變電站工程回填土壓實度快速檢測技術應用與研究

裴碧瑩 劉寅瑩

國網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展，全國的城市化程度日益提高，城市建設進程大步向前發展，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?，回填土地基的壓實質量對新建變電站的結構服役性能至關重要，良好的壓實情況能夠有效避免地基不均勻沉降，保護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?、填土疏松、壓縮性大等問題，很難滿足工程中對強度、變形、穩定性的要求。需要采取適當措施消除或減小不良回填土地基帶來的風險，確保上部結構物的安全[1]。

然而，當前回填土地基的壓實性能檢測還是基于整體回填工程完成后的有限隨機位置取樣，再運至實驗室進行相關測試。這種現有的密實度評價體系存在若干局限性。首先，有限數量的離散測點不能完整體現出整個施工全域的回填土地基壓實質量，僅能體現出局部的檢測結果，對工程的指導意義有限。其次，實驗室的相關回填土測試需要數小時或數天才能獲得測試結果，這將會嚴重影響現場的施工進度。最后，由于實驗室檢測操作繁瑣[2]，當前項目往往僅在整體地基工程完成后才施行壓實檢測，并不能及時體現出施工過程中每一層回填土的壓實質量。本項目研究是從實際工程現場存在問題和迫切解決出發，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向，以提高施工質量、降低檢測難度為目標，引導電網建設開展回填土地基創新的主動性和積極性。

2 地基壓實檢測裝置研究

地基壓實檢測裝置配備了傳感系統，結合先進的數據分析算法，可以實時監測地基壓實過程中的關鍵參數，并將數據進行實時傳輸和處理。能夠更全面、準確地了解地基的壓實質量，而不局限于傳統裝置所提供的表面信息。裝備支持實時監測當前壓實的狀態和數據的可動態查看。檢測過程簡單，啟動壓路機后數據即開始數據采集?；跀祿c壓實度對應關系分析后，能實現數據的自動換算，得出壓實度的值，提供更加詳細的數據，幫助工程師更好地評估地基的穩定性和質量，從而做出更準確的決策。

2.1 手扶式壓路機

（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）超高頻大激振力設計，使得壓實高效，驅動強勁；搭載高功率儲備的四沖程汽油發動機，油耗低、噪音小，耐久性卓越；

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

（4）標配15L大容量灑水箱，減少停機加水時間，時間有效度高。同時可選配行走輪總成，一銷實現工作狀態和轉運狀態切換，方便快捷。

2.2 CMV傳感器

傳感器配套有D48吊環磁鐵，在選擇安裝位置是要選擇在振動壓路機鋼輪內側振動馬達處，保證振動傳感器和振動馬達處硬連接。安裝方向D48吊環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備吸在上面同時在外圍涂一圈AB膠進行加固確保設備不會因為振動脫落。

圖1 傳感器按照示意圖

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

手扶式壓路機相較于大型的壓路機體形小很多，對于難以壓實的區域，手扶式壓路機可輕松到達。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，隨著壓路機的啟動結束而運行或停止。因此，既能保證壓路機的快速使用，也能保證數據采集的隨時性與實時性[3]。

將加速度傳感器采集到的電信號轉換為壓實度值，并通過壓實數據處理系統對結果進行分析處理，最后由顯示系統將轉換后的壓實度圖譜顯示在壓路機駕駛倉的顯示屏上，指導壓路機駕駛員進行碾壓作業，最終實現被壓材料的整體壓實性。

綜上所述：智能壓實系統對應的智能壓實度 CMV 可以用下式表示：CMV=100*A1/A0 ，然后在試驗段用標準壓實度檢驗方法測得的壓實度值和 CMV 值之間建立相關關系，就可以進行實時壓實度的監測控制。

3 壓實度與壓路機參數關系評價

3.1 數據分析模型

振動壓路機對地基進行的有效壓實，主要是通過兩個方面來完成的，其一是壓路機自身的重力，等效于產生靜力壓實的效果，其二是偏心裝置產生的離心力所形成的激振作用力，產生振動壓實的效果。由于振動壓路機所具備的優勢，能夠達到較好的壓實效果，因而應用較普遍。

振動產生的離心力為產生激振能量，形成連續不斷的周期振動將振動能量傳遞給地基土體，從而對土體施加外力作用，提升土體密實度。碾壓作業過程中，土體會受到其自身內力和外部作用力影響。內力是其維持自身物理屬性所存在的力；外力是外部環境對其施加的外部作用力，振動碾壓過程中外力主要有激振力和重力作用。

由于壓實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，因此建立振動壓路機力學模型通常做出幾點假設：

1.假設土體為具備一定剛度的彈性體，阻尼為線性阻尼；

2.壓路機的上機身、下機身簡化為具有一定質量的質量集中塊，不存在彈性形變；

3.在振動碾壓過程中，假設碾壓輪與被壓面一直都保持接觸，不存在跳振的現象；

4.在工作過程中，激振裝置的振幅、頻率等參數保持恒定；

5.激振裝置產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。

影響壓實效果的設備因素有振幅、頻率、碾壓速度和線載荷。動線載荷產生的影響程度遠超靜線載荷[4]。振幅反映的是振動輪產生的激振能量對被壓材料的大小，振幅越大，產生的激振能量也越大，對土體的影響深度也越深，土體也越容易產生位移變形。但振幅過大容易造成“跳振”的現象，在壓實后期過大的振幅也會對已壓實的地基結構產生破壞，反而影響壓實效果。圖2所示為振幅、頻率與壓實效果的關系。圖中所對應的振幅1表示大振幅，振幅2表示小振幅，壓實效果表示不同因素對被壓材料壓實度的影響程度。頻率表明單位時間內激振能量作用于被壓材料的次數。頻率的大小需要根據被壓材料和壓實過程進行合理選擇，在頻率過低時，被壓材料所受到的激振次數不足，導致整個壓實進程效率低下[5]。當頻率接近被壓材料的自然振動頻率時，此時壓實作業處于共振狀況下，壓實效果最好。但當頻率過大時，振動劇烈導致工作的舒適性也較差。碾壓速度反映單位時間內單位面積所承受激振能量的大小。速度較低時壓實效率低，浪費時間，速度較快時，導致單位時間內單位面積上接受的能量偏小，也會導致壓實效果變差。

圖2 振幅、頻率與壓實效果的關系圖

3.2 實測數據分析

現場實測壓實軌跡與壓實變數如下圖所示。通過CMV采集到壓實過程的高程、振動頻率、振幅及CMV值如圖3與圖4所示。

圖3 實測壓路機運動軌跡

圖4 數據對應關系

壓路機壓實工藝參數(振幅、振動頻率、碾壓速度、行駛方向)是控制振動壓路機連續壓實工藝參數是保證壓實質量連續檢測參數穩定的重要措施。

早期基于路基施工工藝規范進行的 CMV現場試驗研究，發現壓路機以恒定的速度行駛，CMV與地基壓實度有很好的相關性，并指出 CMV值是壓路機類型、碾壓速度、行駛方向和填土性質的函數，與地基彈性模量具有很好的一致性。

壓實檢測值（CMV）與現場常規檢測結果相關性受多種因素影響，如：下臥層強度、試驗設備影響深度、填料含水率、填料級配、壓路機振動輪與碾壓層的接觸情況、壓路機行駛速度、振動振幅、振動頻率等因素；壓實檢測值（CMV）與含水率、壓路機振幅等多個影響因素成多元線性相關[6]。

通過壓實過程傳感器監測得到的壓實后高程數據和CMV值可建立壓實度與CMV值之間的關系如上圖所示，在CMV增長初始階段，壓實度由91%～97%之間變化較大，這主要是壓實試樣采用的是現場回填土，土質形狀較為復雜，不同區域回填土土質、含水率及孔隙率等影響帶來不同的壓實度大小。觀察壓實狀態下的試驗數據不難發現，壓實度大部分穩定在94%左右，CMV值在0.5～2之間[7]。

4 結論

本項目的研究成果主要適用于新建變電站工程項目的回填土地基檢測工作，研究成果將首先明確加速度傳感器與回填土密實度的相互關系，再給出不同土質關鍵參數對于檢測結果的影響與修正方法，最后形成標準化的回填地基壓實質量評價體系與施工方法。本項目研究成果將解決當前回填土地基密實度難以全域、全程、準確現場檢測的現實工程問題，推進輸電線路工程的綠色化革新，提升變電站工程施工質量水平，推動典型的智慧化施工與檢測技術的構建。

本項目是國家電網公司響應“智慧化施工”發展需求的嘗試，解決現實工程中迫切的回填土地基密實度難以全域檢測的問題。本項目的成果主要體現為對新建變電站項目的回填土地基提供質量檢測技術支撐，有效提升供應端與需求側的匹配度，解決迫切的新建變電站因地基沉降而產生的各種病害問題。

本項目最終提出的回填土地基密實度檢測技術在新建變電站現場施工中具有廣泛推廣運用的價值，能夠面向實際項目現場施工需求，有效服務勘察、設計、施工等業務部門開展新建變電站回填土地基的可行性研究、方案設計、投資決策和項目評價。