超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法与流程

1.本发明涉及桩机施工技术领域，尤其涉及一种超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法。


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。
5.公告号为cn104372788a的发明专利对适用于50m以上深厚覆盖层地层的振冲碎石桩机及施工方法进行了详细说明，但是该专利也没有公开何种地层应该如何供水的内容。如果供水与地层条件不符合，轻则造成资源浪费，重则造成振冲施工失败而需重新施工，而深孔振冲重新施工造成的经济损失巨大。
6.此外，在振冲碎石桩机施工过程中，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伸缩导杆的振冲碎石桩机无法实现对振冲器垂直度的控制，使得振冲施工的桩孔或桩体偏斜，边施工边修正，极大延长施工工期，造成业主损失。
7.因此，如何在处于超强地震带的地层施工出质量达到规定的垂直度范围的振冲碎石桩，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解决上述问题，提供一种超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，使振冲器能根据地层条件及达到规定的垂直度范围的垂直度对施工地层向下振冲施工，形成能在超强地震发生时质量稳定的振冲碎石桩，既提高振冲碎石桩施工的安全性，又有效缩短施工工期，降低施工成本。
9.为实现本发明的上述目的，本发明提供一种超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，所述振冲碎石桩机包括振冲器、伸缩导杆、减震器和桅杆，所述方法包括：
10.将用于检测桅杆偏斜参数的第一检测元件安装在桅杆内；
11.将用于检测振冲器偏斜参数的第二检测元件安装在减震器上；
12.利用振冲器对地层进行振冲造孔施工时，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器的垂直度是否达到规定的垂直度范围；
13.若振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围，分析使振冲器产生偏斜的原因，并根据分析结果对桅杆和/或振冲器进行控制，以便振冲器以达到规定的垂直度范围的垂直度进行振冲造孔施工，形成碎石桩孔。
14.其中，桅杆偏斜参数包括桅杆顶角和桅杆方位角，振冲器偏斜参数包括振冲器顶角和振冲器方位角。
15.优选的，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：
16.根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围；
17.根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围。
18.优选的，根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：
19.将检测到的桅杆顶角和桅杆方位角分别与预设的桅杆顶角阈值范围和桅杆方位角阈值范围进行比对；
20.根据比对结果，确定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围。
21.优选的，利用安装在减震器上的第二检测元件检测振冲器偏斜参数包括：
22.通过第二检测元件获取减震器的顶角和方位角；
23.将获取的减震器的顶角和方位角对应确定为振冲器的顶角和方位角。
24.优选的，根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：
25.将检测到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；
26.根据比对结果，确定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围。
27.优选的，当振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围时，根据振冲器方位角对伸缩导杆方位进行调节，并根据振冲器顶角对伸缩导杆顶角进行调节，以便振冲器垂直度达到规定的垂直度范围。
28.其中，振冲器垂直度达到规定的垂直度范围后，还根据当前地层密实度控制供应下水的下水流量，以便振冲器以目标下水压力进行振冲造孔施工。
29.优选的，根据当前地层密实度控制供应下水的下水流量，以便振冲器以目标下水压力进行振冲造孔施工包括：
30.在振冲施工过程中获取当前地层密实度；
31.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；
32.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；
33.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。
34.优选的，所述获取当前地层密实度包括：
35.获取振冲器的当前振冲电流；
36.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；
37.将所查找到的地层密实度确定为当前地层密实度。
38.与现有技术相比，本发明超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法具有如下突出优点：
39.1、本发明超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，在通过振冲器对强震地带复杂地基进行振冲造孔施工的过程中，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，从而使振冲器能以达到规定的垂直度范围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孔的垂直度，提高振冲施工安全性，且有效缩短施工工期，降低施工成本。
40.2、本发明在振冲施工过程中，能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振冲施工，从而解决了强震地带复杂地层振冲施工的难题。
41.3、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。
42.下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
43.图1是本发明振冲碎石桩机的透视图；
44.图2是本发明振冲器、减震器、伸缩导杆装配后的结构示意图(检测元件安装在减震器上)；
45.图3是本发明偏斜下放实际导杆时的立面投影图；
46.图4是本发明偏斜下放实际导杆时的水平投影图；
47.图5是本发明超强地震带下控制振冲碎石桩机施工垂直度方法的流程图；
48.图6是本发明振冲碎石桩机采用的下水控制系统的示意框图；
49.图7是本发明获取当前地层密实度方法的流程图；
50.图8是本发明下水控制方法的流程图。
具体实施方式
51.如图1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、伸缩导杆10、减震器12、振冲器13及自动进给系统。
52.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以及用于对桅杆倾斜方向和角度进行调整的桅杆调节机构，通过主卷扬装置的钢丝绳及桅杆11吊装伸缩导杆10，以使伸缩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。
53.伸缩导杆10轴向长度可调，可改变振冲器相对地面的下放或上提位置，其具有由
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，多层套管的数量与长度可以根据使用需要而确定。使用时，多层套管的长度可伸长或缩短，采用本发明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，各层套管与桩孔横截面呈垂直状态。
54.本发明伸缩导杆10采用现有技术的伸缩导杆，其连接段用于与主卷扬装置的钢丝绳连接，工作段用于与振冲器13间接连接，装配时，如图2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。
55.为了在利用上述振冲碎石桩机在对超强地震带下地层振冲施工时能对振冲器的偏斜参数直接进行控制，以施工出质量好、均匀、密实、抗震的振冲碎石桩，本发明提供一种超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，如图5所示，该方法包括：
56.将用于检测桅杆偏斜参数的第一检测元件安装在桅杆内；
57.将用于检测振冲器偏斜参数的第二检测元件安装在减震器上；
58.利用振冲器对地层进行振冲造孔施工时，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器的垂直度是否达到规定的垂直度范围；
59.若振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围，分析使振冲器产生偏斜的原因，并根据分析结果对桅杆和/或振冲器进行控制，以便振冲器以达到规定的垂直度范围的垂直度进行振冲造孔施工，形成碎石桩孔。
60.具体的，本发明超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法包括：
61.s1、将用于检测桅杆偏斜参数的第一检测元件安装在桅杆内；
62.在振冲施工前，通过卫星定位系统(如gps定位系统或北斗定位系统等)定位待振冲施工的孔位中心并保持，以便振冲碎石桩机上的振冲器可以对准待施工孔位。
63.为了确保振冲器在对准待施工孔位后，能以达到规定的垂直度范围的垂直度对待施工孔位进行振冲造孔施工，本发明在桅杆内部(图中未示出)安置用于检测桅杆偏斜参数的第一检测元件，第一检测元件可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偏斜参数。
64.桅杆偏斜参数包括桅杆顶角和桅杆方位角，第一检测元件采用现有技术中可用于检测某部件顶角和方位角的元件，如倾角传感器或陀螺仪等，固定时，可通过螺栓固定或其它方式将第一检测元件固定于桅杆下部的内壁上。
65.本发明中，认为沿铅垂线方向延伸的桅杆的垂直度为0，即，沿铅垂线方向的桅杆与竖直桩孔的横断面垂直。而振冲器在实际振冲施工时，会导致桅杆与铅垂线之间产生一定夹角，即，实际桅杆会相对沿铅垂线方向的理论桅杆产生一定偏斜。其中，本发明中所指的桅杆顶角是指实际施工过程中桅杆与原应沿铅垂线方向的理论桅杆之间的夹角。而桅杆方位角是针对倾斜桅杆而言，指倾斜的实际桅杆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桅杆方向的夹角即为桅杆方位角，其中顺时针一周为360
°
(0
°
位置也就是360
°
位置)。关于桅杆顶角与桅杆方位角可参见对振冲器顶角与振冲器方位角的解释。例如，实际桅杆在水平投影的方向为280
°
，此时实际桅杆偏斜方向是西北(北偏西)80
°
。而在桅杆完全垂直的情况下，则桅杆顶角为0
°
，此时桅杆方位角为0
°
即，
桅杆不存在偏斜问题。也就是说，通过方位角表征桅杆的偏斜方向，以便据此从相反方向对实际桅杆方向进行调节。
66.s2、将用于检测振冲器偏斜参数的第二检测元件安装在减震器上；
67.为了确保振冲器在对准待施工孔位后，能以达到规定的垂直度范围的垂直度对待施工孔位进行振冲造孔施工，本发明除了通过第一检测元件检测桅杆偏斜参数外，还在减震器的上部(即靠近导杆的位置处)安装用于检测振冲器偏斜参数的第二检测元件，如图2中的安装在减震器12上部的第二检测元件121，以通过第二检测元件可以实时获得振冲器的偏斜参数。
68.其中，振冲器主要由壳体、电机、轴承座、轴承、主轴及偏心块等组成。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。
69.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，本发明将第二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)，通过该第二检测元件检测的减震器相关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。
70.而本发明利用第二检测元件检测振冲器的偏斜参数包括：
71.通过第二检测元件获取减震器顶角和减震器方位角；
72.将获取的减震器顶角和减震器方位角对应确定为振冲器顶角和振冲器方位角。
73.其中，本发明第二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第二检测元件固定于减震器上部。振冲器的偏斜参数包括振冲器顶角和方位角。
74.当第二检测元件安装在减震器上部时，第二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。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，且第二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。
75.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，本发明中所指的减震器的顶角是指实际下放(或延伸)的减震器与原应沿铅垂线方向下放(或延伸)的理论减震器之间的夹角θ，相应的，实际下放导杆与理论导杆之间的夹角也为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3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)的减震器而言，指倾斜下放的实际减震器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减震器下放方向的夹角即为减震器的方位角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，振冲器的方位角也与减震器的方位角α相同(如图4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，实际下放减震器在水平投影的方向沿图4中oa方向(α为290
°
)，则减震器方位角就是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4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。
76.s3、利用振冲器对地层进行振冲造孔施工时，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器的垂直度是否达到规定的垂直度范围；
77.利用振冲器对地层进行振冲造孔施工时，在通过第一检测元件得到桅杆偏斜参数、通过第二检测元件得到振冲器偏斜参数后，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围，包括：
78.根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围；
79.根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围。
80.下面，具体进行描述。
81.s31、根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围；
82.根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：
83.将检测到的桅杆顶角和桅杆方位角分别与预设的桅杆顶角阈值范围和桅杆方位角阈值范围进行比对；
84.根据比对结果，确定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围。
85.具体的，根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围可以采用如下第一种方法：
86.得到桅杆顶角和桅杆方位角之后，将桅杆方位角与预设的桅杆方位角阈值范围进行比对，得到方位角比对结果。即，桅杆方位角与预设桅杆方位角阈值范围进行比对，可得到桅杆相对坐标北的偏斜方向的结果。
87.得到桅杆相对坐标北的偏斜方向之后，将确定的桅杆顶角与预设的桅杆顶角阈值范围进行比对，得到顶角比对结果。若顶角比对结果表明桅杆顶角超出预设的顶角阈值范围，则判定桅杆垂直度没达到规定的垂直度范围；若顶角比对结果表明桅杆顶角未超出预设的顶角阈值范围，则判定桅杆垂直度达到规定的垂直度范围。
88.或者，根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围还可以采用如下的第二种方法：
89.在得到桅杆顶角和桅杆方位角之后，将桅杆顶角与预设的桅杆顶角阈值范围进行比对，得到顶角比对结果。若顶角比对结果表明桅杆顶角未超出预设的顶角阈值范围，则判定桅杆垂直度达到规定的垂直度范围；
90.若顶角比对结果表明桅杆顶角超出预设的顶角阈值范围，则判定桅杆垂直度没达到规定的垂直度范围；然后，将确定的桅杆方位角与预设的桅杆方位角阈值范围进行比对，得到方位角比对结果。即，桅杆方位角与预设桅杆方位角阈值范围进行比对，可得到桅杆相对坐标北的偏斜方向的结果。
91.其中，桅杆顶角阈值范围的下限值为规定的桅杆最小顶角，顶角阈值范围的上限值为规定的桅杆最大顶角，桅杆最小顶角和桅杆最大顶角可以根据工程实践设置，例如本发明桅杆最小顶角可取为0，桅杆最大顶角可取为3
°
，即，桅杆阈值范围为{0，3
°
}。而桅杆方位角阈值范围为{0
°
，360
°
}，以正北为0
°
(也为360
°
)。
92.s32、根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围。
93.根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围，可以采用如下步骤：
94.确定振冲器顶角和振冲器方位角之后，将确定的振冲器方位角与预设的振冲器方位角阈值范围进行比对，得到方位角比对结果。即，振冲器方位角与预设振冲器方位角阈值范围进行比对，可得到振冲器相对坐标北的偏斜方向的结果。
95.得到振冲器相对坐标北的偏斜方向之后，将确定的振冲器顶角与预设的振冲器顶角阈值范围进行比对，得到顶角比对结果。若顶角比对结果表明振冲器顶角超出预设的顶角阈值范围，则判定振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围；若顶角比对结果表明振冲器顶角未超出预设的顶角阈值范围，则判定振冲器垂直度达到规定的垂直度范围。
96.或者，根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围，还可以采用如下步骤：
97.在确定振冲器顶角和振冲器方位角之后，将确定的振冲器顶角与预设的振冲器顶角阈值范围进行比对，得到顶角比对结果。若顶角比对结果表明振冲器顶角未超出预设的顶角阈值范围，则判定振冲器垂直度达到规定的垂直度范围；
98.若顶角比对结果表明振冲器顶角超出预设的顶角阈值范围，则判定振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围；然后，将确定的振冲器方位角与预设的振冲器方位角阈值范围进行比对，得到方位角比对结果。即，振冲器方位角与预设振冲器方位角阈值范围进行比对，可得到振冲器相对坐标北的偏斜方向的结果。
99.其中，振冲器顶角阈值范围的下限值为规定的振冲器最小顶角，顶角阈值范围的上限值为规定的振冲器最大顶角，振冲器最小顶角和振冲器最大顶角可以根据工程实践设置，例如本发明振冲器最小顶角可取为0，振冲器最大顶角可取为5
°
，即，振冲器阈值范围为{0，5
°
}。而振冲器方位角阈值范围为{0
°
，360
°
}，以正北为0
°
(也为360
°
)。
100.s4、若振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围，分析使振冲器产生偏斜的原因，并根据分析结果对桅杆和/或振冲器进行控制，以便振冲器以达到规定的垂直度范围的垂直度进行振冲造孔施工，形成碎石桩孔。
101.当通过上述步骤s3判定振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围时，需对振冲器产生偏斜的原因进行分析，以根据分析结果对桅杆和/或振冲器进行控制，以便振冲器以达到规定的垂直度范围的垂直度进行振冲造孔施工，形成碎石桩孔。
102.其中，对振冲器产生偏斜的原因进行分析时，需先分析桅杆垂直度是否达到规定
的垂直度范围，即，根据步骤s31中对桅杆垂直度判定的结果，分析桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围。
103.当分析结果表明桅杆垂直度没达到规定的垂直度范围时，对桅杆垂直度进行调节：根据检测到的桅杆顶角和桅杆方位角，控制器控制桅杆调节机构执行相应动作，从与检测到的桅杆方位角的相对方位对桅杆偏斜方向与角度进行调节，以使桅杆垂直度达到规定的垂直度范围，从而使振冲器垂直度达到规定的垂直度范围。其中，若检测到的桅杆顶角超出预设桅杆顶角范围最大值较多时，如当检测到桅杆顶角与预设桅杆顶角范围最大值的差值绝对值在3
°
以上时，则说明施工地基发生不均匀沉降，此时无法通过对桅杆自身调节而使振冲器达到垂直度要求，因此需先对地基进行平整和加固，再通过桅杆调节机构调节桅杆垂直度至达到规定的垂直度范围。
104.当对桅杆垂直度分析后发现桅杆垂直度达到规定的垂直度范围、而振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围时，则根据步骤s32中检测到的振冲器顶角和振冲器方位角对振冲器偏斜角度和方向进行调节，以便振冲器垂直度达到规定的垂直度范围，具体如下：
105.(1)提升伸缩导杆，以带动振冲器提升；
106.(2)重吊轻打：
107.伸缩导杆提升至一定高度(几米甚至十几米)后，使主卷扬装置钢丝绳对伸缩导杆、振冲器等拉力在振冲器有效重量的15％左右，至少0.5t(该力可由安装在主卷扬装置上的力学传感器直接测得)，然后以较慢速度(不大于2m/s)下放伸缩导杆，下放时，注意控制伸缩导杆下放方向与伸缩导杆顶角以控制振冲器方位角和振冲器顶角，以便振冲器能以达到规定的垂直度范围的垂直度对地层实现振冲施工。“重吊轻打”，是指通过主卷扬装置钢丝绳将伸缩导杆提升至一定高度下放的过程中，钢丝绳对伸缩导杆仍具有一定的拉力，从而使伸缩导杆等可以一定速度缓慢下放。
108.其中，振冲器有效重量，为振冲器、减震器、伸缩导杆三者的总重量，减去这三者装配后的体积与泥浆密度之积，所得到的数据。即，振冲器有效重量可采用如下公式计算：
109.振冲器有效重量＝(振冲器+减震器+伸缩导杆)总重量-泥浆密度*(振冲器+减震器+伸缩导杆)总体积。
110.在“重吊轻打”过程中，持续进行振冲器偏斜参数的实时检测，并根据检测结果反复提升伸缩导杆及下放，直至符合垂直度要求的振冲器穿透较硬薄层或挤开中小卵石，标志为振冲器钻进速度正常，即，在0.5-2.0m/min内时认为速度正常。
111.本发明采用“重吊轻打”的方式可确保振冲器垂直度达到规定的垂直度范围，解决了现有技术中在遇到类似施工地层时，采取硬杠措施，即主卷扬装置钢丝绳拉起振冲器几米甚至十几米后完全放松主卷扬装置钢丝绳(钢丝绳对振冲器没有任何拉力)，使伸缩导杆和振冲器依靠自由下落过程中形成的冲击力穿透地层，但是却由于振冲器垂直度无法进行控制，造成串桩或其他问题，如，在穿透地层后无法找到桩孔或桩体，从而导致施工失败。
112.进一步的，如反复数次“重吊轻打”均不能穿透地层，则可采用以下两种措施：
113.(3)更换振冲器(试验阶段)：在试验阶段，优先考虑更换重量更大、穿透力更强(即功率更高)的振冲器(可包括双向振冲器，即，水平、垂直双向振动振冲器)。根据情况对各种类型振冲器对地层进行测试，实现地层与振冲器的匹配。
114.(4)旋挖引孔(施工阶段)：大规模施工过程中，优先考虑移机进行旋挖引孔后继续
钻进直至成孔。
115.当判定出振冲器垂直度达到规定的垂直度范围时，不需对振冲器下放方向与进行调节，即，桅杆保持当前垂直度，且振冲器以当前垂直度继续进行振冲造孔施工。
116.其中，在振冲器垂直度达到规定的垂直度范围后，还需要根据施工的当前地层密实度控制供应下水的下水流量，以便振冲器能以目标下水压力进行振冲造孔施工形成碎石桩孔。
117.由于本发明振冲器振冲施工的地层结构复杂，为提高振冲器的穿透和造孔能力，本发明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，提高振冲施工进程。在利用从振冲器底端喷出的下水配合符合垂直度要求的振冲器对地层进行振冲造孔施工时，需根据施工的当前地层密实度控制供应下水的下水流量，以便振冲器能以目标下水压力进行振冲造孔施工，包括：
118.s41、在振冲施工过程中获取当前地层密实度；
119.s42、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；
120.s43、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；
121.s44、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进行振冲造孔施工。
122.下面，对施工过程进行具体描述。
123.s41、在振冲施工过程中获取当前地层密实度
124.如图7所示，在振冲施工过程中获取当前地层密实度包括：
125.1、获取振冲器的当前振冲电流；
126.2、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；
127.3、将查找到的地层密实度确定为当前地层密实度。
128.如图6所示，振冲器13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。
129.在本发明的一个实施方式中，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，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。
130.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13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13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13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。
131.在本发明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，获取振冲器的当前振冲电流可通过以下方式实现：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。
132.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。
133.其中，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：
134.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。
135.在本发明的一个实施方式中，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。
136.表1振冲电流与地层密实度的对应关系
137.振冲电流i地层密实度dri《0.3ie软0.3ie《i《0.8ie中i》0.8ie硬
138.其中，表1所示的ie为振冲器额定电流。
139.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。
140.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。
141.s42、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；
142.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：
143.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。
144.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，本发明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。
145.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。
146.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。
147.s43、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；
148.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：
149.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。
150.在本发明的一个实施方式中，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。
151.表2下水压力与地层密实度的对应关系
152.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
153.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。
154.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。
155.s44、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。
156.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：
157.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；
158.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。
159.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。
160.如图6所示，本发明水泵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。
161.下面，描述本发明符合垂直度要求的振冲器进行振冲造孔施工过程中下水控制的过程：
162.1、振冲器13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；
163.2、控制器1获取当前振冲电流、当前下水压力、当前下水流量；
164.3、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；
165.4、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。
166.综上所述，本发明超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，在通过振冲器对强震地带复杂地基进行振冲造孔施工的过程中，可以实时检测振冲器偏斜参数和地层密实度，并及时控制振冲器振冲施工的垂直度和下水压力，从而使振冲器能以达到规定的垂直度范围的垂直度和目标下水压力持续对施工地层向下振冲施工，有效缩短施工工期，降低施工成本，并能使后续形成的振冲碎石桩垂直度好，均匀、密实，提高振冲碎石桩安全性与抗震性能。
167.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。

技术特征：
1.一种超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，所述振冲碎石桩机包括振冲器、伸缩导杆、减震器和桅杆，所述方法包括：将用于检测桅杆偏斜参数的第一检测元件安装在桅杆内；将用于检测振冲器偏斜参数的第二检测元件安装在减震器上；利用振冲器对地层进行振冲造孔施工时，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器的垂直度是否达到规定的垂直度范围；若振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围，分析使振冲器产生偏斜的原因，并根据分析结果对桅杆和/或振冲器进行控制，以便振冲器以达到规定的垂直度范围的垂直度进行振冲造孔施工，形成碎石桩孔。2.根据权利要求1所述的方法，桅杆偏斜参数包括桅杆顶角和桅杆方位角，振冲器偏斜参数包括振冲器顶角和振冲器方位角。3.根据权利要求2所述的方法，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围；根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围。4.根据权利要求3所述的方法，根据检测到的桅杆偏斜参数，判定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：将检测到的桅杆顶角和桅杆方位角分别与预设的桅杆顶角阈值范围和桅杆方位角阈值范围进行比对；根据比对结果，确定桅杆垂直度是否达到规定的垂直度范围。5.根据权利要求3所述的方法，利用安装在减震器上的第二检测元件检测振冲器偏斜参数包括：通过第二检测元件获取减震器的顶角和方位角；将获取的减震器的顶角和方位角对应确定为振冲器的顶角和方位角。6.根据权利要求5所述的方法，根据检测到的振冲器偏斜参数，判定振冲器垂直度是否达到规定的垂直度范围包括：将检测到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达到规定的垂直度范围。7.根据权利要求6所述的方法，当振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围时，根据振冲器方位角对伸缩导杆方位进行调节，并根据振冲器顶角对伸缩导杆顶角进行调节，以便振冲器垂直度达到规定的垂直度范围。8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，振冲器垂直度达到规定的垂直度范围后，还根据当前地层密实度控制供应下水的下水流量，以便振冲器以目标下水压力进行振冲造孔施工。9.根据权利要求8所述的方法，根据当前地层密实度控制供应下水的下水流量，以便振冲器以目标下水压力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振冲施工。10.根据权利要求9所述的方法，所述获取当前地层密实度包括：获取振冲器的当前振冲电流；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；将所查找到的地层密实度确定为当前地层密实度。

技术总结
本发明公开一种超强地震带下振冲碎石桩机施工控制垂直度的方法，包括：将用于检测桅杆偏斜参数的第一检测元件安装在桅杆内；将用于检测振冲器偏斜参数的第二检测元件安装在减震器上；利用振冲器对地层进行振冲造孔施工时，根据检测到的桅杆偏斜参数和振冲器偏斜参数分析振冲器的垂直度是否达到规定的垂直度范围；若振冲器垂直度没达到规定的垂直度范围，分析使振冲器产生偏斜的原因，并根据分析结果对桅杆和/或振冲器进行控制，以便振冲器以达到规定的垂直度范围的垂直度进行振冲造孔施工。本发明方法，振冲器能根据地层条件及达到规定的垂直度范围的垂直度对施工地层向下振冲施工，形成能在超强地震发生时质量稳定的振冲碎石桩，既提高振冲碎石桩施工的安全性。性。性。


技术研发人员：赵军 牟毓 谭修桥 汤勇军 孙亮 曹杰 丁海龙 薛正伟 张家俊 刘保柱 周建华 虎元强 郑元凯
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