平均下水压力；
121.s303，将所得到的平均下水压力确定为当前下水压力。
122.其中，s301获取供应下水的多个瞬时下水压力时，获取相邻两个瞬时下水压力的间隔时间相等。
123.在本实施例的一个实施方式中，s302将多个瞬时下水压力做平均处理，得到平均下水压力，具体实施方式如下：将连续获取的n(n≥2)个瞬时下水压力形成一个采样区间，并将采样区间内的n个瞬时下水压力相加后取算术平均值。
124.在本实施例的另一个实施方式中，s302将多个瞬时下水压力做平均处理，得到平均下水压力，具体实施方式如下：将连续获取的n(n≥2)个瞬时下水压力形成一个采样区间，并将采样区间内的n个瞬时下水压力求均方根。
125.其中，在前述的两个实施方式中，上一个采样区间内的n个瞬时下水压力与下一个采样区间内的n个瞬时下水压力不重叠。例如，第一个采样区间包含第1、2个瞬时下水压力，第二个采样区间包含第3、4个瞬时下水压力，以此类推。
126.上述两个实施方式在具体实施时，如图3所示，在水泵4的出水管路上安装供水压力检测传感器41和供水流量检测传感器42，分别用于实时检测水泵4供应下水的瞬时下水压力和瞬时下水流量。供水压力检测传感器41和供水流量检测传感器42可以采用现有技术中能够检测水压和水流量的任意传感器。例如，供水压力检测传感器41可以采用压力变送器，供水流量检测传感器42可以采用电磁流量计。
127.在供水压力检测传感器41内部增加压力信号平均电路，用于对供水压力检测传感器41连续检测到的n个瞬时下水压力取平均值得到平均下水压力，控制器1采集平均下水压力并将平均下水压力确定为当前下水压力。
128.此外，在供水流量检测传感器42内部增加流量信号平均电路，用于对连续n个瞬时下水流量取平均值得到平均下水流量，控制器1将采集到的平均下水流量确定为当前下水流量。
129.如图3所示，供水压力检测传感器41和供水流量检测传感器42将平均下水压力信号和平均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。
130.也可以在控制器内部增加压力信号平均处理模块和流量信号平均处理模块，控制器对从供水压力检测传感器41传送的n个瞬时下水压力做平均处理，以及对从供水流量检测传感器42传送的n个瞬时下水流量做平均处理，分别得到平均下水压力和平均下水流量，并将平均下水压力确定为当前下水压力，将平均下水流量确定为当前下水流量。
131.若所获取的振冲速度在振冲速度阈值范围内，则根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量，包括：
132.将获取的当前地层密实度与地层密实度校准值进行比较；
133.根据当前地层密实度与地层密实度校准值的比较结果，控制供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力，以便利用振冲器振冲和调整后的当前下水压力完成振冲施工。
134.在本实施例的一个实施方式中，地层密实度校准值为地层密实度阈值。根据当前
地层密实度与地层密实度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量，具体包括：
135.s401，若当前地层密实度大于地层密实度阈值的上限值，则控制水泵加大所供应的下水流量；
136.s402，若当前地层密实度小于地层密实度阈值的下限值，则控制水泵减小所供应的下水流量；
137.s403，若当前地层密实度介于地层密实度阈值的上限值与下限值之间，则控制水泵保持所供应的下水流量。
138.当执行s401控制水泵加大所供应的下水流量时，提高地层密实度阈值的上限值和下限值，形成新的地层密实度阈值。
139.当执行s402控制水泵减小所供应的下水流量时，降低地层密实度阈值的下限值和上限值，形成新的地层密实度阈值。
140.其中，控制水泵加大或减小所供应的下水流量时，水泵所供应的下水压力随之增加或减小。在本实施例的一个实施方式中，水泵所供应的下水压力按照周期性步进的方式增加或减小；具体的，水泵所供应的下水压力p＝当前下水压力p
±
n*下水压力步进值
△
p，n＝1、2、3
……
。
141.地层密实度阈值按照步进的方式提高或降低；具体的，在后的地层密实度阈值＝在前的地层密实度阈值
±
阈值步进值(
△
dr)。
142.需要说明的是，水泵所供应的下水压力以及地层密实度阈值增加或减小的方式可以按照本领域技术人员已知的任何方式，不限于上述步进的方式。
143.下面通过一个优选实施例对上述实施方式进行进一步的解释说明。如图9所示：
144.施工开始，
145.设置初始地层密实度阈值{dr1，dr2}、阈值步进值
△
dr，设置初始下水压力p0、下水压力步进值
△
p、步进周期t；
146.在振冲施工过程中，每隔时间t获取一次当前地层密实度dr，以及当前下水压力p；
147.比较当前地层密实度dr与初始地层密实度阈值{dr1，dr2}；
148.当获取的当前地层密实度dr＞初始地层密实度阈值的上限值dr2时，则控制水泵加大所供应的下水流量，从而加大所供应的下水压力；其中，水泵所供应的下水压力按照周期性步进的方式增加，即水泵所供应的下水压力p＝当前下水压力p+n*
△
p，n＝1、2、3
……
，每隔周期t，增加一个
△
p，直到收到保持或减小下水压力的指令；
149.在控制水泵加大所供应的下水流量时，提高初始地层密实度阈值的上限值dr2和下限值dr1，形成一个新的地层密实度阈值{dr1，dr2}，并将新的地层密实度阈值{dr1，dr2}确定为当前地层密实度阈值{dr1，dr2}；其中，新的地层密实度阈值{dr1，dr2}＝在前的地层密实度阈值{dr1，dr2}+
△
dr；
150.在振冲施工过程中，每隔时间t获取一次当前地层密实度dr，以及当前下水压力p；
151.比较当前地层密实度dr与当前地层密实度阈值{dr1，dr2}；
152.当获取的当前地层密实度dr＜当前地层密实度阈值的下限值dr1时，则控制水泵减小所供应的下水流量，从而减小所供应的下水压力；其中，水泵所供应的下水压力按照周期性步进的方式减小，即水泵所供应的下水压力p＝当前下水压力p－n*
△
p，n＝1、2、3
……
，每隔周期t，减小一个
△
p，直到收到保持或增加下水压力的指令；
153.在控制水泵减小所供应的下水流量时，降低地层密实度阈值的上限值dr2和下限值dr1，形成一个新的地层密实度阈值{dr1，dr2}，并将新的地层密实度阈值{dr1，dr2}确定为当前地层密实度阈值{dr1，dr2}；其中，新的地层密实度阈值{dr1，dr2}＝在前的地层密实度阈值{dr1，dr2}－
△
dr；
154.在振冲施工过程中，每隔时间t获取一次当前地层密实度dr，以及当前下水压力p；
155.比较当前地层密实度dr与当前地层密实度阈值{dr1，dr2}；
156.当获取的当前地层密实度dr在当前地层密实度阈值{dr1，dr2}的范围内时，则控制水泵保持所供应的下水流量，从而保持所供应的下水压力，直到收到减小或增加下水压力的指令。
157.其中，初始地层密实度阈值{dr1，dr2}通过预置公式dr＝k*i和获取的当前振冲电流i设定。具体的，获取初始振冲电流i后，代入公式dr＝k*i，运算出初始地层密实度dr，初始地层密实度阈值的下限值dr1＝初始地层密实度dr－
△
dr，初始地层密实度上限值dr2＝初始地层密实度dr+
△
dr。需要说明的是，初始地层密实度阈值的具体设定规则可以根据经验或现场数据调整。
158.在本实施例的另一个实施方式中，地层密实度校准值为在前获取的地层密实度。根据当前地层密实度与在前获取的地层密实度的比较结果，控制供应下水的下水流量，具体包括：
159.s501，若当前地层密实度大于在前获取的地层密实度，且大于等于第一预定值，则控制水泵加大所供应的下水流量；
160.s502，若当前地层密实度小于在前获取的地层密实度，且大于等于第二预定值，则控制水泵减少所供应的下水流量；
161.s503，若当前地层密实度与在前获取的地层密实度的差值在预定范围内，则控制水泵保持所供应的下水流量。
162.其中，第一预定值和第二预定值可以相同，也可以不同。
163.下面通过一个优选实施例对上述实施方式进行进一步的解释说明。
164.本优选实施例设定第一预定值和第二预定值相同，均为
△
dr。
165.施工开始；
166.设置第一预定值＝第二预定值＝
△
dr，设置初始下水压力p0、下水压力步进值
△
p、步进周期t；
167.在振冲施工过程中，每隔时间t获取一次当前地层密实度dr，以及当前下水压力p；
168.比较当前地层密实度dr与在前获取的地层密实度dr0；
169.当获取的当前地层密实度dr＞在前获取的地层密实度dr0，且大于等于第一预定值
△
dr时，则控制水泵加大所供应的下水流量，从而加大所供应的下水压力；其中，水泵所供应的下水压力按照周期性步进的方式增加，即水泵所供应的下水压力p＝当前下水压力p+n*
△
p，n＝1、2、3
……
，每隔周期t，增加一个
△
p，直到收到保持或减小下水压力的指令；
170.当获取的当前地层密实度dr＜在前获取的地层密实度dr0，且小于等于第二预定值
△
dr时，则控制水泵减小所供应的下水流量，从而减小所供应的下水压力；其中，水泵所供应的下水压力按照周期性步进的方式减小，即水泵所供应的下水压力p＝当前下水压力p－n*
△
p，n＝1、2、3
……
，每隔周期t，减小一个
△
p，直到收到保持或增加下水压力的指令；
171.当获取的当前地层密实度dr与在前获取的地层密实度dr0的差值在预定范围(
△
dr)内时，则控制水泵保持所供应的下水流量，从而保持所供应的下水压力，直到收到减小或增加下水压力的指令。
172.其中，当前地层密实度dr通过预置公式dr＝k*i和获取的当前振冲电流i运算得出。具体的，获取初始振冲电流i后，代入公式dr＝k*i，运算出当前地层密实度dr。
173.如图3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。
174.本实施例采用sv-70型振冲碎石桩机，伸缩导杆连接振冲器，下水控制过程如下：
175.1、振冲器3启动后，下放深度检测装置实时检测振冲器下放深度，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；
176.2、控制器1获取振冲速度、当前振冲电流、当前下水压力、当前下水流量；
177.3、控制器1将获取的振冲速度与振冲速度阈值进行比较，并根据比较结果控制水泵供应下水的下水流量；若所获取的振冲速度小于振冲速度阈值的下限值，则发出报警并控制水泵按照设置的最大下水流量供应下水；若所获取的振冲速度大于振冲速度阈值的上限值，则发出报警并控制水泵按照设置的最小下水流量供应下水；若所获取的振冲速度在振冲速度阈值范围内，则根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量；
178.4、控制器1根据获取的当前振冲电流运算出当前地层密实度；并通过当前地层密实度与地层密实度阈值的比较结果，控制水泵供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力。
179.图8显示了本发明的振冲器的结构，本发明的振冲器1000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8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。
180.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：
181.第一，加密电流逐渐增大；
182.第二，振冲器外壳处激振力增大；
183.第三，振冲器的振幅随之降低；
184.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。
185.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：
186.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；
187.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；
188.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；
189.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。
190.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。
191.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：
192.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；
193.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。
194.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：
195.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；
196.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；
197.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；
198.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。
199.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。
200.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：
201.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；
202.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；
203.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。
204.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。
205.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。
206.图9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。
207.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。
208.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。
209.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。
210.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。
211.图10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：
212.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；
213.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
214.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；
215.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；
216.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；
217.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。
218.图11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：
219.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；
220.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；
221.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；
222.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；
223.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；
224.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；
225.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。
226.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。
227.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。
228.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：
1.一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法，其特征在于，包括：通过对包括伸缩导杆和振冲器的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，快速完成碎石桩孔的振冲施工；将碎石填料置入所述碎石桩孔中，使所述振冲器对其周围的碎石填料进行振冲加密；在所述振冲器对其周围的碎石进行振冲期间，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。2.根据权利要求1所述的振冲加密施工方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的振冲加密施工方法，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的振冲加密施工方法，其特征在于，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。5.根据权利要求2或4所述的振冲加密施工方法，其特征在于，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。6.根据权利要求2或4所述的振冲加密施工方法，其特征在于，设置在振冲器壳体内侧的拾音器为声音传感器。7.根据权利要求1所述的振冲加密施工方法，其特征在于，通过对包括伸缩导杆和振冲器的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，快速完成碎石桩孔的振冲施工包括：
在振冲施工过程中获取振冲器的振冲速度和当前下水压力；将所获取的振冲速度与振冲速度阈值进行比较；根据所获取的振冲速度与振冲速度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力，以便利用振冲器振冲和调整后的当前下水压力完成振冲施工。8.根据权利要求7所述的振冲加密施工方法，其特征在于，所述获取振冲器的振冲速度包括：获取单位时间内振冲器的下放深度。9.根据权利要求7或8所述的振冲加密施工方法，其特征在于，所述根据所获取的振冲速度与振冲速度阈值的比较结果，控制供应下水的下水流量包括：若所获取的振冲速度小于所述振冲速度阈值的下限值或大于所述振冲速度阈值的上限值，则发出报警并按照设定值控制供应下水的下水流量；若所获取的振冲速度在所述振冲速度阈值范围内，则根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量。10.根据权利要求9所述的振冲加密施工方法，其特征在于，所述根据在振冲施工过程中获取的当前地层密实度控制供应下水的下水流量包括：将所述当前地层密实度与地层密实度校准值进行比较；根据当前地层密实度与地层密实度校准值的比较结果，控制供应下水的下水流量，从而调整当前下水压力，以便利用振冲器振冲和调整后的当前下水压力完成振冲施工。

技术总结
本发明公开了一种可确保碎石桩有效桩径的振冲加密施工方法，包括：通过对包括伸缩导杆和振冲器的振冲碎石桩机进行基于振冲速度的下水控制，快速完成碎石桩孔的振冲施工；在所述振冲器对其周围的碎石进行振冲过程中，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；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。石桩的桩径等于有效桩径。石桩的桩径等于有效桩径。


技术研发人员：孙亮 石峰 郭万红
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