一种基于空气锤能量输入的动力贯入试验杆长修正方法及装置与流程

本发明涉及岩土工程勘察中原位测试，尤其涉及一种基于空气锤能量输入的动力贯入试验杆长修正方法及装置。

背景技术：

1、动力触探试验与标准贯入试验作为岩土工程勘察中广泛采用的原位测试手段，其基本原理是通过规定质量的穿心锤自由下落锤击探杆顶部，将冲击能量经探杆传递至地下探头，通过记录贯入预定深度所需的锤击数（n值）来评估土体的密实度、承载力及液化潜能等力学参数。该方法因设备简单、操作便捷、适应性地层广而获得普遍应用。

2、然而，传统方法隐含一个理想化假设，即穿心锤的额定势能能够无损地通过探杆传递至探头并全部用于克服土体阻力。实际上，应力波在长距离探杆中传播时存在显著的能量损耗，主要包括：（1）探杆材料的弹性变形与材料阻尼；（2）应力波传播过程中的几何扩散衰减；（3）探杆与周围土体间的侧壁摩擦；（4）应力波在探杆接头处因波阻抗不匹配引起的反射与透射损失。这些损耗导致探头实际接收的有效能量远小于初始锤击能量，且损耗随杆长增加呈非线性增长，从而导致实测n值系统性偏大，严重影响对深部土层力学性质的准确判断。

3、为修正上述系统误差，工程实践中普遍采用基于统计经验的杆长修正系数（如《岩土工程勘察规范》gb50021-2001(2009)中所列）。然而，此类经验公式存在明显局限性：其一，其多源于特定地区或特定土质条件下的统计结果，物理机制不明确，普适性差；其二，无法反映具体工程中探杆状态（如接头磨损、杆身弯曲）及地层条件（如高摩阻层、软黏土）对能量损耗的细微影响，修正结果过于笼统。

4、为克服经验修正的不足，自20世纪70年代起，研究者逐步发展了基于应力波理论的实测能量法（如astm d4633-16）。该方法通过在探杆顶部安装应变与加速度传感器，测量应力波与速度波，进而计算输入探杆顶部的实际能量。尽管该方法实现了能量从“理论值”到“测量值”的进步，但仍存在关键技术瓶颈：无法精确量化能量在沿杆传播过程中的损耗。现有手段仅能从探杆顶部获取能量输入信息，若不沿杆布置传感器阵列，则无法直接测定探头处的实际能量。此外，传感器本身的频率响应、安装状态及信号漂移等问题也会引入难以校准的系统误差，导致该方法本质上仍是以“不确定的测量值”替代“不确定的理论值”，未能从根本上解决能量损耗的定量描述与能量基准的溯源问题。

5、综上所述，当前动力贯入能量测量与修正技术主要面临以下问题：（1）经验修正公式缺乏明确的物理机制，适用性受限；（2）现有实测能量法无法实现对沿杆能量损耗的精确量化与能量基准的有效溯源。因此，亟需开发一种能够在同一钻孔内直接标定探头处能量、并随深度动态获取基准数据的新方法，以突破现有技术瓶颈，提升动力贯入测试的精度与可靠性。

技术实现思路

1、为解决背景技术中所提出的技术问题，本发明提供一种基于空气锤能量输入的动力贯入试验杆长修正方法及装置。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、本发明提出的一种基于空气锤能量输入的动力贯入试验杆长修正方法，包括以下步骤：

4、步骤s1、装置准备与初始设置：将探测孔预钻至目标深度，在探杆系统的顶部安装用于测量加速度和应变的传感器，并在探杆系统的底部探头处安装一个能输入已知能量的空气锤，作为基准能量源；

5、步骤s2、交替锤击与数据采集：在所述探杆系统贯入过程中，于一个测试深度区间内，交替执行以下两种作业：

6、（1）传统锤击作业：使用穿心锤对探杆顶部进行锤击，同时通过所述顶部传感器采集加速度时程曲线和应变时程曲线，并记录该锤击序列产生的总贯入度；

7、（2）空气锤锤击作业：启动空气锤进行锤击，直至空气锤将探头贯入至与传统锤击作业进程相同的深度，并记录总锤击次数n；

8、步骤s3、锤击能量计算：基于步骤s2采集的数据，分别计算传统锤击作用下传递至探头的实际有效能量，以及空气锤作用下传递至探头的基准能量；

9、步骤s4、计算杆长修正系数：基于步骤s3计算得到的和，计算该测试深度区间的杆长修正系数= ；

10、步骤s5、建立沿杆长的自适应修正模型：重复步骤s2至s4，获取不同深度处的杆长修正系数值，以此序列建立以深度为自变量、以杆长修正系数为因变量的函数模型，用于对动力贯入试验进行杆长修正。

11、进一步的，所述步骤s2的传统锤击与空气锤锤击在同一深度区间内连续交替进行，且在两类作业之间保持探杆姿态与入土深度不变。

12、进一步的，在步骤s3中，所述计算传统锤击的有效能量，具体包括：

13、通过探杆的本构关系、和速度积分将探杆顶部采集到的应变信号和加速度信号转化为力信号；

14、通过数学积分和频域相位偏移，将所述探杆顶部的应力和速度换算至探头处的应力和速度，进而得到探头处能量的实际值。

15、进一步的，在步骤s3中，所述计算空气锤锤击的基准能量包括：将每一击的能量输入记为，其中为穿心锤重量，为重力加速度，为穿心锤落距，总基准能量为。

16、进一步的，在步骤s5中，建立函数模型通过数值拟合方法实现，函数模型为指数衰减函数、多项式函数或分段函数中的一种。

17、进一步的，计算杆长的损耗能量，将的实测值可与的基准值对比，能够检测故障，且故障包括但不限于：探杆的接头是否松动、探杆的杆身是否弯曲。

18、进一步的，通过计算推导出力波和速度波的曲线，通过基于一维弹性杆波动理论和频域相位偏移和时域叠加：，其中为探杆波阻抗，为探杆密度，为应力波在杆中传递的波速，为应力波从杆顶传播至探头处的时间，为杆长，反算得到探头处的力波，该力波即近似等于动态土体阻力，进而得到土的静态承载力，能够为传统的仅依靠经验值查表获得土体的物理性质、工程性质及力学性质的手段提供数值依据。

19、进一步的，所述空气锤的冲击能量是通过控制其内部气压和活塞行程进行标定与控制的，所述已知能量为标定后的的确定值。

20、进一步的，由于在相同的测试深度区间内，假设土体阻力均匀，贯入相同深度所需的总能量相等，即总能量消耗与锤击数成正比；

21、对于传统锤击作业，每次锤击传递至探头的有效能量为，锤击数为，因此总有效能量为；

22、由于贯入相同深度，土体阻力相同，总能量消耗相等，故有：，即得到=。

23、本发明还提出了一种用于实现上述方法的装置，装置包括：

24、探杆系统，其底部连接有探头；

25、空气锤，安装在所述探杆系统的底部，用于提供已知的基准冲击能量；

26、传感器组，包括加速度传感器和应变传感器，安装在所述探杆系统的顶部，用于在锤击过程中采集振动信号；

27、数据采集与处理单元，与所述传感器组连接，被配置为执行以下操作：

28、接收并记录所述传感器组在传统锤击和空气锤锤击下采集的信号；

29、执行所述的能量计算、效率与修正系数计算、以及建立自适应修正模型的步骤。

30、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

31、1、实现探头处能量的直接、绝对标定：通过在探杆底部安装已知能量的空气锤作为“基准源”，首次实现了对探头处有效能量的直接、绝对标定。杆长修正系数来源于物理实验对比，具有明确的物理机制，从根本上克服了传统经验公式物理意义不清、适用性差的问题。

32、2、测试效率高、成本低：所有标定与测试数据均来自同一钻孔，无需钻设昂贵的对比孔，显著节约了成本与时间，同时避免了因钻孔位置差异引起的地层空间变异性对数据对比的干扰，提高了数据的一致性与可靠性。

33、3、修正精度高、适应性强：通过建立随深度连续变化的杆长修正函数模型，能够动态反映特定场地、探杆系统及地层条件下的能量损耗规律，修正精度远高于传统的固定经验值，尤其适用于深厚复杂地层的测试需求。

34、4、提供能量传递效率剖面，支撑机理研究：本发明所获得的不仅是单一修正值，而是随深度连续变化的“能量传递效率剖面”，为研究能量损耗与杆长、地层性质、探杆状态之间的关联规律提供了前所未有的数据支撑，使修正模型建立在清晰的物理机制之上。

35、5、兼容性强、便于推广：本发明方法逻辑清晰，可与现有动力触探设备相结合进行升级，无需更换整套系统，为解决长期困扰岩土工程的杆长修正难题提供了全新的、可靠的定量化解决方案，具备广泛的工程应用前景。