技术领域
[0001] 本发明涉及强夯法地基处理技术领域，具体是一种超高能级无人机智能强夯装置和方法。
相关背景技术
[0002] 强夯法又称动力固结法，通过起重设备反复将夯锤起吊到高处，而后利用自动脱钩释放夯锤自由落下，在土中形成强大的冲击波和高应力，从而提高地基强度等。强夯法施工工艺、操作简单，适用土质范围广，加固效果显著，一般地基强度可提高2～5倍，加固影响深度大。多应用在货品堆场、码头港口、路基桥梁等工程的地基处理。
[0003] 由于强夯机是一种满载率极高的、具有突然卸载工况的、频繁作业的起重设备，因此存在着安全性和可靠性不足的缺陷。目前大多数强夯工程，作业现场的人工回填和天然地基均不可能达到起重机安全使用规程所要求的平整、坚固地面，一般而言，强夯机作业现场平整度在±300mm；承载力在0.08～0.15MPa。另一方面夯锤自由下落后，吊车一瞬间卸去荷载，吊车臂杆由于钢丝绳内应力的作用反复向后、向前大幅度的摆动，导致吊车臂杆和有关机件受到冲击，轻则使吊车有关机件提前损坏，重则臂杆向后倾翻、折杆，造成起重臂后翻事故。强夯机落锤的方式主要分为脱钩方式与非脱钩方式，脱钩方式夯锤下落后与吊钩在空中脱开，自由下落，脱钩方式需要人工挂钩，不但给作业人员带来较大的安全隐患，也降低了工作效率；非脱钩方式是夯锤在下落时不与吊钩脱开，与夯锤一起下落、提升，但此方式需要较高的技术要求，卷扬机构要具备承受冲击的能力，对制动器要求较高，并且会出现乱绳现象，夯击能损失等问题。
[0004] 现有强夯加固的最大能级受夯锤重量的起吊高度的限制，一般不超过30000kN·m。随着大规模工程建设的发展，对地基加固深度的要求越来越高，传统的强夯方法达不到加固要求。如何有效提高强夯加固的能级，是亟需解决的技术难题。
具体实施方式
[0062] 下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
[0063] 实施例1：
[0064] 一种超高能级无人机智能强夯装置，包括无人机1、夯锤3、控制系统2；
[0065] 所述无人机1的工作状态包括运输状态和工作状态；
[0066] 当无人机1处于运输状态时，夯锤3搭载在无人机1的投锤舱11内；
[0067] 当无人机1处于工作状态时，投锤舱11打开，与无人机1连接的夯锤3对地面进行强夯；
[0068] 所述无人机1监测地面信息数据，并传输至控制系统2；
[0069] 所述控制系统2监测环境信息，并基于环境信息，对原始夯锤落点位置进行修正，得到修正坐标位置；
[0070] 所述控制系统2控制无人机运行到修正坐标位置，并控制无人机1工作。
[0071] 无人机距离地面的高度通过搭载在无人机1底板外侧的3D扫描仪12获取。
[0072] 所述无人机1搭载有北斗卫星定位系统13；
[0073] 所述北斗卫星定位系统13用于对无人机1进行定位。
[0074] 所述无人机1搭载有钢丝绳15、自锁挂钩16、自动转轴、所述夯锤3通过自锁挂钩16与钢丝绳15连接；
[0075] 所述钢丝绳15通过自动转轴实现伸出或收回。
[0076] 所述投锤舱11内布置有用于固定夯锤3的夯锤挂架。
[0077] 所述环境信息包括风向、风速；
[0078] 所述风向、风速通过风向风速测试仪23获取。
[0079] 所述无人机1搭载有无线数据传输系统14；
[0080] 所述控制系统搭载有无线发射接收系统；
[0081] 所述无人机1通过无线数据传输系统14、无线发射接收系统与控制系统2通信。
[0082] 对原始夯锤落点位置进行修正的步骤包括：
[0083] 1)计算空气阻力F，即：
[0084] F＝0.5ρV2SCd (1)
[0085] 式中，V代表物体相对于空气速度，ρ代表空气密度，S代表物体迎风面积，Cd代表风阻系数；
[0086] 2)设定比例系数k＝0.5ρSCd，并将比例系数k分解为竖直方向比例系数k1、水平方向比例系数k2；
[0087] 3)构建夯锤下落距离H与时间的函数关系，即：
[0088]
[0089] 式中，m为夯锤重量；g为重力加速度；t为时间；
[0090] 4)构建夯锤水平偏离距离s与时间的函数关系，即：
[0091]
[0092] 式中，m为夯锤重量；
[0093] 5)基于夯锤水平偏离距离与时间的函数关系，对原始夯锤落点位置进行修正。
[0094] 所述夯锤3包括排气孔31、吊梁32、钢筋33、混凝土34、钢板35；
[0095] 所述混凝土34、钢筋33填充在封闭的钢板35内，组成夯锤本体；
[0096] 所述夯锤本体上开设有多个排气孔31；
[0097] 所述吊梁32固定在夯锤本体上，用于与自锁挂钩16连接。
[0098] 实施例2：
[0099] 一种超高能级无人机智能强夯装置，包括无人机1、夯锤3、控制系统2；
[0100] 所述无人机1的工作状态包括运输状态和工作状态；
[0101] 当无人机1处于运输状态时，夯锤3搭载在无人机1的投锤舱11内；
[0102] 当无人机1处于工作状态时，投锤舱11打开，与无人机1连接的夯锤3对地面进行强夯；
[0103] 所述无人机1监测地面信息数据，并传输至控制系统2；
[0104] 所述控制系统2监测环境信息，并基于环境信息，对原始夯锤落点位置进行修正，得到修正坐标位置；
[0105] 所述控制系统2控制无人机运行到修正坐标位置，并控制无人机1工作。
[0106] 实施例3：
[0107] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2，进一步的，无人机距离地面的高度通过搭载在无人机1底板外侧的3D扫描仪12获取。
[0108] 实施例4：
[0109] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑3任一项，进一步的，所述无人机1搭载有北斗卫星定位系统13；
[0110] 所述北斗卫星定位系统13用于对无人机1进行定位。
[0111] 实施例5：
[0112] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑4任一项，进一步的，所述无人机1搭载有钢丝绳15、自锁挂钩16、自动转轴、
[0113] 所述夯锤3通过自锁挂钩16与钢丝绳15连接；
[0114] 所述钢丝绳15通过自动转轴实现伸出或收回。
[0115] 实施例6：
[0116] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑5任一项，进一步的，所述投锤舱11内布置有用于固定夯锤3的夯锤挂架。
[0117] 实施例7：
[0118] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑6任一项，进一步的，所述环境信息包括风向、风速；
[0119] 所述风向、风速通过风向风速测试仪获取。
[0120] 实施例8：
[0121] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑7任一项，进一步的，所述无人机1搭载有无线数据传输系统14；
[0122] 所述控制系统搭载有无线发射接收系统；
[0123] 所述无人机1通过无线数据传输系统14、无线发射接收系统与控制系统2通信。
[0124] 实施例9：
[0125] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑8任一项，进一步的，对原始夯锤落点位置进行修正的步骤包括：
[0126] 1)计算空气阻力F，即：
[0127] F＝0.5ρV2SCd (1)
[0128] 式中，V代表物体相对于空气速度，ρ代表空气密度，S代表物体迎风面积，Cd代表风阻系数；
[0129] 2)设定比例系数k＝0.5ρSCd，并将比例系数k分解为竖直方向比例系数k1、水平方向比例系数k2；
[0130] 3)构建夯锤下落距离H与时间的函数关系，即：
[0131]
[0132] 4)构建夯锤水平偏离距离s与时间的函数关系，即：
[0133]
[0134] 式中，m是夯锤重量。
[0135] 5)基于夯锤水平偏离距离与时间的函数关系，对原始夯锤落点位置进行修正。
[0136] 实施例10：
[0137] 一种超高能级无人机智能强夯装置，技术内容同实施例2‑9任一项，进一步的，所述夯锤3包括排气孔31、吊梁32、钢筋33、混凝土34、钢板35；
[0138] 所述混凝土34、钢筋33填充在封闭的钢板35内，组成夯锤本体；
[0139] 所述夯锤本体上开设有多个排气孔31；
[0140] 所述吊梁32固定在夯锤本体上，用于与自锁挂钩16连接。
[0141] 实施例11：
[0142] 一种基于实施例1‑10任一项所述超高能级无人机智能强夯装置的施工方法，包括以下步骤：
[0143] S1、通过控制系统设置施工信息，并获取风速；所述施工信息包括本次工程全部夯点位置坐标、单次夯击能力、夯锤类型、夯击次数；
[0144] 所述控制系统基于施工信息确定无人机飞行高度及指定夯点位置坐标，并发出指令，启动无人机；
[0145] S2、无人机启动后，载着夯锤起飞，通过北斗卫星定位系统定位到指定夯点位置坐标处；
[0146] S3、3D扫描仪进行初始数据测量，测量地面信息数据，并将数据通过无线发射系统传输到控制系统；
[0147] S4、控制系统的主服务器21对接收到的数据进行数据分析，得到夯锤附近地面绝对坐标，高程；
[0148] S5、进行强夯施工，无人机打开投锤舱门，夯锤下落，砸向地面，完成一次夯击；
[0149] S6、夯击完成后，自动转轴启动，收回钢丝绳，夯锤被拉起，存放到无人机上；
[0150] S7、再次进行夯锤附近地面距离数据测量，并将数据通过无线发射系统传输到控制系统；
[0151] S8、主服务器对夯锤施工数据进行分析，是否夯击次数、最后两击的平均沉降量、总沉降量和夯锤附近地面隆起量数据满足设计要求；若满足设计要求确认此夯点完成夯击工作，为终夯；若未满足设计要求，则重复步骤S5)‑步骤S8)；
[0152] S9、转至下一夯点，重复按照步骤S2)‑步骤S8)，直至全部夯点完成夯击工作，场地范围内强夯法地基处理施工结束。
[0153] 实施例12：
[0154] 一种超高能级无人机智能强夯装置，包括无人机，夯锤，控制系统；所述夯锤与无人机连接，所述无人机将测量数据传输到控制系统，所述控制系统发出指令指导无人机工作；所述无人机包括3D扫描仪、北斗卫星定位系统、夯锤挂架、投锤舱、钢丝绳、自锁挂钩、自动转轴和无线数据传输系统；所述夯锤通过所述自锁挂钩与所述钢丝绳连接，所述钢丝绳可通过所述自动转轴伸出或收回，所述3D扫描仪置于无人机底板外侧，所述北斗定位系统与所述3D扫描仪连接，所述无线传输系统可将北斗定位系统与3D扫描仪测量数据传输到控制系统；所述控制系统还包括无线发射接受系统，主服务器，风向风速测试仪和落点修正系统，夯锤下落高度H，下落后由于风阻导致重锤水平偏离距离s，s通过公式自动计算。
[0155] 空气阻力公式为F＝0.5ρV2SCd，V代表物体相对于空气速度，ρ代表空气密度，S代表物体迎风面积，Cd代表风阻系数，当选定夯锤后，系统会自动显示出对应的水平方向和下落方向物体迎风面积和风阻系数，设定比例系数k，k＝0.5ρSCd，此时空气阻力大小就可以写2
成kv ，则竖直方向比例系数k1，物体竖向运动速度v1，水平方向比例系数k2，物体水平方向
2
运动速度v2，风速v3，竖直方向由牛顿第二定律可得，mg‑k1v1 ＝ma，所以可以写出如下非线性微分方程： 初始时刻速度为0，最终得到下落距离与时间的
函数关系： 水平方向由牛顿第二定律可得
所以可以写出如下非线性微分方程： 最终得到水平偏离距离
与时间的函数关系： 风速根据风速测试仪测取的当天实际情况进行
录入。
[0156] 所述3D扫描仪为雷达扫描仪，超远距离测量，测量距离不小于1000m。
[0157] 所述夯锤3还包括排气孔31、吊梁32、钢筋33、C30混凝土34、钢板35，所述排气孔31上下贯通，设置4个，所述夯锤3底部为圆形。
[0158] 所述夯锤3可根据实际工程需要选择，有锥形夯锤4，圆台形夯锤。
[0159] 实施例13：
[0160] 参考图1，本实施例提供了一种超高能级无人机智能强夯装置，包括无人机1、夯锤2和控制系统3。无人机1采用大型货运无人机，最大载重量达5吨。若起吊高度1000m，最大夯击能达50000KN·m。夯锤2依靠强大的夯击能夯实土层，在未夯击时置于无人机1的投锤舱
11内，通过夯锤挂架固定。自锁挂钩16连接夯锤2和钢丝绳15,自锁挂钩16再将夯锤2固定后进行自锁，防止夯锤2夯击过程中脱落，造成安全事故。钢丝绳15可通过自动转轴伸出或收回，使夯锤2免于脱钩，提升夯击效率。3D扫描仪12采用雷达扫描，能够进行超远距离测量，测量距离不小于1000m，3D扫描仪12置于无人机1底板外侧，可检测角度120°，具有较高的分辨率，穿透性强，可穿透灰尘、烟雾、雨和雾等遮蔽物，精准的测量夯锤附近地面距离数据，北斗定位系统13与3D扫描仪12连接，北斗定位系统13能够获取无人机1的位置坐标与绝对高程，无线传输系统14将北斗定位系统13与3D扫描仪12测量数据传输到控制系统2。控制系统还包括无线发射接受系统，主服务器，风向风速测试仪和落点修正系统，无线发射系统用来接收无人机测量的数据，将测量数据传输到主服务器，主服务器进行数据处理，得到夯锤
2附近地面的绝对坐标，高程，无线发射系统同时可进行指令发送，指导无人机工作。当一次夯击完成后，3D扫描仪再次进行数据测量，并通过无线发射系统传输到控制系统，主服务器通过对比两次数据得到沉降量。落点修正系统，夯锤下落高度H，下落后由于风阻导致重锤水平偏离距离s，s通过公式自动计算。
[0161] 具体地，空气阻力公式为F＝0.5ρV2SCd，V代表物体相对于空气速度，ρ代表空气密度，S代表物体迎风面积，Cd代表风阻系数，当选定夯锤后，系统会自动显示出对应的水平方向和下落方向物体迎风面积和风阻系数，设定比例系数k，k＝0.5ρSCd，此时空气阻力大小2
就可以写成kv ，则竖直方向比例系数k1，物体竖向运动速度v1，水平方向比例系数k2，物体
2
水平方向运动速度v2，风速v3，竖直方向由牛顿第二定律可得，mg‑k1v1＝ma，所以可以写出如下非线性微分方程： 初始时刻速度为0，最终得到下落距离
与时间的函数关系： 水平方向由牛顿第二定律可得
所以可以写出如下非线性微分方程：
最终得到水平偏离距离与时间的函数关系： 风速根据风速测试仪测
取的当天实际情况进行录入。根据计算得水平偏离距离s后调整无人机投锤位置，保证夯锤精准落到夯点。
[0162] 具体地，参照图3，夯锤3还包括排气孔31、吊梁32、钢筋33、C30混凝土34、钢板35，钢板35为外壳，内部架设钢筋33，保证夯锤3结构稳定，里面填充C30混凝土34，可增加夯锤3载重的同时节约成本，可通过控制C30混凝土34量改变夯锤3质量，夯锤3底面为圆形，定位方便，重合性好，排气孔31上下贯通，可以吸收夯击时产生的气体，减小夯击力的损失，同时减小夯锤底面的真空吸附力，排气孔孔径设置30cm。
[0163] 一种超高能级无人机智能强夯方法，包括以下步骤：
[0164] S1、控制系统设置，在主服务器上输入本次工程全部夯点位置坐标，单次夯击能力，夯锤类型，夯击次数，风速等，控制系统发出指令启动无人机；
[0165] S2、无人机启动，无人机载着夯锤起飞，通过北斗卫星定位系统定位到指定坐标处，飞行高度根据主服务器设置的单次夯击能和夯锤类型确定，飞机的平面坐标要考虑夯锤落点位置偏离修正，保证夯锤下落到设计落点处；
[0166] S3、初始数据测量，3D扫描仪进行初始数据测量，测量夯锤附近地面距离数据，并将数据通过无线发射系统传输到控制系统；
[0167] S4、数据处理，主服务器将接受到的数据进行数据分析，得到夯锤附近地面绝对坐标，高程；
[0168] S5、进行强夯施工，无人机打开投锤舱门，夯锤下落，砸向地面，完成一次夯击；
[0169] S6、夯击完成后，自动转轴启动，收回钢丝绳，夯锤被拉起，存放到无人机上；
[0170] S7、再次进行夯锤附近地面距离数据测量，并将数据通过无线发射系统传输到控制系统；
[0171] S8、主服务器对夯锤施工数据进行分析，是否夯击次数、最后两击的平均沉降量、总沉降量和夯锤附近地面隆起量数据满足设计要求；若满足设计要求确认此夯点完成夯击工作，为终夯；若未满足设计要求，重复S5‑S8；
[0172] S9、转至下一夯点按照S2‑S8重复步骤进行，直至全部夯点完成夯击工作，场地范围内强夯法地基处理施工结束。
[0173] 实施例14：
[0174] 参考图1，本实施例提供了一种超高能级无人机智能强夯装置，包括无人机1、夯锤2和控制系统3。无人机1采用大型货运无人机，最大载重量达5吨。若起吊高度1000m，最大夯击能达50000KN·m。夯锤2依靠强大的夯击能夯实土层，在未夯击时置于无人机1的投锤舱
11内，通过夯锤挂架固定。自锁挂钩16连接夯锤2和钢丝绳15,自锁挂钩16再将夯锤2固定后进行自锁，防止夯锤2夯击过程中脱落，造成安全事故。钢丝绳15可通过自动转轴伸出或收回，使夯锤2免于脱钩，提升夯击效率。3D扫描仪12采用雷达扫描，能够进行超远距离测量，测量距离不小于1000m，3D扫描仪12置于无人机1底板外侧，可检测角度120°，具有较高的分辨率，穿透性强，可穿透灰尘、烟雾、雨和雾等遮蔽物，精准的测量夯锤附近地面距离数据，北斗定位系统13与3D扫描仪12连接，北斗定位系统13能够获取无人机1的位置坐标与绝对高程，无线传输系统14将北斗定位系统13与3D扫描仪12测量数据传输到控制系统2。控制系统还包括无线发射接受系统，主服务器，风向风速测试仪和落点修正系统，无线发射系统用来接收无人机测量的数据，将测量数据传输到主服务器，主服务器进行数据处理，得到夯锤
2附近地面的绝对坐标，高程，无线发射系统同时可进行指令发送，指导无人机工作。当一次夯击完成后，3D扫描仪再次进行数据测量，并通过无线发射系统传输到控制系统，主服务器通过对比两次数据得到沉降量。落点修正系统，夯锤下落高度H，下落后由于风阻导致重锤水平偏离距离s，s通过公式自动计算。
[0175] 具体地，空气阻力公式为F＝0.5ρV2SCd，V代表物体相对于空气速度，ρ代表空气密度，S代表物体迎风面积，Cd代表风阻系数，当选定夯锤后，系统会自动显示出对应的水平方向和下落方向物体迎风面积和风阻系数，设定比例系数k，k＝0.5ρSCd，此时空气阻力大小2
就可以写成kv ，则竖直方向比例系数k1，物体竖向运动速度v1，水平方向比例系数k2，物体
2
水平方向运动速度v2，风速v3，竖直方向由牛顿第二定律可得，mg‑k1v1＝ma，所以可以写出如下非线性微分方程： 初始时刻速度为0，最终得到下落距离
与时间的函数关系： 水平方向由牛顿第二定律可得
所以可以写出如下非线性微分方程：
最终得到水平偏离距离与时间的函数关系： 风速根据风速测试仪测
取的当天实际情况进行录入。根据计算得水平偏离距离s后调整无人机投锤位置，保证夯锤精准落到夯点。
[0176] 具体地，参照图4，夯锤采用锥形夯锤4，在地基处理的深层部位开始填料，将锥形夯锤提升至指定位置并释放，以高动能对孔底和填料进行冲、夯和侧向挤压的高压强、强挤密的夯击作业。
[0177] 一种超高能级无人机智能强夯方法，包括以下步骤：
[0178] S1、控制系统设置，在主服务器上输入本次工程全部夯点位置坐标，单次夯击能力，夯锤类型，夯击次数，风速等，控制系统发出指令启动无人机；
[0179] S2、无人机启动，无人机载着夯锤起飞，通过北斗卫星定位系统定位到指定坐标处，飞行高度根据主服务器设置的单次夯击能和夯锤类型确定，飞机的平面坐标要考虑夯锤落点位置偏离修正，保证夯锤下落到设计落点处；
[0180] S3、初始数据测量，3D扫描仪进行初始数据测量，测量夯锤附近地面距离数据，并将数据通过无线发射系统传输到控制系统；
[0181] S4、数据处理，主服务器将接受到的数据进行数据分析，得到夯锤附近地面绝对坐标，高程；
[0182] S5、进行强夯施工，无人机打开投锤舱门，夯锤下落，砸向地面，完成一次夯击；
[0183] S6、夯击完成后，自动转轴启动，收回钢丝绳，夯锤被拉起，存放到无人机上；
[0184] S7、再次进行夯锤附近地面距离数据测量，并将数据通过无线发射系统传输到控制系统；
[0185] S8、主服务器对夯锤施工数据进行分析，是否夯击次数、最后两击的平均沉降量、总沉降量和夯锤附近地面隆起量数据满足设计要求；若满足设计要求确认此夯点完成夯击工作，为终夯；若未满足设计要求，重复S5‑S8；
[0186] S9、转至下一夯点按照S2‑S8重复步骤进行，直至全部夯点完成夯击工作，场地范围内强夯法地基处理施工结束。
