CN102725453A - 完整性受监测的混凝土桩 - Google Patents

Abstract

提供一种基桩，具有安装在靠近且在桩尖端处的桩核心中的第一及第二张力计。第二张力计安置为基桩共线、且在基桩上离第一张力计已知且受控制的距离。进行独立张力计测量并将其传送至控制器，控制器接收来自张力计的信号并将信号与在铸造之后以及基桩设置之前初始建立的静态预压力等级进行比较。对照预期范围来检查动力测量，以评估基桩尖端完整性与其它参数。

Description

完整性受监测的混凝土桩

技术领域

相关申请交叉参考

本申请主张于2009年11月13日提交的案号为61/260，995的美国临时申请的权益，其全部内容并入本文作为参考。

本发明涉及混凝土桩以及具有预铸造于其中的量测计与传感器的结构。

背景技术

受让人已开发出具有镶嵌在桩顶部及桩尖端的张力计及加速度计的混凝土桩。也嵌入无线电以传送来自土桩的感测信号，使得土桩的驱动可在基桩安装期间被监测及/或控制。先前已知的土桩已叙述于U.S. 6，533，502 (其由佛罗里达大学开发并授权给受让人)以及US2006/0021447与US2007/0151103 (其由受让人开发)，其全部内容并入本文作为参考。 

受让人所制造的受监测土桩的测试已显示驱动时监测土桩以提供实时反馈给铁槌或起重机操作者的效能，从而选择性地控制锤打能量并最佳化基桩安装过程的效能。通过报告并提供材料中呈现的绝对允许张力读值以及范围，此信息也被用作防止过度驱动及后续的基桩故障。然而，期望有进一步的改善。

直到现在，基桩监测已被设计或特别修改以评估驱动基桩的完整性，特别是在等级以下的土桩长度的安装过程期间。因为很多时间基桩尖端是暴露于很大的、可能造成伤害的驱动及剪力下，尤其是被驱动至较坚硬的材料时，因此这是很重要的；且，除了基桩移除之外，没有可实行的方法能以视觉检查基桩伤害。由于此原因，目前缺少视觉检查能力以及为了负载承载设计目的对基桩完整性的预期，需要一种在安装期间用于基桩尖端完整性监测的简单、成本低且自动化的方法。

次外，鉴于对现在监测用于桥梁及其它结构所驱动的所有桩的向往，减少与监测所有桩相关的成本是有益的。

发明内容

提供一种基桩，具有安装在靠近且在土桩尖端处的土桩核心中的第一及第二张力计。第二张力计安置为基桩共线、且在基桩上离第一张力计已知且受控制的距离。进行独立张力计测量并将其传送至控制器，控制器接收来自张力计的信号并将信号与在铸造之后以及基桩设置之前初始建立并记录的静态预压力等级进行比较。对照预期的绝对及相对/差动范围来检查动力测量，以评估基桩尖端完整性与其它参数。 

也提供一种在驱动期间监测根据本发明制造的土桩的方法。在此，提供关于X、d、基桩长度、以及可接受压力范围、差动压力限制或是波速范围及差动限制至少其中之一的数据给控制器。在第一及第二张力计处测量预负载静态压力。将动态压力数据从第一及第二张力计传送至控制器以用于基桩驱动搥打铸疵。利用控制器，将来自第一张力计的所得动态尖端压力与参考预负载静态压力以及与来自第二张力计的对应动态参考压力进行比较，以确定差动尖端静态压力偏移与差动参考压力。对照预定限制来检查这些，以评估基桩尖端完整性。若超过限制，则将信号提供给操作者。

附图说明

当结合附图阅读时，将更清楚了解上述发明内容以及本发明优选实施例的以下详细说明。为了说明本发明的目的，具有目前较佳的实施例显示于图中。然而，应了解的是，本发明不限于所示的精确设置。

图1为根据本发明的基桩透视图。

图2为图1的基桩的尖端末端的放大图，显示垂直断裂。

图3为驱动期间的根据本发明的基桩的视图。

图4为可移除无线电模块的视图。

图4A为可移除记录模块的视图。

图5为监测基桩驱动的优选方法的流程图。

图6及图7为显示基桩驱动期间收集的土桩数据的图式，其中使用本发明检测失败发生。

具体实施方式

在以下叙述中仅为了方便但不视为限制而使用某些用词。术语 “下方”、”上方”、 “左”及 “右”表明图式中参考的方向。如本文中使用的， “A、B或C至少其中之一”的描述意指A、B或C的任一者或它们的任意组合，其中A、B及C代表本发明的重要特征。此外，除非特别指出，术语 “一”及 “一个”定义为包括一或更多的参考项。 

参照图1，显示根据本发明的基桩 10，通常利用经预压力处理的绳12以已知方式形成，并具有经界定的剖面区域14。在铸造之前，第一张力计20安置在距离尖端末端22一基桩直径d处，优选地在剖面区域14的中点。第二张力计24安置在距离尖端22固定距离X处，固定距离X优选地小于50%的土桩长度。提供相等测量的张力计20、24或张力计共线地设置，并经由位于基桩中的线26连接至储藏盒28中，所述储藏盒28在接近顶部30处凹进基桩的一侧。

在基桩10被铸造及绳12被切断之后，对其自然铸造状态而言，所形成的基桩预压力是向内拉的绳12的合力与分布在向外拉的混凝土的剖面区域14的均匀力之间的平衡或均衡状态。两种相反的力最终会平衡并达到最终基桩预压力。在距离顶部或尖端小于2d处，不会完全形成基桩预压力，而因此，在张力计20、24之间基于张力计20在距离尖端1d的位置所测量的预压力读值可能会有些微差距。如果任何事发生而打乱此平衡，会造成所测量的静态预压力向上或向下改变。若基桩10经历垂直断裂18，参考图2，则影响剖面区域及后续平衡。在最低程度，(如观看至底部)基桩10的末端将具有至少两个区块14’、14”。对每个区块14’、14”所造成的预压力将由区块剖面区域、以及存在或保留在区块14’、14”的绳12的数量来确定。 

如图2中所示，取决于以上的因素，任何相对于基桩尖端末端22的非对称断裂18将造成某种静态预压力偏移。也可以由位于核心的测量系统检测对称断裂。所测量静态预压力的完全损失表明基桩核心(绳12内测量系统的位置)可能或实际上完全从绳12分离。静态预压力的完全损失是一种极端事件，由于大量驱动期间破碎基桩尖端末端22造成的大力波反射，其最终应产生较高的抗张压力。然而，根据本发明，静态预压力的任何明显变化，特别是驱动期间压缩预负载的损失，被标注为包括垂直断裂18的基桩顶部损害的可能主要边缘指示符。然而，在基桩顶部的较大测量静态压缩力(残留压力)可能是基桩10的重量加上(图3中的16指出的)任何等级下的地表磨擦力的结果，所述地表摩擦力避免基桩10从基桩驱动铁锤32的捶打铸疵弹回。第二张力计24处的静态压力与第一张力计20测量结果的比较帮助分辨出对照残留压力状况征兆的基桩尖端损害。

根据本发明，预压力偏移量最后以更新的桩完整性因子来进行加权。在驱动过程期间，测量到的波速改变也可用于确定材料压力状况的严重性。 

在本发明之前，利用常规的以及使用早期反射的存在指出基桩尖端末端损害的更传统方法是不可能检测垂直断裂18的。这似乎也是为什么比较结果与某些情况不太相关。高张力状况造成的断裂典型地与垂直断裂具有正交方向，且不可能造成预压力状况的改变。这些断裂类型也典型地发生在距离基桩尖端更高的基桩10中，且通常可使用传统的早期反射分析方法来检测。 

根据本发明最简单的形式，两个分开且独立的张力计20、24位于/安装于桩核心靠近基桩尖端22及基桩尖端22处。第一张力计20被安置为非常靠近桩尖端22，优选地在剖面区域14的中点处距离基桩尖端22一直径d之内。第二张力计24被安置为共线且在距离基桩10的尖端22上方已知且受控制的距离X处，在朝向基桩顶部30的方向通过第一张力计20。此受控制的距离X优选地为与尖端22相距5 至20呎，且更优选地为10至15呎。实际距离X将取决于基桩设计以考虑诸如基桩直径d及整体长度之类的因素而变化。本方法利用独立的张力计测量与以距离尖端22最远的张力计24为参考测量的(静态及动态两者的)相对比较结果。调整电子器件的张力计20、24经由线26传送数据至位于储存盒28中的传送器36及可移除自驱动数据收集器/信号调整器34，所述储存盒28位于距离基桩顶部的受控制的距离与方向，优选地为2d及下方。这种受控制的距离优选地也储存在存储器中。优选地，加速度计38也与自驱动数据收集器/信号调整器34及传送器36一并包含，而可接合于储存盒28中。数据收集器34优选地为具有非易失性的存储器与电源58的可编程控制器。传送器36可为任何已知或专卖形式的无线信号传送器，且优选地例如可基于蓝芽或WiFi科技，并连接至数据收集器34以传送数据信号至远程控制器40。优选地，数据收集器34、传送器36及加速度计38与电池58一起组装为分开独立的、可移除及可再利用的无线数据接口模块42 (显示于图4中)，其可容易地在基桩10中的储存盒28中安装与移除而用于再利用，且简易的螺钉(snap-in)插头连接(或其它合适的连接)可提供用于来自张力计20、24的线26，更优选地来自与张力计20、24相关联的调整电子器件。

控制器40接收来自张力计20、24的信号，并将铸造之后以及基桩安装之前(优选地以测量)初使建立、被连续地监测的相对静态预负载压力等级、以及动力测量与预期范围进行比较，以评估基桩尖端22完整性与其它参数。 

在基桩驱动铁锤32的冲击之后，压缩波往基桩10下传播通过参考张力计24并前进固定距离(X-d)至尖端张力计20上。入射波测量之间的时间与相位延迟可用于确定与确认对照可允许范围的波速及速度。或者，当压缩波从尖端反射回到顶部通过张力计24且接着从顶部反射回到参考张力计24时，可能对来自参考张力计24的压缩波的时间或相位延迟进行测量以确认波速或速度。这提供了从基桩顶部至参考张力计24的已知固定距离以对较可能不被受损害的尖端影响的波速进行测量/确认。

无线数据接口模块42中包含的加速度计38优选地可用作参考点来测量尖端设备(张力计20、24)的相位延迟定时，从而以较高的精确度追踪/监测波速。尖端张力计20将在经测量的向下波之后立即经历反射向上力波分量。这将造成由尖端22处张力计20所测量的向下及延迟反射的向上分量波的加成。然后，这接着在利用第二张力计24为参考为向下及向上反射冲击波的非重迭峰部分的比较中进行说明。这也可用于确定基桩末端边缘的能量损失或存在的材料密度差。取决于基桩尖端土壤状况，几乎紧接着向下波的峰张力的反射张力分量的加成导致基桩尖端22在大量基桩驱动期间易受压缩力的伤害。在两个分开位置的张力计20、24测量到的动力是由测量到的张力乘上弹性材料系数乘上剖面面积14而计算。本发明依赖过去认为系数、面积及静态预压力在两个测量位置应保持相当固定(假设在剩余压力中少量的及参考追踪变异)的事实，所述比较着重在恰当的相位及面积补偿张力或力测量。监测基桩10的基桩驱动一个优选方法的流程图显示于图5中。SG1及SG2表示第一及第二张力计20、24。

起因于基桩设计变化的不同剖面面积14也可用于比较。举例而言，若图1中指出的位于张力计20、24处的区域14变化，这可通过使用每个位置的实际剖面面积来说明。在具有实心尖端的空隙桩(voided piles)的情形下，也可能使用单独的及平均的张力计测量而不是单一质量中心的参考测量。也有可能是空隙尖端条件与其它组合。 

控制器40中的比较会检查独立张力/力测量之间是否在可接受的范围内(说明以上所述的状况)。驱动期间的静态预负载压力参考等级的测量到的偏移或损失指出来自经预压力处理的绳12的混凝土材料的可能分离。不能由张力波下-上重迭解释的明显高于张力读值的预期差异可以指出由于受损害的基桩尖端22(例如图2中所示的断裂18)的剖面区域中伤害引起的改变。在任何情况下，经诊断或报告为潜在的基桩尖端22故障。    

来自具有长度80呎及尺寸d为24吋的基桩的测试数据显示于图6及图7中。为尖端张力计20指出来自静态预负载张力的张力差异，并在约900铸疵(blow)处显示急速下降(下降实际开始为每一追踪数据的铸疵892)。在约1200铸疵处总尖端故障变得明显。图7的波速测量也指出在同一点波速急速下降，相信是初始断裂开始。本系统使用尖端张力计20处的差动预压力张力测量，比先前系统提早25%预测到故障。这表示基桩已可较早被抽出并置换，或者提早不连续地驱动，可能省去新基桩，节省时间与花费。

本系统以其最简单的观念使用两个嵌入的张力计20、24，优选地具有内部连接至外部可接近的低轮廓注满安装的储存盒28的共置调整电子器件，所述储存盒28位于距离基桩顶部30下方接近两倍直径处的基桩面上，以接受自驱动仪表信号及无线数据接口模块42。可选地，另一个加速度计可位于尖端张力计20或参考张力计24下方，其可与模块42中的基桩10的顶部处的加速度计38结合使用，用于波速监测或额外波力学计算的改良精确度。或者，加速度与速度可由控制器40使用位于相隔X-d固定距离的张力计20、24产生的数据、或自其中一个张力计使用桩的顶部反射表面以及至张力计的已知距离导出。优选地使用包含传送器36的自驱动、数据接口模块42 (或者可选地，传送器或无线电可嵌入基桩中)将来自内部系统的数据从基桩10传送至控制器40，所述控制器40可以是由基桩检查员操作的手持或可携式计算机装置，来计数、记录及显示搥打冲程、铸疵以及每单位取代的铸疵、在基桩尖端22处的测量到的动态取代、在基桩顶部使用包括基桩止点的加速度计38的测量取代、测量到的峰值及剩余尖端压力、测量到的基桩10张力压力、以及追踪与记录基桩穿透并测量、追踪并记录波速，且作为电子记录装置以用于产生基桩安装与质量保证。在基桩止点状况的即将发生例子或事件中、或者若(通过波速及压力及差动张力/压力监测的组合)检测到潜在的基桩或基桩尖端故障，则控制器40也主动地示意检查者。由于无线数据接口模块42是可移除且可再利用的，与先前的内部装有仪器并被监测的基桩相比减少了制造基桩的成本。

作为另一个好处，所述系统也提供张力负载及预压力潜在损失正好超过基桩安装的建造后监测，并提供通过连接长期监测装置或与张力计20及/或24的连接的长期监测的能力，以检测测量到的张力的改变或损失。这可以指出因内部绳腐蚀或取决于状况的侵蚀的脱层 (de-lamination)。张力计20、24也提供对于包括增加测量数据完整性的某些程度的保留的垂直负载分布/负载转移的洞察力。

在本发明另一替代实施例中，如图1中指出的，优选地沿着一个或两个张力计20、24提供内部温度传感器50、52。如图4A所示，温度传感器54也位于记录模块42’中，所述记录模块42’包括处理器44、非易失存储器、温度传感器54以及电池58。记录模块42’在基桩制造之前被连接至储存盒28中。温度传感器50、52、54允许差动消除轮廓由处理器记录/产生，且处理器也在绳12被切断的时候测量并记录基桩预压力。与测量预压力一起造成的差动消除轮廓可被储存在位于基桩10中的非易失存储器56中，例如具有其中一个张力计20、24调整电子器件，或者作为安装为储存盒28的一部份的固定存储器。此外，基桩10的尺寸详细数据及伴随独特基桩10序列号的任何传感器校正数据也可被存储在存储器56中。然后这个数据在安装基桩10的期间被特定基桩10的数据接口模块42的控制器40轻易地利用。

在基桩安装期间，如以上所提到的，数据接口模块42接合于储存盒28中，且控制器40能接入存储在非易失存储器56中的基桩10独特序列号、制造及传感器取代尺寸、消除轮廓结果、传感器校正数据及基桩10预压力，其与产生压力/张力监测设置点及限制结合使用，以及检查数据趋势与关联。也可能在数据接口模块42中只包括温度传感器54，使得不需要分开的记录模块42’且数据接口模块42可具有两种功能。假如符合成本效益，记录模块42’的处理器44与非易失存储器组件可以包含于仪表调整电子器件 (加入伴随储存盒28的温度传感器54以继续提供消除监测功能)，造成记录模块42’只包括可移除电池。

本发明可与利用驱动条件驱动基桩安装的传统方法一起使用。一但驱动条件被可得自受让人的完全受监测的基桩10建立，也可能在某些被用在特定位置的基桩中使用较少的硬件。控制器40可追踪相对于用户输入参考高度数据的基桩10(绝对)尖端高度，以及相对于参考高度的动态用户记录基桩穿透数据。一旦达到用户输入的(也是指定的驱动条件)最小基桩10尖端高度，控制器40会通知操作者何时满足驱动条件或基桩止点指定的用户输入(冲程补偿)铸疵计数状况需求。可能使用如以加速度计38在基桩顶部测量的最大力(peak force)导出的速度乘上基桩阻抗来将用于老化基桩避震的效果关于搥打能量转移效能正常化。一旦使用系统设备检测到最小基桩10尖端高度及冲程补偿铸疵计数需求或基桩止点满足AND 无错误(AND no fault)状况，则确认基桩安装为成功完成。

可在控制器40上提供一种简单的(暗)-红-黄-绿光通知方案；每一种灯光代表：

错误 (损害) – 暗/红

压力 – 绿/黄/红

最小尖端高度 – 暗/黄(关闭)/绿(满足)

铸疵计数 (冲程补偿) – 暗/黄(关闭)/绿(满足)

基桩止点 – 暗/绿

其中绿色指示一切良好，黄色指示/警示安装点/限制的方法，红色指示问题。它们会自动地以连续方式通知操作者以简化结果解释。目标将是不再有错误灯光亮起，且在安装进行至完成时所有保留的灯光转为(保持)绿色(3个绿灯)，伴随基桩止点与铸疵计数其中之一。 

上述系统不受其配置之限制，且本发明范围内的许多方法可产生类似结果。结果，本发明独特地适于提供使用现有测试方法不可实现的质量控制等级。   

在本发明优选实施例被详细叙述的同时，本发明不限于上述的特定实施例，其应仅视作示范。可发展本发明的进一部修改与延伸，且所有如此修改视为在如所附权利要求定义的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种基桩，包括:

基桩绳;

位于所述绳周围的混凝土，其形成混凝土桩核心;

第一张力计及第二张力计，设置在靠近且在桩尖端处的所述桩核心中，所述第一张力计位于离所述尖端距离d 处，所述第二张力计安置为与所述桩尖端共线、且离所述桩尖端已知且受控制的距离X处;

传送器，连接至所述基桩，适于传输来自所述张力计的独立张力计测量; 以及 

控制器，其适于接收来自所述第一张力计及所述第二张力计的信号、并将所述信号与所述土桩中驱动前及/或期间建立的静止预负载压力等级进行比较以及将动力测量与预期的范围进行比较，以评估基桩顶部完整性。

2.根据权利要求1所述的基桩，其中所述受控制的距离X小于所述土桩长度的50%。

3.根据权利要求1所述的基桩，还包括与所述张力计以及所述传送器连接的自驱动数据收集器/信号调节机，所述自驱动进数据收集器/信号调节机以及所述传送器可移除地位于所述土桩的顶部处的储藏盒中。

4.根据权利要求1所述的基桩，其中所述控制器适于使用来自所述第一张力计及所述第二张力计的信号、以及与整个基桩长度有关的所述距离d以及所述受控制的距离X、或者使用距离所述基桩顶部已知距离与所述基桩连接 的加速度计来确定通过所述基桩的波速的时间或相位延迟。

5.根据权利要求1所述的基桩，其中所述控制器适于针对基桩驱动铸疵将来自所述第一张力计的动态尖端压力与起始预负载静态压力以及与来自所述第二张力计的动态压力进行比较，来确定差动尖端静态压力以及差动动态参考压力。

6.根据权利要求5所述的基桩，其中所述控制器适于对照已知限制来检查所述差动尖端静态压力以及所述差动参考压力。

7.根据权利要求5所述的基桩，其中所述控制器适于计算基桩驱动铸疵的整体基桩压力。

8.根据权利要求1所述的基桩，其中所述控制器适于针对基桩驱动铸疵将来自所述第一张力计的动态尖端压力与来自所述第二张力计的动态压力进行比较，来确定差动动态压力。

9.根据权利要求1所述的基桩，还包括位于所述基桩中的存储器，所述存储器适于存储所述土桩中测量到的预压力、土桩尺寸、量测计校正数据以及独特土桩标识的至少其中之一。

10.根据权利要求1所述的基桩，还包括连接至所述土桩的加速度计。

11.一种在驱动期间监测土桩的方法，包括:

提供基桩，所述基桩包括基桩绳、混凝土、第一张力计及第二张力计、与所述基桩连接的传送器、以及控制器，所述混凝土位于所述绳周围形成混凝土桩核心，所述第一张力计及所述第二张力计设置在靠近且在桩尖端处的所述桩核心中，所述第一张力计安置为离所述尖端距离d 处，所述第二张力计安置为与所述桩尖端共线、且离所述桩尖端已知且受控制的距离X处，所述已知且受控制的距离小于所述土桩长度的50%，所述传送器适于传输来自所述张力计的独立张力计测量，所述控制器适于接收来自所述第一张力计及所述第二张力计的信号；

提供关于X、d、所述土桩长度以及量测计校正数据与独特土桩标识至少其中之一的数据给所述控制器；

测量所述第一张力计及所述第二张力计处的预负载静态压力；

将来自所述第一张力计及所述第二张力计的压力数据传送至所述控制器，以用于基桩驱动铸疵；

使用所述控制器以将来自所述第一张力计的动态尖端压力与所述预负载静态压力以及与来自所述第二张力计的动态压力进行比较来确定差动尖端静态压力以及差动动态压力、并对照已知限制来检查所述差动尖端静态压力以及所述差动动态压力，来评估基桩尖端完整性；以及 

若超过所述限制，则提供信号。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述控制器来计算整体基桩压力并检查所述整体基桩压力是否在可接受的压力范围内。

13.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述控制器以利用所述第一张力计、所述第二张力计及连接至所述土桩的加速度计中至少其中之一的所述信号、以及关于X、d、所述土桩长度以及所述加速度计与所述土桩顶部的距离的所述数据来计算冲击波传播速度，并比较所述冲击波传播速度与所述波速差值限制。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述控制器来计算、记录并显示每个基桩驱动铸疵的冲程数据。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述控制器利用视觉指示符以用信号通知操作者状态。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述视觉指示符包括在所述差动尖端静态压力或所述差动动态压力超过所述已知限制时点亮红色指示灯光。

17.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述控制器利用用户输入取代以及参考高度数据来追踪基桩尖端高度。

18.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述控制器以计算高峰力转移与冲程，来评估基桩避震转移效能以及取得冲程补偿数值。

19.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用来自所述第二张力计的所述信号作为向下及向上反射冲击波的非重迭峰部分的参考。

20.根据权利要求11所述的方法，还包括:

使用所述张力计其中之一以测量来自所述土桩的顶部反射表面的波速。

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