一种基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及土木工程强夯施工技术，尤其涉及一种基于激光测距与图像摄影的夯沉量识别技术。

背景技术

强夯法即强力夯实法，又称动力固结法。是利用大型履带式起重机将8-40吨的重锤从6-40米高度自由落下，对土进行强力夯实。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基或高填方路基。该工艺因设备简单、施工迅速、成本低廉、对地基加固效果明显等优势，已在多个国家、多种工程建设尤其是在公路建设、地基处理中广泛应用。作为路面结构的基础，路基承担着路面结构的自重与行车荷载，路基质量直接影响着公路结构的基础，影响着公路结构的功能发挥及使用寿命，甚至影响行车安全。作为隐蔽工程，一旦路基出现质量问题将影响整个路面结构的质量，路面修复将损耗大量人力、物力与财力。因此，在路基施工中应用强夯工艺具有重要意义。

为保证强夯施工效果，强夯施工应做好质量检测与数据记录工作。检测夯坑深度、夯击次数、夯沉量、场地隆起及下沉情况、孔隙水压力增长情况等并记录数据，加强对每批夯点加固效果的检验，保证强夯工艺质量达标。施工完毕后，应采用原位测试法、室内土工试验法等方法评价强夯效果，通过标准贯入、荷载、静力触探试验检测土体夯实后的密度、压缩模量、含水量、渗透系数等指标，确定地基承载力与地基稳定性是否满足需求。夯沉量是评价强夯质量的重要参数之一，夯沉量的测量主要依赖于测量员使用水准仪完成水准测量，测量员使用光学水准仪测量每次夯击完成后的夯沉量，重复以上步骤计算累计夯击深度，完成一系列夯击，直到沉降量满足要求。测量员需要等待脱钩器下落至锤顶锁住锤把，此时，人方可靠近立尺，人过早立尺有被脱钩器砸伤的危险，过晚就位增加夯击前等待时间影响夯击效率，施工人员较多，施工成本较高。

因此，许多工程技术人员提出了安全快捷的夯沉量测量技术。主要分为如下三种：

①人工测量辅助装置，专利(CN211256931U)提出了一种夯沉量辅助记录装置，利用防护板装置减少提前夯击对提前竖立的塔尺造成干扰，提升作业效率；

②重锤电子传感器，专利(CN205530202U)提出一种水下重锤夯击传感器，利用下落加速度计算夯击能与夯沉量；

③自动化夯击记录系统，专利(CN109190319A)利用模型模拟强夯起重机，在钢索上安装传感器采集数据，并将数据传输至计算机分析计算夯沉量。解决了人工夯沉量测量效率低、安全性差的问题；专利(CN108343050A；CN106500770A)提出全自动化夯沉量检测系统，利用电磁编码器或光学测量设备与PLC控制器结合，将钢索移动数据经过位移方程处理，实现强夯施工过程的自动监测，其中包括提锤高度、有效夯击次数、夯锤落距、夯沉量方面的自动监测。

现有技术仍然依靠人工现场记录来实现上述夯沉量的逐次记录，此过程不仅繁琐耗费人力，且数据的可信度不高，在监管不严的情况下可能出现数据造假等现象，导致施工质量降低，从而引发严重的工程质量问题。另一种方式基于夯机本身为平台的测量装置，由于地面较为松软，在夯击过程中会因振动等不可避免因素会导致强夯机下陷或震动偏移，因此，以强夯机本身作为基准的夯沉量检测方法，在实际测量过程中均会产生一定的测量误差，此误差对于施工质量的控制来说是不允许的。而现有的夯沉量检测方法，均未能解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量方法及装置，具有操作简便、测量准确、可行性高的优点，解决了现有技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量方法，包括以下步骤：

S1：在夯实点两侧安全距离内竖立测量塔杆，塔杆顶安装多功能测距仪，标定夯锤测量点；

S2：使用水准仪测量塔杆下地面高程数据与塔杆升高数据，并将数据输入工程电脑进行测量前系统校准；

S3：使用无线通讯连接工程电脑与塔杆顶端的多功能测距仪，启动测量系统建立空间测距基准。利用光学镜头对准测量位置，并进行双测距仪激光校准，并记录夯击点原始高程；

S4：强夯吊机移动至预定夯击点，多功能测距仪对准夯锤标记开始测距，并计算夯锤高度，随后释放夯锤进行夯击，随后提起夯锤过程中，多功能测距仪对夯击点进行多点测距，并记录夯击点高程；

S5：重复S4步骤进行多次夯击，测量数据通过工程电脑处理计算每次夯击的夯沉量、夯击能等数据，直到夯实深度达到预定深度。

优选的，步骤S1中所述安全距离为5-10米。

优选的，步骤S3中所述无线通讯为5G信号通讯。

优选的，步骤S5中夯沉量的计算方法是根据图像测距仪到夯击点的实测距离及水平角度变化并运用三角函数关系计算得出。

优选的，测量过程中可同时布置下一组强夯测量塔杆，测量系统可同时进行多仪器、多个测量点系统测量。

以上方法中使用的基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量设备，包括测量塔杆、多功能测距仪、工程计算机，所述测量塔杆的杆体为可伸缩杆体，所述多功能测距仪包括图像测距仪和激光测距仪，所述多功能测距仪与工程计算机通过通讯单元连接。

进一步地，夯沉量测量设备还包括强夯数据处理单元，所述强夯数据处理单元包括镜头畸变校正、振动误差校正、测量数据分析。

进一步地，所述测量塔杆底部为尖状，靠近底部侧边设置有3根支撑杆，支撑杆与测量塔杆转动连接。

进一步地，通讯单元包括5G信号通讯、GPS定位模块、预警信号反馈。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)节约成本。本专利提出的激光测距与图像摄影夯沉量识别技术成本较低，无需大量测量人员与特殊机械设备，相比于现有的人工测量方法，其施工成本更低。另外，本专利的使用也会大幅度减少强夯间歇时间缩短机械台班工作周期。

(2)测量精准。本专利提出的激光测距与图像摄影夯沉量识别技术具有良好的准确性性，通过夯击点两侧一定距离内的两个测量塔杆进行激光测距与光学摄影测距数据采集，在夯击过程中不受夯机本身移动和下沉的影响，显著提高了测量数据的稳定性。

(3)施工便利。本专利所用激光测距与图像识别技术，只需将两个测量塔杆布置在夯击点两侧，可同时对夯击坑底进行多点测量，且可在夯击作业进行中多点位实时测量夯击深度和落锤高度。

(4)安全可靠。与传统测量手段相比，本专利所提供的夯沉量识别技术，可以避免测量人员靠近夯机产生安全事故隐患。同时，激光测距与图像识别相结合，通过分析软件对数据进行综合误差分析处理，避免人为误差，测量误差仅受设备精度影响，误差范围可达微米级，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的工作流程图；

图2为强夯施工夯沉量测量设备布置图；

图3为激光测距与图像摄影夯沉量识别系统结构图；

图4为激光测距与图像测距原理图。

图中：1-夯机，11-夯锤，2-多功能测距仪，21-测量塔杆，22-工程计算机，3-待夯实区，4-夯实区；L1、L3-夯实前测距仪到标记点之间的距离，L2、L4-夯实后测距仪到标记点之间的距离，L0、Lt-两测距仪之间的距离，L-夯沉量，α、β-夯实前测距仪到标记点之间的俯角，α1、β1-夯实后测距仪到标记点之间的俯角。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

请参阅图1、2、4，基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量方法，包括以下步骤：

S1：在夯实点两侧安全距离内竖立测量塔杆，塔杆顶安装多功能测距仪，标定夯锤测量点；

S2：使用水准仪测量塔杆下地面高程数据与塔杆升高数据，并将数据输入工程电脑进行测量前系统校准；

S3：使用无线通讯连接工程电脑与塔杆顶端的多功能测距仪，启动测量系统建立空间测距基准。利用光学镜头对准测量位置，并进行双测距仪激光校准，并记录夯击点原始高程；

S4：强夯吊机移动至预定夯击点，多功能测距仪对准夯锤标记开始测距，并计算夯锤高度，随后释放夯锤进行夯击，随后提起夯锤过程中，多功能测距仪对夯击点进行多点测距，并记录夯击点高程；

S5：重复S4步骤进行多次夯击，测量数据通过工程电脑处理计算每次夯击的夯沉量、夯击能等数据，直到夯实深度达到预定深度。

实施例2：

请参阅图1、2、4，基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量方法，包括以下步骤：

S1：在夯实点两侧10米处竖立测量塔杆，塔杆顶安装多功能测距仪，标定夯锤测量点；

S2：使用水准仪测量塔杆下地面高程数据与塔杆升高数据，并将数据输入工程电脑进行测量前系统校准；

S3：使用5G基站连接工程电脑与塔杆顶端的多功能测距仪，启动测量系统建立空间测距基准。利用光学镜头对准测量位置，并进行双测距仪激光校准，并记录夯击点原始高程；

S4：强夯吊机移动至预定夯击点，多功能测距仪对准夯锤标记开始测距，并计算夯锤高度，随后释放夯锤进行夯击，随后提起夯锤过程中，多功能测距仪对夯击点进行多点测距，并记录夯击点高程；

S5：重复S4步骤进行多次夯击，测量数据通过工程电脑处理夯沉量的计算方法是根据图像测距仪到夯击点的实测距离及水平角度变化并运用三角函数关系计算得出，计算每次夯击的夯沉量、夯击能等数据，直到夯实深度达到预定深度。

测量过程中可同时布置下一组强夯测量塔杆，测量系统可同时进行多仪器、多个测量点系统测量。

实施例3：

请参阅图1、2、3、4，一种基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量设备，包括测量塔杆21、多功能测距仪2、工程计算机22，所述测量塔杆的杆体为可伸缩杆体，所述多功能测距仪包括图像测距仪和激光测距仪，所述多功能测距仪与工程计算机通过通讯单元连接。

实施例4：

请参阅图1、2、3、4，一种基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量设备，包括测量塔杆21、多功能测距仪2、工程计算机22，所述测量塔杆的杆体为可伸缩杆体，所述多功能测距仪包括图像测距仪和激光测距仪，所述多功能测距仪与工程计算机通过通讯单元连接。

沉量测量设备还包括强夯数据处理单元，所述强夯数据处理单元包括镜头畸变校正、振动误差校正、测量数据分析。

实施例5：

请参阅图1、2、3、4，一种基于激光测距与图像识别技术的夯沉量测量设备，包括测量塔杆21、多功能测距仪2、工程计算机22，所述测量塔杆的杆体为可伸缩杆体，所述多功能测距仪包括图像测距仪和激光测距仪，所述多功能测距仪与工程计算机通过通讯单元连接。

沉量测量设备还包括强夯数据处理单元，所述强夯数据处理单元包括镜头畸变校正、振动误差校正、测量数据分析。

所述测量塔杆底部为尖状，靠近底部侧边设置有3根支撑杆，支撑杆与测量塔杆转动连接。

通讯单元包括5G信号通讯、GPS定位模块、预警信号反馈。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。