技术领域
[0001] 本
发明涉及
水电工程施工中的堆石坝密度测试领域，特别是一种堆石体密度测试系统。
背景技术
[0002] 工程中用于测定堆石坝坝料密度的方法主要有试坑法、
压实沉降观测法、振动碾安装
加速度计法、控制碾压参数法、面波法、核子密度法及附加
质量法等。其中坑测法，它是堆石体密度检测的传统方法，结果准确，但检测效率低、代表性差、费时、费
力、耗资大，且具有破坏性，是一种以点带面的方法，难以客观、全面地反映大坝填筑整体质量。面波法由于密度的变化对频散曲线影响较小，且该方法对1.0m以内的表层检测误差大，因此目前面波法难以解决堆石体密度测定问题；核子密度法由于具有
放射性，现场要求具有严格的防护措施，且其检测要求为最大粒径不超过40mm、有效深度不超过200mm的小粒径介质，实际应用有很大的局限性，附加质量法由于目前没有比较好的解决参振质量m0、
刚度K、坝料
波速与坝料密度的关系，因此测试结果存在比较大的误差。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种堆石体密度测试系统，可以实现堆石体密度的快速无损测试，且具有省时、省力、快捷、无损、准确率高等优点。
[0004] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种堆石体密度测试系统，它包括:
[0007] 位于承压板一侧的用于提供激振力的激振锤；
[0010] 本系统的测试方法结合堆石体填筑前期碾压试验进行；
[0011] 碾压试验每种坝料至少具有四种碾压遍数，以使其密度有一个变化梯度；
[0012] 碾压试验应采用与施工时期相同的振动碾及
振动压实工艺参数，且铺料方式应一致；
[0013] 碾压试验的坝料介质、
含水量及填筑厚度与后续施工段相同；
[0014] 堆石体应是透水性较好的坝料，渗透系数应不小于i×10-2，且小于0.075mm粒径的含量不宜超过5％，且最大粒径不应超过800mm；
[0015] 每种碾压参数组合下的测点数量不少于6组，且每种层厚坝料松铺下的测点数量不少于6组；
[0016] 测试时，将承压板(4)平放在铺平细砂的测点上，承压板(4)尺寸应根据坝料铺料层厚度D及坝料最大粒径确定，厚度不小于0.03D；将检波器与振动频率测试仪正确连接，打开振动频率测试仪，设置好
信号采集参数，当ΔT＝90.703μs、Δf＝0.168Hz、fm<80Hz时，选N＝1024或Tp为93ms能够得出较佳的振动体系振动频率f；其中ΔT为
采样间隔，Δf为频率
分辨率，fm为
模拟信号最高频率，N为取样点数，Tp为时间域信号的裁选长度；
[0017] 提起激振锤2距离地面0.2m，使其能够自由下落于承压板4旁坝料上激振锤距离承压板约15cm，且激振锤下也应该铺设2cm细砂，振动频率测试仪5能自动记录测试信号，并进行FFT变换，得到
频谱曲线并保存该曲线，至少选取两个激振点，每个激振点获取2条相似的曲线，进行频域分析得出在该附加质量下表面坝料的体系振动频率f，求取体系振动频率f平均值；采用坑测法求出该点位下的坝料干密度ρ,建立体系振动频率f与堆石体干密度的关系曲线，得出堆石体干密度线性解析式。
[0018] 所述的承压板和配重块为圆柱体。
[0019] 所述的激振锤重量为40-60kg。
[0020] 所述的激振锤边缘距离承压板边缘150～1000mm。
[0021] 所述的检波器为速度型检波器。
[0022] 承压板与堆石体之间设有15～25mm的细砂。
[0023] 激振锤与堆石体之间铺设有15～25mm的细砂。
[0024] 附加质量法的测试原理：设堆石土测点的振动规律符合质量、
弹簧模型。为测量堆石土的参振质量m0、刚度K，须在测点加上适当的刚性质量体△m，△m称为振动体系的附加质量。设振动体系的位移函数。依据单
自由度弹簧体系的振动理论，其振动方程和刚度有如下表达式：
[0025] md2Z/dt2+KZ＝0 (1)
[0026] K＝mω2 (2)
[0027] 式中：Z——振动位移函数；
[0028] t——振动时间；
[0029] ω——体系振动圆频率；
[0030] K——体系动刚度；
[0031] m——振子质量。
[0032] 依据单自由度理论模型，将附加质量、压板等效为一根弹簧(参见图1、图2)，实际构造的数学模型与理想模型的差别在于弹簧体上，弹性堆石体是具有质量和体积的，而理想模型弹簧体是没有质量和体积的，为了解决这个因素，将振动单子改成一个可随时改变的等差质量体Δm(附加质量)，测出各级质量下所对应的振动频率f，根据f与Δm的关系，即可求得压板下的参振质量m0、刚度K；然后，应用信号相关分析技术求取测点间纵波波速VP、应用信号相关分析和小波分析技术求取横波波速VS。根据测得的基底介质刚度K、参振质量m0、纵波波速VP、横波波速VS、面波波速VR，代入
基础振动的弹性半空间模型解析式或无限弹性介质公式计算密度。
[0033] 1)动力基础弹性半空间模型密度解析式
[0034]
[0035] 2)无限弹性介质模型密度解析式
[0036]
[0037] 解析式的理论依据明确、数学推导严密、计算简单，但是由于土石介质为固相(土粒骨架)、液相(孔隙水)、气相(孔隙中的体积)三相结构，与完全弹性介质有一定的差异，且测试得出的波速是土体中哪个部位的波速，在理论上还没有确定，同时随着附加质量的降低，其测试振动频率f的
精度也随之降低；通过上述介绍，可见使用附加质量附加法求解密度在理论上是可行的，可是在实际应用中，该方法并没有解决密度的求解问题。
[0038] 以下是本发明的测试原理：在堆石体开始碾压时，由于填料比较疏松，可将其近似看作一个松软的弹塑性体。在其上振动时，受到的反作用力较小，基本作正弦运动。随着振动碾压实工作的进行，填充料的密实度和
弹性模量不断增加，所以表面坝料与配重块组成的体系振动频率f也在不断增大，因此，体系振动频率f与堆石体干密度之间存在着一定的相关关系；从而可以通过测试体系振动频率f的变化以求解堆石体的干密度；为测试体系振动频率f，须在堆石体测点承压板上加适当的刚性质量体△m，△m称为振动体系的配重块，将检波器粘结在配重块上，那么有一个振动源，即可测试出表面坝料、承压板、配重块所组成的体系振动频率f，然后在该处进行坑测法试验以测试堆石体干密度，即可建立体系振动频率f与堆石体干密度的关系曲线，得出堆石体干密度线性解析式。
[0039] 本发明提供的堆石体密度测试系统，具有省时、省力、快捷、无损、准确率高的优点。
附图说明
[0040] 下面结合附图和
实施例对本发明作进一步说明。
[0041] 图1是本发明系统的整体结构示意图。
[0042] 图2是附加质量法的理论模型。
[0043] 图3是附加质量法的构造数学模型。
[0044] 图4是体系振动频率～干密度关系曲线图。
[0045] 图中：检波器1，激振锤2，配重块3，承压板4，振动频率测试仪5，振动土体6，堆石体7。
具体实施方式
[0046] 如图1中，一种堆石体密度测试系统，它包括:
[0047] 安放在堆石体7表面的承压板4；
[0048] 堆叠在承压板4上的配重块3；
[0049] 位于承压板4一侧的用于提供激振力的激振锤2；
[0050] 安装在配重块3上表面的检波器1；
[0051] 检波器1与振动频率测试仪5电连接。
[0052] 优选的，所述的承压板4和配重块3为圆柱体。
[0053] 优选的，所述的激振锤2重量为40-60kg。
[0054] 优选的，所述的激振锤2边缘距离承压板4边缘150～1000mm。
[0055] 优选的，所述的检波器1为速度型检波器。
[0056] 优选的，承压板4与堆石体7之间设有15～25mm的细砂。
[0057] 优选的，激振锤2与堆石体7之间铺设有15～25mm的细砂。
[0058] 采用本发明的测试方法：
[0059] 1、测试方法应满足的条件：
[0060] 1)该方法宜结合堆石体填筑前期碾压试验进行；
[0061] 2)碾压试验每种坝料至少具有四种碾压遍数，以使其密度有一个变化梯度；
[0062] 3)碾压试验应采用与施工时期相同的振动碾及振动压实工艺参数，且铺料方式应一致；
[0063] 4)碾压试验的坝料介质、含水量及填筑厚度与后续施工段相同；
[0064] 5)堆石体应是透水性较好的坝料，渗透系数应不小于i×10-2，且小于0.075mm粒径的含量不宜超过5％，且最大粒径不应超过800mm；
[0065] 6)每种碾压参数组合下的测点数量不少于6组，且每种层厚坝料松铺下的测点数量不少于6组，因此每种厚度碾压参数下的样本总数量不应少于30组，满足正态分布最小样本数量。
[0066] 2、现场测试方法：
[0067] 1)在所选的测点上，平整场地；
[0068] 2)在堆石体7表面铺上2cm左右的细砂以作藕和用；
[0069] 3)将承压板4平放在铺平细砂的测点上，承压板4尺寸应根据坝料铺料层厚度D及坝料最大粒径确定一般应满足下式 厚度不小于0.03D；
[0070] 4)将检波器1粘合在承压板4中央，检波器1一般为28HZ、40HZ、60HZ、100HZ其具体型号视地基固有频率而定；
[0071] 5)将配重块3均匀地置于承压板4上，配重块3重量应根据用易得到稳定的、重复性好的体系振动频率f为宜；
[0072] 6)将检波器1与振动频率测试仪5正确连接，打开振动频率测试仪5，设置好信号采集参数，且通过试验研究发现当ΔT＝90.703μs、Δf＝0.168Hz、fm<80Hz时，选N＝1024或Tp为93ms能够得出较佳的振动体系振动频率f；其中ΔT为采样间隔，Δf为频率分辨率，fm为模拟信号最高频率，N为取样点数，Tp为时间域信号的裁选长度；
[0073] 7)提起激振锤2距离地面0.2m，使其能够自由下落于承压板4旁坝料上，激振锤距离承压板约15cm，且激振锤下也应该铺设2cm左右细砂，振动频率测试仪5能自动记录测试信号，并进行FFT变换，得到频谱曲线并保存该曲线，至少选取两个激振点，每个激振点获取2条相似的曲线，进行频域分析得出在该附加质量下表面坝料的体系振动频率f，求取体系振动频率f平均值；
[0074] 8)采用坑测法求出该点位下的坝料干密度ρ。
[0076] 试验结果分析方法采用相关法，分别将每种层厚、不同碾压遍数的坝料测得体系振动频率f与灌水法求出的干密度ρ进行回归分析，以确定回归系数a、b及相关系数R。一般得出的相关系数R≥0.7，属于相关性强，能够满足密度的求解问题。相关程度参考准则详见表1：
[0077] 表1相关程度参考准则
[0078]相关系数的绝对值 相关程度 相关系数的绝对值 相关程度
0.9～10.0 相关性非常强 0.5～0.7 相关性弱
0.7～0.9 相关性强 ＜0.5 相关性非常弱
[0079] 4、结果验证：
[0080] 结合碾压试验复核场次，将现场测试得出的体系振动频率f代入回归公式得出干密度ρ，然后与坑测法对比，已验证其准确度。
[0081] 5、工程案例：
[0082] 以下是某水利工程面板堆石坝堆石体采用体系振动频率f测试成果详见表2及图4。
[0083] 表2上游堆石料体系振动频率f与干密度回归分析表
[0084]
[0085] 通过以上数据，可以确定体系振动频率与堆石体干密度相关系数R大于0.9，属于高相关，因此采用本发明的测试系统求解堆石体密度是可行的，且由于本系统仅需测试体系振动频率f，所以测试时间比附加质量法进一步缩短，每个测试点仅需5～10min。
