一种轻便电磁式高能量强夯设备、方法及应用

摘要

本发明公开一种轻便电磁式高能量强夯设备、方法及应用，其设备是将电磁铁组件设于外套筒上方，冲击杆设于外套筒内，冲击锤组件设于外套筒下方，外套筒内侧壁设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；冲击杆顶部设有勾环。其方法是在冲击杆下落撞击冲击锤的过程中，通过多级电磁加速线圈电磁作用实现冲击杆加速，从而提高其冲击能量及速度。该设备应用于土木工程中地基加固，其总重量不到具有相同夯击能的传统强夯设备的1/10，且所占空间大为减小，可更好地解决或改进动力固结法工程应用中施工设备笨重、运输困难、施工速度受限、成本高、耗能较高、设备使用受空间局限等问题，促进其高效、环保、安全性与更广泛的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程的地基动力加固技术，特别涉及一种轻便电磁式高能 量强夯设备、方法及应用。

背景技术

动力固结法是国家行业规范及地方规范中基本的地基加固处理方法之一。 其加固地基的机理是利用各种动力荷载使土体原有结构被破坏后，土粒重新排 列，最后达到一个较为密实、稳定的新结构。一般而言，该法主要包括强夯法、 强夯置换法和重锤夯实法。

其中，强夯法和强夯置换法相似，是将很重的夯锤（一般为50～400kN， 最重的为2000kN左右）起吊到高处（一般为6～30m）后自由落下，对土体 进行强力夯实，以提高其强度、降低其压缩性的一种地基加固方法。重锤夯实 法是将重锤（>20kN）起吊至一定的高度（>4m）后，使其自由下落，利用重 锤下落的冲击能来夯实地基浅层土体。这几种方法中，起吊重锤用的起重机械 通常采用履带式起重机、龙门架等。

然而，在实际施工中，上述方法均存在如下相关问题：

（1）施工设备笨重（至少数十吨以上）、运输困难、施工速度受限、成本 高。由于夯锤较重，而起重能力一般为锤重的2～3倍以上，故在夯锤与起重机 械设备等进退场的拆解分装、运输、重新组装中，其操作非常困难、耗时且费 钱；而在施工中须在各夯点间移动重锤、确定夯点后各击间须将重锤提升相当 高度（通常8～20m）均较费时，工效较低，施工成本也高；

（2）耗能较高，不够环保，且由于高处自由落体夯击时容易造成飞石伤 人的现象，其施工安全性低（故要求非强夯施工人员，不得进入夯点30m范 围内）；

（3）因施工设备体积大，特别是起重机械占用空间大，在多种空间受限 的场合（如高压线下及附近、地下空间工程、已支撑基坑内等）均无法实施。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对土木工程的现场地基加固， 提供一种轻便电磁式高能量强夯设备，该设备结构简单轻便，可实现较高的冲 击能量，能更方便快速地应用于地基加固。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述设备实现的轻便电磁式高能量 强夯方法。

本发明的又一目的在于提供一种上述轻便电磁式高能量夯击设备的应用。

本发明的技术方案为：一种轻便电磁式高能量强夯设备，包括电磁铁组件、 冲击杆、外套筒、电磁加速线圈和冲击锤组件，电磁铁组件设于外套筒上方， 冲击杆设于外套筒内，冲击锤组件设于外套筒下方，外套筒内侧壁上设有多级 电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统；冲击杆的直径为 300mm～800mm，冲击杆顶部两侧设有勾环。其中，冲击杆的直径可以按照实 际强夯高能量的不同需求进行选择，冲击杆顶部两侧的勾环作提升用，配合起 吊机构使用。

所述冲击锤组件包括冲击锤垫、夯锤和缓冲垫，夯锤通过螺栓锁紧固定于 冲击锤垫底部；冲击锤组件静止安放于夯点时，外套筒套入冲击锤垫的直线段； 为了减少冲击锤垫与外套筒之间的碰撞或摩擦，冲击锤垫与外套筒底部的相接 处设置缓冲垫。其中，夯锤的型号或规格可以根据待加固地基的实际需要进行 更换。一般情况下，冲击锤组件中，冲击锤垫的顶部直径相应于冲击杆直径（一 般为300mm～800mm），夯锤直径可取1.8m～2.8m，夯锤底面需有一定刚度。

所述冲击锤组件中，冲击锤垫为一体式结构，包括由上至下依次连接的直 线段、倾斜段和平板段，直线段嵌入外套筒内部，倾斜段与外套筒底部相接， 平板段与夯锤固定连接。

所述冲击杆为一体式的圆柱状结构，靠近冲击杆顶部的外侧面带有倾斜 面，勾环设于倾斜面上。由于冲击杆一般较重，为了方便电磁铁组件吸起冲击 杆，勾环的设置是为了配合起重设备吊起冲击杆以供电磁铁组件吸住用。

所述冲击杆可为单一材料的磁性杆，或为多个磁性段与非磁性段交替连接 组成的一体式拼接杆；

当冲击杆为单一材料的磁性杆，冲击杆的长度小于吸盘式电磁铁与外套筒 内位于最顶部的电磁加速线圈之间的距离（即当电磁加速线圈有多级时，冲击 杆的长度小于吸盘式电磁铁与一级电磁加速线圈之间的距离，可提供较高效的 电磁作用力）；

当为多个磁性段与非磁性段交替连接组成的一体式拼接杆，冲击杆包括多 个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于冲 击杆最顶端的为磁性段；磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。其中， 磁性段用于响应其对应的下部电磁线圈作用，非磁性段用于使得磁性段与电磁 线圈间有一段距离以产生确定方向的作用力。

所述电磁铁组件包括电磁铁支座和吸盘式电磁铁，电磁铁支座通过支撑柱 固定于外套筒上方，吸盘式电磁铁固定于电磁铁支座中部，设于外套筒内的冲 击杆对应位于吸盘式电磁铁下方；吸盘式电磁铁上设置电磁铁接线柱，电磁铁 接线柱外接电路控制系统。通过电路控制系统向吸盘式电磁铁供电或断电，从 而使吸盘式电磁铁产生磁力吸住或释放冲击杆。

作为一种优选方案，所述电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级电磁 加速线圈、二级电磁加速线圈和三级电磁加速线圈；外套筒的外壁上设有多个 线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外接电路控制系 统。根据待加固地基的实际需要，电磁加速线圈的级数可以酌量增加或减少。

本发明通过上述设备实现一种轻便电磁式高能量强夯方法，包括以下步 骤：

（1）冲击开始前，冲击锤组件安设于夯点，外套筒的下部套入冲击锤组 件，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的冲 击杆；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放冲 击杆，使冲击杆运动撞击冲击锤组件；

冲击杆下落的过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级 电磁加速线圈放电，逐步提高冲击杆的冲击速度；

（3）冲击杆运动至外套筒底部时，撞击冲击锤组件（其中下部夯锤初始 已接触夯点地基表面），进而夯击地基，实现地基加固。

上述轻便电磁式高能量强夯设备应用于土木工程的地基加固。

本设备可单独使用，通过人工操作实现吸盘式电磁铁及各级电磁加速线圈 的通断电，电路控制系统可采用传统的开关电路系统。

本设备也可结合计算机智能操作系统使用，从而使其智能化程度更高，计 算机智能操作系统可选用美国国家仪器（NI）公司所开发的LabVIEW平台实 现。将本设备结合计算机智能操作系统进行地基加固时，根据待加固地基的位 置（夯点），将设备安放定位，然后通过计算机智能操作系统控制吸盘式电磁 铁及各级电磁加速线圈的通断电。另外，还可在冲击锤垫上设置压力传感器， 在地基加固过程中，通过压力传感器采集冲击锤的冲击力并自动送入计算机智 能操作系统，计算机智能操作系统自动生成数据对比并分析，实时调节电磁加 速垫圈的通断电以改变冲击杆的冲击速度，从而使冲击力更符合地基加固需 要。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本轻便电磁式高能量强夯设备（作为一种施工装置）及方法相对于传统的 夯击方法，可更好地解决或改进处理动力固结法工程应用中施工设备笨重、运 输困难、施工速度受限、成本高、耗能较高、设备使用受空间局限等问题，有 力促进其高效、快速、环保、安全性与更广泛的应用。具体表现为：

（1）采用电磁式分级加速冲击杆的下落，可有效提高冲击杆的冲击速度 和冲击能量；

（2）通过各级电磁加速线圈的接通或关闭及冲击电量大小的调节控制， 实现冲击能量与速度的可控及可调性，可模拟不同量级的冲击；通过更换夯锤 的规格，可适用不同地基的需要，使用时在现场安装即可，使用方便快捷；

（3）本轻便电磁式高能量强夯设备的总重量不到传统强夯设备的十分之 一，可有效降低施工时移位与进退场搬运及拆装成本；另外，由于其所占空间 小，还能在受限施工空间中使用，克服了传统强夯设备不能使用的困境；

（4）可将本设备结合计算机智能系统实时操作控制，相关高精度定量的 力学数据及波形可同步得到并显示及保存，使用方便，智能化程度高；

（5）作为本设备的动力源是普通的市电，满足方便、安全、环保等各个 方面要求。

（6）经试验证明，本轻便电磁式高能量强夯设备已实现的实测冲击力为 冲击杆重量的1000倍以上。

附图说明

图1为本轻便电磁式高能量强夯设备的原理示意图。

图2为本轻便电磁式高能量强夯设备的结构示意图。

图3为本轻便电磁式高能量强夯设备中冲击杆的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实 施方式不限于此。

实施例

本实施例一种轻便电磁式高能量强夯设备，如图1或图2所示，包括电磁 铁组件1、冲击杆2、外套筒3、电磁加速线圈4和冲击锤组件5，电磁铁组件 设于外套筒上方，冲击杆设于外套筒内，冲击锤组件设于外套筒下方，外套筒 内侧壁上设有多级电磁加速线圈，各级电磁加速线圈分别外接电路控制系统； 冲击杆的直径为300mm～800mm，冲击杆顶部两侧设有勾环。其中，冲击杆的 直径可以按照实际强夯高能量的不同需求进行选择，冲击杆顶部两侧的勾环作 提升用，配合起吊机构使用。

如图2所示，冲击锤组件包括冲击锤垫5-1、夯锤5-2和缓冲垫5-3，夯锤 通过螺栓锁紧固定于冲击锤垫底部；冲击锤组件静止固定于外套筒底部时，冲 击锤垫的直线段嵌入外套筒内部；为了减少冲击锤垫与外套筒之间的碰撞或摩 擦，冲击锤垫与外套筒底部的相接处设置缓冲垫。其中，夯锤的型号或规格可 以根据待加固地基的实际需要进行更换。一般情况下，冲击锤组件中，冲击锤 垫的顶部直径相应于冲击杆直径（一般为300mm～800mm），夯锤直径可取 1.8m～2.8m，夯锤底面需有一定刚度。

冲击锤组件中，冲击锤垫为一体式结构，包括由上至下依次连接的直线段、 倾斜度和平板段，直线段嵌入外套筒内部，倾斜段与外套筒底部相接，平板段 与夯锤固定连接。

如图3所示，冲击杆为一体式的圆柱状结构，靠近冲击杆顶部的外侧面带 有倾斜面，勾环7设于倾斜面上。由于冲击杆一般较重，为了方便电磁铁组件 吸起冲击杆，勾环的设置是为了配合起重设备吊起冲击杆以供电磁铁组件吸住 用。

根据实际需要，冲击杆可为单一材料的磁性杆，也为多个磁性段与非磁性 段交替连接组成的一体式拼接杆；

当冲击杆为单一材料的磁性杆，冲击杆的长度小于吸盘式电磁铁与外套筒 内位于最顶部的电磁加速线圈之间的距离（即当电磁加速线圈有多级时，冲击 杆的长度小于吸盘式电磁铁与一级电磁加速线圈之间的距离，可提供较高效的 电磁作用力）；

当为多个磁性段与非磁性段交替连接组成的一体式拼接杆，冲击杆包括多 个磁性段和非磁性段，磁性段和非磁性段交替连接并组成一体式结构，位于冲 击杆最顶端的为磁性段；磁性段的材质为钢或铁，非磁性段的材质为铝。其中， 磁性段用于响应其对应的下部电磁线圈作用，非磁性段用于使得磁性段与电磁 线圈间有一段距离以产生确定方向的作用力。

如图2所示，电磁铁组件包括电磁铁支座1-1和吸盘式电磁铁1-2，电磁 铁支座通过支撑柱6固定于外套筒上方，吸盘式电磁铁固定于电磁铁支座中 部，设于外套筒内的冲击杆对应位于吸盘式电磁铁下方；吸盘式电磁铁上设置 电磁铁接线柱，电磁铁接线柱外接电路控制系统。通过电路控制系统向吸盘式 电磁铁供电或断电，从而使吸盘式电磁铁产生磁力吸住或释放冲击杆。

本实施例作为一种优选方案，电磁加速线圈有三级，由上至下分别为一级 电磁加速线圈4-1、二级电磁加速线圈4-2和三级电磁加速线圈4-3；外套筒的 外壁上设有多个线圈接线柱，各级电磁加速线圈分别通过对应的线圈接线柱外 接电路控制系统。根据待加固地基的实际需要，电磁加速线圈的级数可以酌量 增加或减少。

通过上述设备实现一种轻便电磁式高能量强夯方法，包括以下步骤：

（1）冲击开始前，冲击锤组件安设于夯点，外套筒的下部套入冲击锤组 件，电路控制系统向电磁铁组件供电，电磁铁组件产生磁力吸住外套筒中的冲 击杆；

（2）冲击开始时，电路控制系统对电磁铁组件断电，电磁铁组件释放冲 击杆，使冲击杆运动撞击冲击锤组件；

冲击杆下落的过程中，电路控制系统向多级电磁加速线圈逐级供电，各级 电磁加速线圈放电，逐步提高冲击杆的撞击速度；

（3）冲击杆运动至外套筒底部时，撞击冲击锤组件，进而夯击地基，实 现地基加固。

上述轻便电磁式高能量强夯设备应用于土木工程的地基加固。

本设备可单独使用，通过人工操作实现吸盘式电磁铁及各级电磁加速线圈 的通断电，电路控制系统可采用传统的开关电路系统。

本设备也可结合计算机智能操作系统使用，从而使其智能化程度更高，计 算机智能操作系统可选用美国国家仪器（NI）公司所开发的LabVIEW平台实 现。将本设备结合计算机智能操作系统进行地基加固时，根据待加固地基的位 置（夯点），将设备安放定位，然后通过计算机智能操作系统控制吸盘式电磁 铁及各级电磁加速线圈的通断电。另外，还可在冲击锤垫上设置压力传感器， 在地基加固过程中，通过压力传感器采集冲击锤的冲击力并自动送入计算机智 能操作系统，计算机智能操作系统自动生成数据对比并分析，实时调节电磁加 速垫圈的通断电以改变冲击杆的冲击速度，从而使冲击力更符合地基加固需 要。

在本实施例中，本设备结合计算机智能操作系统使用，以采用N级电磁 加速线圈为例，电路控制系统采用220V的交流电，经桥式整流器直接整流为 直流，直流电压高达450V（可根据需求配元件调整）。450V电压有N组1F 电容储能（每组可由多个电容储能器并串联构成，同时可根据需求配元件调整） 然后依次向N组电磁加速线圈放电，相应获得大电流（可根据需求配元器件 调整电流值），N级加速的时间间隔由计算机智能操作系统自动调整，使冲击 杆的速度逐步提高，避免电容过度放电产生反拉力，最终使冲击杆获得最高速 度及能量；冲击杆则沿导向方向高能量撞击冲击锤组件。若需要测量荷载，可 由冲击锤垫上的压力传感器（可以采用螺旋或其它固定方式与带螺旋孔的冲击 锤垫紧固连接，若处于冲击锤垫上部，则需加一可动平衡钢瓦）直接测量。在 一般情况下，冲击锤组件中，冲击锤垫的顶部直径可取300mm～800mm，夯锤 的直径可取1.8m～2.8m。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例， 并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰， 都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。