裴碧瑩 劉寅瑩

國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司 江蘇 南京 210019

1 引言

伴隨著國家的全面發(fā)展，全國的城市化程度日益提高，城市建設(shè)進(jìn)程大步向前發(fā)展，需要新建越來越多的變電站工程?；靥钔恋鼗鳛槟壳靶陆ㄗ冸娬镜闹饕鼗问?，回填土地基的壓實(shí)質(zhì)量對(duì)新建變電站的結(jié)構(gòu)服役性能至關(guān)重要，良好的壓實(shí)情況能夠有效避免地基不均勻沉降，保護(hù)上部變電站與土下管廊的服役安全?；靥钔恋鼗蛱钔梁穸炔痪鶆颉⑻钔潦杷?、壓縮性大等問題，很難滿足工程中對(duì)強(qiáng)度、變形、穩(wěn)定性的要求。需要采取適當(dāng)措施消除或減小不良回填土地基帶來的風(fēng)險(xiǎn)，確保上部結(jié)構(gòu)物的安全[1]。

然而，當(dāng)前回填土地基的壓實(shí)性能檢測(cè)還是基于整體回填工程完成后的有限隨機(jī)位置取樣，再運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。這種現(xiàn)有的密實(shí)度評(píng)價(jià)體系存在若干局限性。首先，有限數(shù)量的離散測(cè)點(diǎn)不能完整體現(xiàn)出整個(gè)施工全域的回填土地基壓實(shí)質(zhì)量，僅能體現(xiàn)出局部的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)工程的指導(dǎo)意義有限。其次，實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)回填土測(cè)試需要數(shù)小時(shí)或數(shù)天才能獲得測(cè)試結(jié)果，這將會(huì)嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)的施工進(jìn)度。最后，由于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)操作繁瑣[2]，當(dāng)前項(xiàng)目往往僅在整體地基工程完成后才施行壓實(shí)檢測(cè)，并不能及時(shí)體現(xiàn)出施工過程中每一層回填土的壓實(shí)質(zhì)量。本項(xiàng)目研究是從實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)存在問題和迫切解決出發(fā)，以有效分析解決新建變電站的回填土地基施工過程中存在的問題為導(dǎo)向，以提高施工質(zhì)量、降低檢測(cè)難度為目標(biāo)，引導(dǎo)電網(wǎng)建設(shè)開展回填土地基創(chuàng)新的主動(dòng)性和積極性。

2 地基壓實(shí)檢測(cè)裝置研究

地基壓實(shí)檢測(cè)裝置配備了傳感系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析算法，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地基壓實(shí)過程中的關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸和處理。能夠更全面、準(zhǔn)確地了解地基的壓實(shí)質(zhì)量，而不局限于傳統(tǒng)裝置所提供的表面信息。裝備支持實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前壓實(shí)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)的可動(dòng)態(tài)查看。檢測(cè)過程簡單，啟動(dòng)壓路機(jī)后數(shù)據(jù)即開始數(shù)據(jù)采集?；跀?shù)據(jù)與壓實(shí)度對(duì)應(yīng)關(guān)系分析后，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)換算，得出壓實(shí)度的值，提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)，幫助工程師更好地評(píng)估地基的穩(wěn)定性和質(zhì)量，從而做出更準(zhǔn)確的決策。

2.1 手扶式壓路機(jī)

（1）整體鑄造一體式耐磨夯板，具有良好的貼邊性能和自清潔功能，使用壽命更長；

（2）超高頻大激振力設(shè)計(jì)，使得壓實(shí)高效，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)勁；搭載高功率儲(chǔ)備的四沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗低、噪音小，耐久性卓越；

（3）操縱扶手采用三級(jí)減震，大大消減了振動(dòng)所帶來的疲勞，使得操縱更加舒適持久；

（4）標(biāo)配15L大容量灑水箱，減少停機(jī)加水時(shí)間，時(shí)間有效度高。同時(shí)可選配行走輪總成，一銷實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)和轉(zhuǎn)運(yùn)狀態(tài)切換，方便快捷。

2.2 CMV傳感器

傳感器配套有D48吊環(huán)磁鐵，在選擇安裝位置是要選擇在振動(dòng)壓路機(jī)鋼輪內(nèi)側(cè)振動(dòng)馬達(dá)處，保證振動(dòng)傳感器和振動(dòng)馬達(dá)處硬連接。安裝方向D48吊環(huán)磁鐵安裝面垂直朝向地面，如圖1所示。磁鐵固定處為了確保牢固可以將表面浮土擦拭干凈將設(shè)備吸在上面同時(shí)在外圍涂一圈AB膠進(jìn)行加固確保設(shè)備不會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)脫落。

圖1 傳感器按照示意圖

CS200振動(dòng)傳感器在走線時(shí)注意要沿原車線纜有序的走入駕駛室內(nèi)接入RollBox壓電接口，保證在施工過程中線纜不被磨損和扯斷。

手扶式壓路機(jī)相較于大型的壓路機(jī)體形小很多，對(duì)于難以壓實(shí)的區(qū)域，手扶式壓路機(jī)可輕松到達(dá)。傳感器由于也屬于小型采集終端，安裝位置處于鋼輪的正上方，隨著壓路機(jī)的啟動(dòng)結(jié)束而運(yùn)行或停止。因此，既能保證壓路機(jī)的快速使用，也能保證數(shù)據(jù)采集的隨時(shí)性與實(shí)時(shí)性[3]。

將加速度傳感器采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓實(shí)度值，并通過壓實(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析處理，最后由顯示系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換后的壓實(shí)度圖譜顯示在壓路機(jī)駕駛倉的顯示屏上，指導(dǎo)壓路機(jī)駕駛員進(jìn)行碾壓作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)被壓材料的整體壓實(shí)性。

綜上所述：智能壓實(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的智能壓實(shí)度 CMV 可以用下式表示：CMV=100*A1/A0 ，然后在試驗(yàn)段用標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)度檢驗(yàn)方法測(cè)得的壓實(shí)度值和 CMV 值之間建立相關(guān)關(guān)系，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)壓實(shí)度的監(jiān)測(cè)控制。

3 壓實(shí)度與壓路機(jī)參數(shù)關(guān)系評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)分析模型

振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)地基進(jìn)行的有效壓實(shí)，主要是通過兩個(gè)方面來完成的，其一是壓路機(jī)自身的重力，等效于產(chǎn)生靜力壓實(shí)的效果，其二是偏心裝置產(chǎn)生的離心力所形成的激振作用力，產(chǎn)生振動(dòng)壓實(shí)的效果。由于振動(dòng)壓路機(jī)所具備的優(yōu)勢(shì)，能夠達(dá)到較好的壓實(shí)效果，因而應(yīng)用較普遍。

振動(dòng)產(chǎn)生的離心力為產(chǎn)生激振能量，形成連續(xù)不斷的周期振動(dòng)將振動(dòng)能量傳遞給地基土體，從而對(duì)土體施加外力作用，提升土體密實(shí)度。碾壓作業(yè)過程中，土體會(huì)受到其自身內(nèi)力和外部作用力影響。內(nèi)力是其維持自身物理屬性所存在的力；外力是外部環(huán)境對(duì)其施加的外部作用力，振動(dòng)碾壓過程中外力主要有激振力和重力作用。

由于壓實(shí)過程存在著地基土彈塑性變形、碾壓輪的跳振等干擾因素的影響，因此建立振動(dòng)壓路機(jī)力學(xué)模型通常做出幾點(diǎn)假設(shè)：

1.假設(shè)土體為具備一定剛度的彈性體，阻尼為線性阻尼；

2.壓路機(jī)的上機(jī)身、下機(jī)身簡化為具有一定質(zhì)量的質(zhì)量集中塊，不存在彈性形變；

3.在振動(dòng)碾壓過程中，假設(shè)碾壓輪與被壓面一直都保持接觸，不存在跳振的現(xiàn)象；

4.在工作過程中，激振裝置的振幅、頻率等參數(shù)保持恒定；

5.激振裝置產(chǎn)生的水平分量幾乎全部被消散，只考慮垂直方向上的激振力作用。

影響壓實(shí)效果的設(shè)備因素有振幅、頻率、碾壓速度和線載荷。動(dòng)線載荷產(chǎn)生的影響程度遠(yuǎn)超靜線載荷[4]。振幅反映的是振動(dòng)輪產(chǎn)生的激振能量對(duì)被壓材料的大小，振幅越大，產(chǎn)生的激振能量也越大，對(duì)土體的影響深度也越深，土體也越容易產(chǎn)生位移變形。但振幅過大容易造成“跳振”的現(xiàn)象，在壓實(shí)后期過大的振幅也會(huì)對(duì)已壓實(shí)的地基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，反而影響壓實(shí)效果。圖2所示為振幅、頻率與壓實(shí)效果的關(guān)系。圖中所對(duì)應(yīng)的振幅1表示大振幅，振幅2表示小振幅，壓實(shí)效果表示不同因素對(duì)被壓材料壓實(shí)度的影響程度。頻率表明單位時(shí)間內(nèi)激振能量作用于被壓材料的次數(shù)。頻率的大小需要根據(jù)被壓材料和壓實(shí)過程進(jìn)行合理選擇，在頻率過低時(shí)，被壓材料所受到的激振次數(shù)不足，導(dǎo)致整個(gè)壓實(shí)進(jìn)程效率低下[5]。當(dāng)頻率接近被壓材料的自然振動(dòng)頻率時(shí)，此時(shí)壓實(shí)作業(yè)處于共振狀況下，壓實(shí)效果最好。但當(dāng)頻率過大時(shí)，振動(dòng)劇烈導(dǎo)致工作的舒適性也較差。碾壓速度反映單位時(shí)間內(nèi)單位面積所承受激振能量的大小。速度較低時(shí)壓實(shí)效率低，浪費(fèi)時(shí)間，速度較快時(shí)，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)單位面積上接受的能量偏小，也會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)效果變差。

圖2 振幅、頻率與壓實(shí)效果的關(guān)系圖

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)壓實(shí)軌跡與壓實(shí)變數(shù)如下圖所示。通過CMV采集到壓實(shí)過程的高程、振動(dòng)頻率、振幅及CMV值如圖3與圖4所示。

圖3 實(shí)測(cè)壓路機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

壓路機(jī)壓實(shí)工藝參數(shù)(振幅、振動(dòng)頻率、碾壓速度、行駛方向)是控制振動(dòng)壓路機(jī)連續(xù)壓實(shí)工藝參數(shù)是保證壓實(shí)質(zhì)量連續(xù)檢測(cè)參數(shù)穩(wěn)定的重要措施。

早期基于路基施工工藝規(guī)范進(jìn)行的 CMV現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)壓路機(jī)以恒定的速度行駛，CMV與地基壓實(shí)度有很好的相關(guān)性，并指出 CMV值是壓路機(jī)類型、碾壓速度、行駛方向和填土性質(zhì)的函數(shù)，與地基彈性模量具有很好的一致性。

壓實(shí)檢測(cè)值（CMV）與現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)檢測(cè)結(jié)果相關(guān)性受多種因素影響，如：下臥層強(qiáng)度、試驗(yàn)設(shè)備影響深度、填料含水率、填料級(jí)配、壓路機(jī)振動(dòng)輪與碾壓層的接觸情況、壓路機(jī)行駛速度、振動(dòng)振幅、振動(dòng)頻率等因素；壓實(shí)檢測(cè)值（CMV）與含水率、壓路機(jī)振幅等多個(gè)影響因素成多元線性相關(guān)[6]。

通過壓實(shí)過程傳感器監(jiān)測(cè)得到的壓實(shí)后高程數(shù)據(jù)和CMV值可建立壓實(shí)度與CMV值之間的關(guān)系如上圖所示，在CMV增長初始階段，壓實(shí)度由91%～97%之間變化較大，這主要是壓實(shí)試樣采用的是現(xiàn)場(chǎng)回填土，土質(zhì)形狀較為復(fù)雜，不同區(qū)域回填土土質(zhì)、含水率及孔隙率等影響帶來不同的壓實(shí)度大小。觀察壓實(shí)狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，壓實(shí)度大部分穩(wěn)定在94%左右，CMV值在0.5～2之間[7]。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目的研究成果主要適用于新建變電站工程項(xiàng)目的回填土地基檢測(cè)工作，研究成果將首先明確加速度傳感器與回填土密實(shí)度的相互關(guān)系，再給出不同土質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)于檢測(cè)結(jié)果的影響與修正方法，最后形成標(biāo)準(zhǔn)化的回填地基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)價(jià)體系與施工方法。本項(xiàng)目研究成果將解決當(dāng)前回填土地基密實(shí)度難以全域、全程、準(zhǔn)確現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的現(xiàn)實(shí)工程問題，推進(jìn)輸電線路工程的綠色化革新，提升變電站工程施工質(zhì)量水平，推動(dòng)典型的智慧化施工與檢測(cè)技術(shù)的構(gòu)建。

本項(xiàng)目是國家電網(wǎng)公司響應(yīng)“智慧化施工”發(fā)展需求的嘗試，解決現(xiàn)實(shí)工程中迫切的回填土地基密實(shí)度難以全域檢測(cè)的問題。本項(xiàng)目的成果主要體現(xiàn)為對(duì)新建變電站項(xiàng)目的回填土地基提供質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)支撐，有效提升供應(yīng)端與需求側(cè)的匹配度，解決迫切的新建變電站因地基沉降而產(chǎn)生的各種病害問題。

本項(xiàng)目最終提出的回填土地基密實(shí)度檢測(cè)技術(shù)在新建變電站現(xiàn)場(chǎng)施工中具有廣泛推廣運(yùn)用的價(jià)值，能夠面向?qū)嶋H項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工需求，有效服務(wù)勘察、設(shè)計(jì)、施工等業(yè)務(wù)部門開展新建變電站回填土地基的可行性研究、方案設(shè)計(jì)、投資決策和項(xiàng)目評(píng)價(jià)。