目前, 强夯施工设计参数的确定主要依靠岩土工程师的经验和现场试验, 若采用相同的强夯设计参数施工作业, 对于不同的岩土体可能导致设计参数偏于保守或不足, 其效果并不理想;若按照JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》^[1]终夯标准中的夯沉量控制施工过程, 人工测量需要花费大量的人力、物力, 且依靠经验目测加固效果偏差很大, 可靠度差;若夯后检验加固效果, 可能出现返工, 耽误工期, 影响参建方的声誉和效益, 也可能出现检验指标远大于设计效果指标, 造成不必要的浪费。岩土体的复杂性、夯前设计的经验性和夯后测试的滞后性突出了夯中监控的重要性, 把夯前模糊的、不确定的或不均匀的地基土通过多种方法或手段在施工过程中获取有效信息来评价或预测夯后加固效果。因此, 不论是岩土工程师还是研究工作者都把强夯作业过程作为研究的焦点。

日本学者鸣海直信等人^[2]较早提出强夯信息化施工, 假定强夯前为非均质土体, 强夯后为均质土体, 即经过相同夯击数的一遍夯后, 通过原位测试, 按照夯后地基压缩模量相等的原则, 调整并确定二遍夯击数或夯击能, 但夯中测试制约了强夯施工的自动化、信息化。专利技术“一种基于双目测距原理的强夯工程自动监测方法”^[3], 采用2台摄像仪采集夯锤行程图像, 结合双目测距原理计算夯锤行程过程的相关距离, 即夯锤每次提升高度和夯击次数;专利技术“强夯法地基处理自动监控系统数据采集装置”^[4]能够测量并计算时间、夯击数、吊高三者之间的关系, 1台计算机同时监控多台强夯设备;专利技术“基于地基瞬态响应的强夯最优夯击数确定方法”^[5], 通过动土压传感器和动孔隙水压传感器的响应幅值随夯击数线性增加阶段过渡到趋于稳定阶段的临界夯击数, 确定最优夯击数;上述专利技术都是基于夯沉量或夯击数等单一数据的自动采集系统, 对夯实效果缺少系统评价, 且监测装置的布置也限制了其信息化程度和使用范围。

随着岩土工程信息化探测技术的发展, 施工作业过程多源数据的实时采集和及时应用已经成为信息化施工的技术手段被人们接受。研究小组利用岩土工程理论、传感器技术、信息化技术等手段, 研制了强夯信息化施工装置 (简称SMS) , 借助多指标实时监测、多方法综合验证, 实现强夯施工过程加固效果的随夯诊断, 取得了良好的实际效果。

该装置包括自动采集系统、数据传输系统、数据处理系统、诊断决策系统4个部分。其中自动采集系统包括夯沉量的采集 (夯沉量传感器) 和接触应力的采集 (接触应力传感器) , 2种传感器均通过蓝牙技术无线传输至数据处理系统 (数显仪) , 数据的转换、存储以及处理和诊断均在数显仪中实现。总体设计思路如图1所示。

强夯实施过程可分为夯锤起吊和夯锤脱钩2个阶段, 夯沉量和接触应力的采集工作分别在2个阶段中互相切换完成。夯锤起吊时夯沉量传感器启动、接触应力传感器关闭, 夯锤脱钩时接触应力传感器启动、夯沉量传感器关闭。

夯沉量传感器集成了行程传感器和拉力传感器, 固定在夯机桅杆顶部、臂头滑轮的下方, 如图2所示。起锤钢丝绳与夯沉量传感器滑轮始终连接, 测试钢丝绳行程, 2次夯击的钢丝绳行程之差即为后次夯击的夯沉量。根据工艺流程需要, 系统内部设计拉力和行程的阈值, 控制夯沉量传感器在夯锤就位起吊夯锤、夯锤脱钩下落以及挂锤等各阶段的作业状态, 起吊夯锤过程中测试并记录最大起吊质量。为保证测试精度, 设计仪器时内部构造精度达到0.01mm, 仪器精度0.5mm, 起吊质量精度10kg。

行程传感器使用金属接近传感器 (电源12V、输出4~20m A) , 其标定是在自行设计的室内标定平台上操作。

行程传感器连接数显仪, 随着钢丝绳沿滑轮行走, 数显仪 (读数X) 记录齿轮的转动齿数 (X/2) , 标定台采用激光测距仪测量钢丝绳的行程 (H) 。在标定平台上分别按照1 500mm和10 000mm的量程范围分级率定, 其中在1 500mm量程范围内分为15级, 理论上每级100mm;在10 000mm范围内分为10级, 理论上每级1 000mm。并分别记录每级的数显仪读数 (X) , 根据拟合方程:

计算率定系数, 即脉冲步距⊿。

按照上述的量程范围和率定分级标准, 行程传感器的行程和数显字率定耦合曲线如图3所示。两个量程的标定方程方差平方R²≈1, 拟合度很高。

脉冲步距建议选择与实际提升高度相近的试验量程范围的率定系数。

拉力传感器使用蚌埠传感器公司JLET-2型 (电源12V、输出4~20m A) , 其标定是在结构实验室电子万能拉力实验机上操作。拉力传感器两端连接专用拉杆, 夹于拉力实验机上, 并与数显仪连接。标定试验分别按照T_i=10k N一级加载, 最大加载量150k N, 数显仪记录分级加载的数显字 (X) , 传感器未受力作用时数显仪的数显字设为X₀, 根据拟合方程:

计算率定系数, 即重力单值K。

实验室标定仪器, 按照上述的率定分级标准, 其拉力和数显字的率定耦合曲线如图4所示。仪器标定方程方差的平方R²≈1, 拟合度很高。

接触应力传感器固定在夯锤顶部挂钩中间 (见图5) 。为保证测试的精度, 设计三维测试仪器, 记录值为平均值;夯锤接触地面作用时间一般为30~80ms, 设计时间精度为1ms。

接触应力是通过加速度传感器测量锤-土共同作用时的夯锤运动加速度计算而成。接触应力传感器是集加速度传感器与无线传输一体化的多功能新型仪器, 加速度传感器使用某公司CA-YD-141型 (冲击极限5 000g, 频率响应6 000Hz) , 其标定是在标准振动台上操作, 截取最大加速度a_max。

数据处理系统包括数据的交换、处理、存储、显示, 数据处理模块嵌入数显仪中, 数显仪固定在驾驶舱内, 如图6所示。采集系统传输电信号, 通过A/D转换, 将模拟信号转换为数字信号, 计算并存储夯沉量、接触应力, 并按照设定的规则对数据进行计算处理。

提升夯锤, 系统按照公式T=K× (X-X₀) 计算拉力T, 其中K为输入的重力单值, X₀为重力零点值, X为内部计数值。当拉力传感器检测到的值大于重锤阈值后, 开始对行程传感器进行计数, 并按照公式H=Δ×X计算钢丝绳行程H, 其中Δ为输入的脉冲步距, X为内部计数值。夯锤到达设定高度脱钩后, 停止对行程传感器的计数。

夯锤单次提升高度小于行程阈值时, 采集的数据将作为无效数据丢弃;当前夯沉量若为负数时可统计夯击数但不统计夯沉量。在夯击次数限值范围内未能满足设计值要求时, 将按照下限值强制终夯。

应用强夯监测参数夯沉量和接触应力, 计算变形模量^[6], 从而按照弹性半空间体表面局部受荷原理, 可计算地基容许承载力^[7,8], 并绘制变形模量 (承载力) 与夯击次数的关系曲线, 定量评价夯实效果。应用强夯监测参数夯沉量和岩土体物理指标孔隙比, 计算相对密实度, 并绘制密实度与夯击次数的关系曲线, 粗略评价夯实程度^[9]。应用强夯监测参数加速度和夯沉量, 从能量耗散^[10,11,12]和物体碰撞^[13,14]的角度, 按照能量守恒和动量守恒定理, 计算夯击效能, 并绘制夯击效能与夯击次数的关系曲线, 定性评价夯实程度。

强夯实施过程中, 数显仪实时显示当前夯锤质量、提升高度, 并显示计算处理后的夯沉量和接触应力, 如图7所示。因偏锤等影响, 夯沉量若为负值, 则显示“*”。夯击次数在限值范围内, 若夯沉量小于设计值或变形模量 (承载力) 小于设计值时, 将自动终夯并保存数据;强制终夯时同时保存数据。若按下[保存]键, 结束当前夯点、保存数据并自动进入下一个夯点。

数显仪的内存过大会影响计算速度, 可选择数据转存。在空闲状态下, 插入U盘, 然后按下[保存]键, 系统将数据以设备号与日期作为名称自动生成txt文件, 转存到U盘上。

夯实效果的评价指标根据设计要求确定, 主要为承载力和变形模量, 有时因工程的特殊性和造价等也有其他技术要求, 如地基土的预处理可指定夯击数、道路夯实要求密实度等。一般情况下根据评价指标的可获取性和重要性, 按照下述优先级判断各指标的满足程度:指定夯击数→变形模量/容许承载力→密实度/夯沉量→夯击效能。密实度和夯击效能是土体的属性指标, 可作为变形模量与容许承载力设计指标的验证性指标。

夯实效果的评价指标数值, 除指定夯击数外, 一般根据现场单点夯监测数据计算获取。

变形模量和容许承载力:强夯过程中通过采集单击最大接触应力σ_imax和夯沉量Δs_i, 按照动态平板载荷试验和静态平板载荷试验原理, 计算变形模量E₀和容许承载力P:

式中:E_vd为动态变形模量 (MPa) ;r为夯锤半径 (m) ;β为沉陷影响系数;α₁为动力折减系数;ω为刚性承压板的形状系数;μ为土的泊松比, 取0.25~0.30;S/B为相对沉降值, 取0.01~0.015。

根据砂土的三相关系, 计算相对密实度D_r:

式中:α为夯实系数;D_r0为夯前相对密实度。

根据碰撞理论和能量耗散理论, 假定夯锤落地后, 与地面发生非完全弹性碰撞, 加固土体的能量为有效能量, 计算夯击效能η:

式中:M为夯锤质量 (k N) ;H为夯锤落距 (m) ;r₀为夯锤半径 (m) ;σ (t) 为夯锤接触应力时程曲线。

评价指标的设计值是由设计要求和岩土体属性共同决定的。指定夯击数是根据建设单位或设计要求直接设定的, 对加固效果没有要求, 属于最低要求的加固标准。容许承载力 (变形模量) 一般是建设单位 (设计单位) 在合同中约定的设计指标, 强夯过程中计算生成的容许承载力 (变形模量) 指标若满足设计指标, 自动终夯, 并可通过密实度/夯沉量以及夯击效能指标, 进一步判断土体是否具有待加固的空间;若持续强夯未能满足设计指标, 密实度/夯沉量或夯击效能总是处于某一稳定值, 应强制终夯。因被加固岩土体的复杂性, 可能提前终夯或无法终夯, 需要设定夯击数阈值, 如若原地面表层强度较大, 影响首次或前几次夯沉量过小, 避免对加固效果的错觉, 适当设定下限 (一般为2击) ;或由于土体性质太差, 无法终夯, 适当设定上限 (一般为20击) , 强制终夯。也可设定双重控制标准, 同时满足时系统自动终夯。

1) 第1步打开数显仪电源开关, 电源指示灯亮, 时钟运行。测试无线传输系统。按[功能]键进入编辑状态, 输入各种率定参数和技术要求, 按[确定]键确认编辑数据, 按[取消]键退出编辑状态。

2) 第2步夯锤就位, 按[确定]键进入运行状态, 系统内部自动生成夯点编号1。数显仪显示“Start”和时间。

3) 第3步夯锤起吊时, 连接卷扬机端的起锤钢丝绳经过夯沉量传感器滑轮、臂头滑轮, 通过夯锤脱钩装置提升夯锤, 此时夯沉量传感器启动, 输出电信号, 通过无线分别从数显仪行程输入口和拉力输入口传输到微控制器, 转换成起吊高度和起吊质量, 计算并显示夯沉量和起吊质量, SD卡存储器存储。

4) 第4步夯锤脱钩时, 夯沉量传感器关闭, 同时接触应力传感器启动, 输出电信号, 通过无线从数显仪接触应力输入口传输到微控制器, 转换成接触应力, 计算并显示接触应力时程曲线及最大接触应力, SD卡存储器存储。

5) 第5步随着夯击数的增加, 数显仪自动生成随时间的夯击数编号, 并依据理论方法设计的计算程序, 迅速计算并生成各响应指标随夯击数的变化曲线 (容许承载力/变形模量-夯击数变化曲线、密实度-夯击数变化曲线、夯击效能-夯击数变化曲线、夯沉量-夯击数变化曲线) 。

6) 第6步达到夯击数阈值的下限时, 各响应指标根据输入的技术要求 (设计指标) , 按照下述优先级判断指标的满足程度:指定夯击数→变形模量→容许承载力→密实度/夯沉量→夯击效能。

7) 第7步判断结果输出, 确定评价结论。

根据设计指标的阈值, 系统自动终夯输出并保存于SD卡存储器。对于双重控制指标, 根据优先级, 同时满足时, 系统自动终夯输出并保存于SD卡存储器;若不能满足设计指标, 夯击效能总是处于某一稳定值或达到夯击数阈值的上限时, 系统自动终夯输出并保存于SD卡存储器。

8) 第8步终夯报警。终夯输出并保存的同时, 自动启动报警系统, 状态灯急闪烁。报警的同时, 系统自动生成连续的夯点号。

9) 第9步夯锤就位下一夯点。重复第2~9步。

10) 第10步根据工作需要或SD卡的容量, 将SD卡存储的数据, 可以分期分批通过USB接口按[保存]键移存到强夯数据库进行后台处理, 或通过无线网络按[保存]键传输到远程计算机强夯数据库中进行后台处理, 数据库中的统计分析功能可以完成报表和工作报告。

青岛保利某项目地基处理工程, 现场填料为砾砂-角砾, 下伏基岩, 填土厚度5~7m, 重度19.1k N/m³, 初始孔隙比e₀=0.423, 通过击实试验测试最大孔隙比e_max=0.593, 最小孔隙比e_min=0.073。试验夯击能分别选择98k N×10m, 147k N×10m, 147k N×16.7m, 夯锤直径分别为2, 2, 2.2m, 按指定夯击数12击进行现场试夯。

现场采用SMS装置自动测量夯沉量和夯锤-土体接触应力, 系统自动计算并绘制生成夯沉量-夯击数曲线、单点变形模量-夯击数曲线、单点承载力-夯击数曲线、单点夯击效能-夯击数曲线、单点密实度-夯击数曲线, 如图8~12所示。

为验证SMS装置的稳定性和可靠性, 对试验区内不同夯击能级的试夯点, 分别布置了以下3种监测测试工作:水准测量每击夯沉量;夯击3, 6, 9, 12击后夯坑内取土样测试孔隙比;夯击12击后地基载荷试验。

SMS法测量夯沉量相比于传统的水准测量, 夯沉量单击偏差<2mm, 且较大偏差多集中在最初2~4击, 累计偏差随夯击能增大而增大, 夯击12击时累计偏差未超过10mm。SMS法计算的密实度与土工试验孔隙比计算的密实度, 在夯实效果趋于密实时基本一致, 在夯实效果较差或过于夯实时偏差稍大。SMS法计算的变形模量和承载力与载荷试验测试值基本一致。

上述SMS监测指标及其计算值与原位测试和土工试验值基本吻合, 验证结果表明, SMS装置稳定可靠。

1) 自行研制了强夯信息化施工监控装置, 为随夯诊断强夯加固效果提供了有效途径。

2) 该装置自主设计了夯沉量传感器, 由行程传感器和拉力传感器集成, 拉力传感器同时起到采集起吊拉力、检验夯锤质量和控制行程传感器开关的作用, 解决了《建筑地基处理技术规范》要求每击测量夯沉量的问题, 缩短了工期、节省了劳动成本。自主研发的数显仪, 多理论支撑、多方法验证、多源信息综合应用, 自动诊断夯实效果并生成夯实曲线, 形成了操作方便、效果验证直观的过程控制体系。

3) 现场试验是对该装置的稳定性和可靠性的测试验证, 夯沉量的测量利用SMS法与传统的水准测量法相比, 偏差极小, 单击夯沉量最大偏差不超过2mm;夯后变形模量和承载力的SMS法计算值, 与现场载荷试验的结果相比较基本一致;夯击效能和密实度的夯击曲线变化趋势与变形模量和承载力的夯击曲线变化趋势基本一致, 说明该装置所监测的数据和对夯实效果的诊断是准确的, 装置可靠。

4) 该装置的研制是对强夯设计与施工的一种新的尝试, 将强夯法施工的粗放性管理向精细化管理转变, 通过监控总夯击能的过剩或不足能够实现成本控制, 通过监控夯击点数能够实现进度控制, 通过监控单击夯击能和终夯标准以及夯击效果能够实现质量控制。