一种基于夯锤峰值加速度的路基分层压实度实时监测方法
阅读说明：本技术 一种基于夯锤峰值加速度的路基分层压实度实时监测方法 (Roadbed layered compaction degree real-time monitoring method based on peak acceleration of rammer ) 是由 周志军 闫瑞朋 徐天宇 张志鹏 朱林楦 陈超然 徐甫 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于夯锤峰值加速度的路基分层压实度实时监测方法,包括：步骤1,在路基填方施工现场待补强路基土区域,选取多个夯点,多个夯点上分别进行夯击不同的次数,采集夯锤峰值加速度；步骤2,在步骤1所选定各夯点上,分多层开挖路基,测定路基各层夯后的分层压实度和分层沉降量；步骤3,绘制分层沉降量与深度的关系图,确定有效压实深度,在有效压实深度范围内建立夯锤峰值加速度与分层压实度回归关系式；步骤4,现场监测时,将夯击得到的夯锤峰值加速度代入上述步骤3所得回归关系式,得到待测路基的分层压实度。本发明在评判路基压实质量时,考虑了液压夯实机的有效压实深度,使路基整体压实度的评判变的更加精准。(The invention provides a roadbed layered compaction degree real-time monitoring method based on the peak acceleration of a rammer, which comprises the following steps: step 1, selecting a plurality of tamping points in a roadbed soil area to be reinforced on a roadbed filling construction site, respectively tamping the tamping points for different times, and collecting the peak acceleration of a tamping hammer; step 2, excavating the roadbed in multiple layers on each tamping point selected in the step 1, and measuring the layered compaction degree and the layered settlement after tamping on each layer of the roadbed; step 3, drawing a relation graph of the layered settlement amount and the depth, determining the effective compaction depth, and establishing a regression relation between the peak acceleration of the rammer and the layered compaction degree in the range of the effective compaction depth; and 4, during field monitoring, substituting the peak acceleration of the rammer obtained by ramming into the regression relational expression obtained in the step 3 to obtain the layered compaction degree of the roadbed to be detected. According to the method, when the compaction quality of the roadbed is judged, the effective compaction depth of the hydraulic compactor is considered, so that the judgment of the whole compaction degree of the roadbed is more accurate.)
技术领域
本发明涉及路基压实度实时监测技术领域，具体涉及一种基于夯锤峰值加速度的路基分层压实度实时监测方法。
背景技术
液压夯实法属于表层和深层路基压实方法，主要利用夯锤冲击力来冲击压实土体，夯锤夯击能小于传统强夯，但是夯击频率高，根据夯锤的下落方式，液压夯实机可分为强制落锤与自由落锤两种。
强制落锤是通过液压驱动力将夯锤提升到预定高度后立即反向加力，夯锤在重力作用和液压缸的推力下加速冲击地面，将夯锤动能和液压能传递到路基中，对路基进行压实挤密。自由落锤同样是通过液压力将夯锤强制提升预定高度，但下落过程为自由落体，夯锤将自身的重力势能转化为动能，然后冲击下方路基，压实路基表层土体，并继续向路基内部传递能量。
70年代初，美国人与德国人根据机械作用部件与压实材料间的动力响应关系，提出了以机械作用部件的加速度变化来反映被压实材料密实程度的思路。
国内外许多学者已经做了许多试验，概括起来就是传感技术的应用与传统试验方法的结合，通过在机械作用部件安装加速度传感器来采集动力信号，并将处理过的信号值与传统试验得出的评价指标建立数值联系。
现如今振动压路机和液压夯实机车载压实质量监测仪的研制基本上都采用了此种方法，通过试验，一些学者建立了机械设备加速度值与反映土体硬度及土体动弹性模量之间的关系，有些学者建立了机械设备加速度值与土体压实值CCV和CMV之间的关系，也有学者建立了机械设备加速度值与路基压实度之间的关系，根据夯锤和滚轮的加速度来反映土体的压实质量。
但是，学者们建立的都是机械作用部件动力响应与表层压实度之间的关系，设备只能实时监测路基表面的压实度，没有考虑机械设备作用土体时的有效压实深度，因此结果准确性低；而液压夯实机不仅对表层土体产生影响，应该考虑夯击土体时的有效压实深度，并在有效压实深度范围内分析路基的分层压实质量，这方面的实时监测方法还不够完善。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于夯锤峰值加速度的路基分层压实度实时监测方法，该方法使路基整体压实度的评判变的更加精准。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于夯锤峰值加速度的路基分层压实度实时监测方法，包括以下步骤：
步骤1，在路基填方施工现场，选取一片待补强路基土区域，选取多个夯点，多个夯点上用液压夯实机分别进行夯击不同的次数，采集夯锤峰值加速度；
步骤2，在步骤1所选定各夯点上，分多层开挖路基，测定路基各层夯后的分层压实度和分层沉降量，并记录数据；
步骤3，绘制分层沉降量与路基深度的关系图，利用线性插值确定有效压实深度，然后在有效压实深度范围内建立夯锤峰值加速度与分层压实度的回归关系式；
步骤4，现场监测时，在路基填方施工现场的待测路基上用液压夯实机进行夯击，得到的夯锤峰值加速度代入上述步骤3所得回归关系式，得到待测路基的分层压实度。
优选的，步骤1中，在液压夯实机的夯锤上安装加速度传感器，通过加速度传感器采集夯锤峰值加速度。
进一步的，加速度传感器安装在夯锤顶面中心处。
优选的，步骤2中，分层开挖后，采用水准仪测量路基分层沉降量，采用灌砂法测量路基夯后分层压实度。
优选的，步骤3中，以土体竖向变形量为路基表层沉降量5％的深度作为有效压实深度。
优选的，在进行步骤4之前，还包括验证步骤：在路基填方施工现场选取夯点，采用液压夯实机进行夯击，采集夯锤峰值加速度，根据步骤3的回归关系式计算得到分层压实度，再在夯点范围内选取测点，测量分层压实度，将测量的分层压实度与计算所得分层压实度进行对比，验证结果在误差范围内后再进行步骤4。
优选的，还包括步骤5，在有效压实深度范围内，对分层压实度按深度加权平均，得到路基的平均压实度。
进一步的，平均压实度计算公式如下：
式中：
dr表示有效压实深度；
di表示有效压实深度范围内第i层的深度；
Ki表示有效压实深度范围内第i层的分层压实度；
n表示分层的层数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明以液压夯实机为研究对象，提出一种新的路基分层压实度实时监测方法，本发明在评判路基压实质量时，考虑了液压夯实机的有效压实深度，在有效压实深度范围内，通过夯锤峰值加速度实时监测路基的分层压实质量，使路基整体压实度的评判变的更加精准，本发明可以用于路基补强施工时压实度的实时监测。本发明对于自由落锤式和强制落锤式液压夯实机都能适用。
进一步的，本发明可以通过加速度传感器自动采集夯锤冲击路基时的冲击加速度，可以通过夯锤的峰值加速度实时监测路基的压实质量，节省人力成本。
进一步的，验证步骤能更好的保证结果的准确性。
进一步的，通过分层压实度计算得到路基的平均压实度，从分层压实度和平均压实度两个方面评价路基压实质量，使评价结果更加可靠。
附图说明
图1为工况一土体沉降与路基深度的曲线图；
图2为工况二土体沉降与路基深度的曲线图；
图3为工况三土体沉降与路基深度的曲线图；
图4为工况一中0-0.3米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图5为工况一中0.3-0.6米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图6为工况一中0.6-0.9米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图7为工况二中0-0.3米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图8为工况二中0.3-0.6米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；；
图9为工况二中0.6-0.9米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图10为工况三中0-0.3米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图11为工况三中0.3-0.6米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图；
图12为工况三中0.6-0.9米路基压实度与夯锤峰值加速度的回归图。
图4-图12中，横坐标的单位g均表示10m/s2。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
一种基于液压夯锤峰值加速度的黄土路基分层压实度实时监测方法，该方法包括以下步骤：
(1)实时采集夯锤夯击时夯锤峰值加速度ap。
(2)在有效压实深度范围内，建立夯锤峰值加速度与分层压实度之间的函数关系式，通过夯锤峰值加速度ap实时反映分层压实度Ki。
(3)在有效压实深度范围内，对分层压实度Ki按路基深度加权平均得到平均压实度
同时，本发明给出的试验方案如下：
在液压夯实机的夯锤上安装加速度传感器，然后在待补强路基上进行多组夯击试验，通过加速度传感器和计算机采集夯锤加速度信号，同时利用传统方法对夯后的分层压实度进行测定，再对实验数据进行汇总，剔除误差较大数据，保留有效数据。借鉴中国建筑工业出版社2000年版的《地基处理手册》，以土体竖向变形量为路基表面夯沉量5％的深度作为有效压实深度。最终建立有效压实深度范围内路基分层压实度和夯锤峰值加速度的回归关系，实现以液压夯锤的夯锤峰值加速度实时监测路基分层压实度的方法。进一步，将分层压实度在有效压实深度范围内按深度加权平均得出路基的平均压实度。
本发明对有效压实深度范围内的分层压实度与夯锤峰值加速度建立回归关系。
所述关系式如下：
K＝Ax2+Bx+C
式中：K表示分层压实度；
x表示夯锤峰值加速度；
A、B、C表示关系式中的系数。
平均压实度关系式如下：
式中：
dr表示夯锤在一定夯锤落距和锤击数下的有效压实深度；
di表示有效压实深度范围内第i层的深度，每层深度与现场填筑时一致；
Ki表示有效压实深度范围内第i层的压实度(分层压实度)。
具体压实度实时监测步骤如下：
步骤1：在黄土路基填方施工现场，选取一片待补强路基土区域，选取夯点，用液压夯实机进行夯击，记录夯锤峰值加速度；
步骤2：分层开挖，每层开挖深度和总开挖深度与施工现场分层填筑时一致，选定测点，采用灌砂法测量路基夯后分层压实度，采用水准仪测定路基分层沉降量，记录数据与上述步骤1记录的数据相对应；
步骤3：将步骤2测得的数据进行数值分析，绘制分层沉降量与路基深度的关系图，利用线性插值确定有效压实深度，然后在有效压实深度范围内分别建立夯锤峰值加速度与路基分层压实度的回归关系式。
步骤4：将填方施工现场待测路基土被夯击时的夯锤峰值加速度，代入上述步骤3所得回归关系式，即可得到待测点路基分层压实度。
步骤5：在有效压实深度范围内，对分层压实度按路基深度加权平均，得到路基的平均压实度。
还包括验证步骤：
选取若干处夯点，对步骤3回归关系式进行验证，先采用液压夯实机对路基进行夯击，计算得到路基压实度，再选取测点，采用灌砂法测量路基压实度，与计算所得进行对比，验证结果在误差范围内再进行步骤4。
所述的灌砂法挖孔深度为30cm。
所述的步骤2中，测点选定方法如下：表层测点位于试验夯点面积范围内，其它土层测点位于表层夯点正下方位置范围内。
夯锤落高可根据设备档位而定。
所述加速度传感器安装在夯锤顶面中心处。
具体实施例如下。
实施例
第一步，在黄土路基填方施工现场，选取一片待补强路基土区域，设置三个工况，工况一、工况二和工况三夯锤落高分别为2.2m、1.6m和0.7m，每个夯锤落高设置12个夯点，编号为1-12，1-12号夯点对应连续夯击次数分别为1击、2击…12击，即1号夯点夯击次数为1击，2号夯点夯击次数为2击，3号夯点夯击次数为3击，4号夯点夯击次数为4击，5号夯点夯击次数为5击，6号夯点夯击次数为6击，以此类推，12号夯点夯击次数为12击，如表1所示。记录夯锤的峰值加速度，得到如表2所示的夯锤峰值加速度。
表1试验工况表
表2液压夯实机在不同工况下的夯锤峰值加速度
第二步，对路基进行分层开挖，每30cm开挖一层，共开挖6层，总深度为1.8m，各层初始深度分别为0、0.3、0.6、0.9、1.2、1.5、1.8m，在夯点范围内选取测点，采用水准仪测定土体分层沉降量。同时采用灌砂法测定各个深度处的夯后压实度，即分层压实度。第三步：选取各工况3击、6击、9击和12击结束时的分层沉降量为研究对象，绘制沉降量随深度的变化曲线如图1-图3(分别对应工况一、二和三)所示，采用线性插值法，以土体沉降为路基表面夯沉量5％的深度作为有效压实深度，三个工况中夯击次数在3、6、9、12击时的有效压实深度见表3。
表3液压夯实机在不同工况下的有效压实深度
第四步：考虑三个工况最小有效压实深度为0.94m，因此本发明三个工况都只选取0-0.3m，0.3-0.6m和0.6-0.9m三层土体的分层压实度，如表4所示。
表4液压夯实机在不同工况下的分层压实度
绘制各工况夯锤峰值加速度与分层路基压实度的关系曲线，如图4-图12所示，分析可得：当路基压实度较高时，夯锤峰值加速度较大，相反，
如果路基压实度低，则夯锤峰值加速度较小，二者之间，存在着一定的数学关系，通过origin软件进行回归分析，分别得到如下分层压实度回归关系式。
工况一：
0-0.3米深度压实度计算公式：
y＝-3.04×10-4x2+0.16x+75.54；
0.3-0.6米深度压实度计算公式：
y＝-2.84×10-4x2+0.15x+76.42；
0.6-0.9米深度压实度计算公式：
y＝-2.96×10-4x2+0.15x+75.80。
工况二：
0-0.3米深度压实度计算公式：
y＝-2.81×10-4x2+0.15x+77.08；
0.3-0.6米深度压实度计算公式：
y＝-2.76×10-4x2+0.15x+76.62；
0.6-0.9米深度压实度计算公式：
y＝-2.08×10-4x2+0.14x+75.07。
工况三：
0-0.3米深度压实度计算公式：
y＝-0.001x2+0.32x+68.06；
0.3-0.6米深度压实度计算公式：
y＝-7.62×10-4x2+0.26x+71.50；
0.6-0.9米深度压实度计算公式：
y＝-6.07×10-4x2+0.22x+72.57。
式中：y表示路基压实度；
x表示夯锤峰值加速度。
第五步：为确保实时监测结果的可靠性，在工程场地选取夯点，对关系式进行验证。在其它待补强区选取3个点位，对应夯锤落距为2.2m、1.6m和0.7m，采用液压夯实机在3个夯点处都连续夯击9下，分别记录夯锤峰值加速度，对应代入上述关系式，得到计算分层压实度，如表5所示。
第六步：选取测点，采用灌砂法测量分层压实度，与计算所得分层压实度进行对比，验证结果可靠性，由表5可知，上述公式计算所得分层压实度与灌砂法测得的分层压实度相比，误差均小于1％，在误差允许范围内，可进行下一步骤。
表5计算压实度与实际压实度误差分析
第七步：将计算所得的分层压实度按深度加权平均可得平均压实度
通过上述得到的分层压实度和平均压实度，可以评价路基压实质量，便于实时监测。