变电站工程回填土压实度快速检测技术应用与研究

裴碧莹 刘寅莹

国网江苏省电力工程咨询有限公司 江苏 南京 210019

1 引言

伴随着国家的全面发展，全国的城市化程度日益提高，城市建设进程大步向前发展，需要新建越来越多的变电站工程。回填土地基作为目前新建变电站的主要地基形式，回填土地基的压实质量对新建变电站的结构服役性能至关重要，良好的压实情况能够有效避免地基不均匀沉降，保护上部变电站与土下管廊的服役安全。回填土地基因填土厚度不均匀、填土疏松、压缩性大等问题，很难满足工程中对强度、变形、稳定性的要求。需要采取适当措施消除或减小不良回填土地基带来的风险，确保上部结构物的安全[1]。

然而，当前回填土地基的压实性能检测还是基于整体回填工程完成后的有限随机位置取样，再运至实验室进行相关测试。这种现有的密实度评价体系存在若干局限性。首先，有限数量的离散测点不能完整体现出整个施工全域的回填土地基压实质量，仅能体现出局部的检测结果，对工程的指导意义有限。其次，实验室的相关回填土测试需要数小时或数天才能获得测试结果，这将会严重影响现场的施工进度。最后，由于实验室检测操作繁琐[2]，当前项目往往仅在整体地基工程完成后才施行压实检测，并不能及时体现出施工过程中每一层回填土的压实质量。本项目研究是从实际工程现场存在问题和迫切解决出发，以有效分析解决新建变电站的回填土地基施工过程中存在的问题为导向，以提高施工质量、降低检测难度为目标，引导电网建设开展回填土地基创新的主动性和积极性。

2 地基压实检测装置研究

地基压实检测装置配备了传感系统，结合先进的数据分析算法，可以实时监测地基压实过程中的关键参数，并将数据进行实时传输和处理。能够更全面、准确地了解地基的压实质量，而不局限于传统装置所提供的表面信息。装备支持实时监测当前压实的状态和数据的可动态查看。检测过程简单，启动压路机后数据即开始数据采集。基于数据与压实度对应关系分析后，能实现数据的自动换算，得出压实度的值，提供更加详细的数据，帮助工程师更好地评估地基的稳定性和质量，从而做出更准确的决策。

2.1 手扶式压路机

（1）整体铸造一体式耐磨夯板，具有良好的贴边性能和自清洁功能，使用寿命更长；

（2）超高频大激振力设计，使得压实高效，驱动强劲；搭载高功率储备的四冲程汽油发动机，油耗低、噪音小，耐久性卓越；

（3）操纵扶手采用三级减震，大大消减了振动所带来的疲劳，使得操纵更加舒适持久；

（4）标配15L大容量洒水箱，减少停机加水时间，时间有效度高。同时可选配行走轮总成，一销实现工作状态和转运状态切换，方便快捷。

2.2 CMV传感器

传感器配套有D48吊环磁铁，在选择安装位置是要选择在振动压路机钢轮内侧振动马达处，保证振动传感器和振动马达处硬连接。安装方向D48吊环磁铁安装面垂直朝向地面，如图1所示。磁铁固定处为了确保牢固可以将表面浮土擦拭干净将设备吸在上面同时在外围涂一圈AB胶进行加固确保设备不会因为振动脱落。

图1 传感器按照示意图

CS200振动传感器在走线时注意要沿原车线缆有序的走入驾驶室内接入RollBox压电接口，保证在施工过程中线缆不被磨损和扯断。

手扶式压路机相较于大型的压路机体形小很多，对于难以压实的区域，手扶式压路机可轻松到达。传感器由于也属于小型采集终端，安装位置处于钢轮的正上方，随着压路机的启动结束而运行或停止。因此，既能保证压路机的快速使用，也能保证数据采集的随时性与实时性[3]。

将加速度传感器采集到的电信号转换为压实度值，并通过压实数据处理系统对结果进行分析处理，最后由显示系统将转换后的压实度图谱显示在压路机驾驶仓的显示屏上，指导压路机驾驶员进行碾压作业，最终实现被压材料的整体压实性。

综上所述：智能压实系统对应的智能压实度 CMV 可以用下式表示：CMV=100*A1/A0 ，然后在试验段用标准压实度检验方法测得的压实度值和 CMV 值之间建立相关关系，就可以进行实时压实度的监测控制。

3 压实度与压路机参数关系评价

3.1 数据分析模型

振动压路机对地基进行的有效压实，主要是通过两个方面来完成的，其一是压路机自身的重力，等效于产生静力压实的效果，其二是偏心装置产生的离心力所形成的激振作用力，产生振动压实的效果。由于振动压路机所具备的优势，能够达到较好的压实效果，因而应用较普遍。

振动产生的离心力为产生激振能量，形成连续不断的周期振动将振动能量传递给地基土体，从而对土体施加外力作用，提升土体密实度。碾压作业过程中，土体会受到其自身内力和外部作用力影响。内力是其维持自身物理属性所存在的力；外力是外部环境对其施加的外部作用力，振动碾压过程中外力主要有激振力和重力作用。

由于压实过程存在着地基土弹塑性变形、碾压轮的跳振等干扰因素的影响，因此建立振动压路机力学模型通常做出几点假设：

1.假设土体为具备一定刚度的弹性体，阻尼为线性阻尼；

2.压路机的上机身、下机身简化为具有一定质量的质量集中块，不存在弹性形变；

3.在振动碾压过程中，假设碾压轮与被压面一直都保持接触，不存在跳振的现象；

4.在工作过程中，激振装置的振幅、频率等参数保持恒定；

5.激振装置产生的水平分量几乎全部被消散，只考虑垂直方向上的激振力作用。

影响压实效果的设备因素有振幅、频率、碾压速度和线载荷。动线载荷产生的影响程度远超静线载荷[4]。振幅反映的是振动轮产生的激振能量对被压材料的大小，振幅越大，产生的激振能量也越大，对土体的影响深度也越深，土体也越容易产生位移变形。但振幅过大容易造成“跳振”的现象，在压实后期过大的振幅也会对已压实的地基结构产生破坏，反而影响压实效果。图2所示为振幅、频率与压实效果的关系。图中所对应的振幅1表示大振幅，振幅2表示小振幅，压实效果表示不同因素对被压材料压实度的影响程度。频率表明单位时间内激振能量作用于被压材料的次数。频率的大小需要根据被压材料和压实过程进行合理选择，在频率过低时，被压材料所受到的激振次数不足，导致整个压实进程效率低下[5]。当频率接近被压材料的自然振动频率时，此时压实作业处于共振状况下，压实效果最好。但当频率过大时，振动剧烈导致工作的舒适性也较差。碾压速度反映单位时间内单位面积所承受激振能量的大小。速度较低时压实效率低，浪费时间，速度较快时，导致单位时间内单位面积上接受的能量偏小，也会导致压实效果变差。

图2 振幅、频率与压实效果的关系图

3.2 实测数据分析

现场实测压实轨迹与压实变数如下图所示。通过CMV采集到压实过程的高程、振动频率、振幅及CMV值如图3与图4所示。

图3 实测压路机运动轨迹

图4 数据对应关系

压路机压实工艺参数(振幅、振动频率、碾压速度、行驶方向)是控制振动压路机连续压实工艺参数是保证压实质量连续检测参数稳定的重要措施。

早期基于路基施工工艺规范进行的 CMV现场试验研究，发现压路机以恒定的速度行驶，CMV与地基压实度有很好的相关性，并指出 CMV值是压路机类型、碾压速度、行驶方向和填土性质的函数，与地基弹性模量具有很好的一致性。

压实检测值（CMV）与现场常规检测结果相关性受多种因素影响，如：下卧层强度、试验设备影响深度、填料含水率、填料级配、压路机振动轮与碾压层的接触情况、压路机行驶速度、振动振幅、振动频率等因素；压实检测值（CMV）与含水率、压路机振幅等多个影响因素成多元线性相关[6]。

通过压实过程传感器监测得到的压实后高程数据和CMV值可建立压实度与CMV值之间的关系如上图所示，在CMV增长初始阶段，压实度由91%～97%之间变化较大，这主要是压实试样采用的是现场回填土，土质形状较为复杂，不同区域回填土土质、含水率及孔隙率等影响带来不同的压实度大小。观察压实状态下的试验数据不难发现，压实度大部分稳定在94%左右，CMV值在0.5～2之间[7]。

4 结论

本项目的研究成果主要适用于新建变电站工程项目的回填土地基检测工作，研究成果将首先明确加速度传感器与回填土密实度的相互关系，再给出不同土质关键参数对于检测结果的影响与修正方法，最后形成标准化的回填地基压实质量评价体系与施工方法。本项目研究成果将解决当前回填土地基密实度难以全域、全程、准确现场检测的现实工程问题，推进输电线路工程的绿色化革新，提升变电站工程施工质量水平，推动典型的智慧化施工与检测技术的构建。

本项目是国家电网公司响应“智慧化施工”发展需求的尝试，解决现实工程中迫切的回填土地基密实度难以全域检测的问题。本项目的成果主要体现为对新建变电站项目的回填土地基提供质量检测技术支撑，有效提升供应端与需求侧的匹配度，解决迫切的新建变电站因地基沉降而产生的各种病害问题。

本项目最终提出的回填土地基密实度检测技术在新建变电站现场施工中具有广泛推广运用的价值，能够面向实际项目现场施工需求，有效服务勘察、设计、施工等业务部门开展新建变电站回填土地基的可行性研究、方案设计、投资决策和项目评价。