CN103195107B

CN103195107B - 便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置

Info

Publication number: CN103195107B
Application number: CN 201310075074
Authority: CN
Inventors: 唐辉明; 易贤龙; 雍睿; 谭钦文; 李长冬; 代先尧; 王娇; 梁德明
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: CN103195107A

Abstract

一种便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，包括支撑机构、监测机构和人机交互平台；所述支撑机构包括四根长度可调的支柱；所述监测机构包括监测梁和一对监测臂，一对监测臂分别与监测梁的两端铰接、可绕监测梁在水平面上转动，监测梁、一对监测臂中部分别开有至少两个孔槽，用于设置测距传感器，监测梁和一对监测臂的底部均开有空腔，所述四根支柱分别与监测梁的两端底部和一对监测臂的自由端底部铰接并可置于空腔内；所述人机交互平台与监测机构可拆卸连接，人机交互平台包括显示屏和工作台，工作台与测距传感器的信号输出端连接，用于接收测距传感器测量信号和输入的测距传感器水平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏显示。

Description

便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置

技术领域

本发明涉及预制桩的测斜，具体的指一种用于灌入过程中的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置。

背景技术

目前，由于场地不平、坡度较大、打桩机本身倾斜、稳桩不力等原因，桩基，尤其是预制桩在灌入过程中经常会产生不同程度的倾斜。桩基倾斜过大会影响其承载力，甚至使桩基报废，造成巨大的经济损失。因此，研制一种能够实时监测桩基发生偏斜时倾角和倾向的仪器显得尤为重要。

在本发明之前，桩基倾斜度的测量一般分为间接法和直接法两类。间接法包括瑞雷波法、倾斜回波法、模拟法、弹性波法以及吊锤法等；直接法则包括测斜仪法、井径仪法、陀螺仪法等。几种主要方法简介如下：

（1）2001年，李延辉提出了一种利用瑞雷波检测桩斜的方法。该方法利用不同频率的瑞雷波相速度的变化反映出在深度方向的介质特性，而频散曲线与地下介质结构存在着内在关系。基于瑞雷波在层状介质中的频散特性提出的瑞雷波检测桩斜方法，其可行性得到了试验验证；

（2）2002年，邓业灿等人提出了一种桩基倾斜无损检测方法，即倾斜回波法。其过程为在桩头施加一瞬时作用力后，使受力的质点产生振动而形成各种弹性波，利用安装在桩头上的传感器检测并处理信号得到时程曲线、振幅谱曲线和桩底反射系数，根据这些数据判断出桩基是否倾斜以及倾斜的方向；

（3）测斜仪是目前使用时间较长、应用较多的桩基测斜仪器，如SR-IM便携式数字管桩测斜仪是目前国内专用于管桩测斜的仪器。它是针对基坑支护的预应力管桩，在基坑开挖前将测斜管插入到管桩孔内，并在测斜管和管桩孔之间灌入填充材料，使测斜管同管桩同步发生侧移变形，然后根据对变形前后的数据监测与分析得到偏斜值；

（4）井径仪也是当今桩基测斜较常用的装置，如灌注桩测斜中常见的JJY-2、JJY-5型井径仪等。其孔斜的测试是利用原用于钻孔灌注桩成孔质量检测探管中的垂直度检测装置（测斜仪）进行的，即在管桩的内孔尝试连续多点测量其顶角，再根据所测得的顶角计算内孔的垂直度即可得到管桩的垂直度变化情况，从而得到偏斜值的大小和方向；

（5）公开号为CN102425192A的中国专利申请《桩基倾斜实时监测预警系统》中，将测斜传感器和陀螺仪传感器安装在桩基上，和桩基一起打入地下，并通过导线引出，连接到信号采集器上，以此对桩基倾斜进行实时监测；

上述现有技术确实在一定程度上解决了桩基测斜的问题，并在各种桩基偏斜检测中得到了较为可靠的数据，基本满足了各类型桩基测斜的需要。但目前的桩基测斜技术主要还存在如下问题：

（1）精度不够高。尤其对于间接法测斜（如上述瑞雷波法、倾斜回波法），由于弹性波在桩身传播时因桩体材料不均匀、裂隙较多等常见因素很容易导致波在传播方向上的偏差，进而导致测得的数据并不可信；

（2）适用范围较局限。上述测斜方法的应用对象具有局限性，如测斜仪法和井径仪法都只适用于预制管桩而不能用于预制实体桩；

（3）操作较为繁琐。如测斜仪使用时需要在测斜管和管桩孔间填充材料；再如井径仪使用时需安装滑轮测井电缆、直流绞车等装置；

（4）直接法的测试元件在预制桩灌入过程中随时可能发生脱落或损坏，一旦损坏，测试仪器将不能使用，导致后续预制桩灌入过程产生的偏斜将无法得到控制；

（5）成本较高。井径仪和陀螺仪测斜装置都有较高的成本，使测斜工作的应用范围受到资金、成本的影响；

（6）自动化、同步化程度不高。现有技术中很少能满足实时监测，如弹性波法只能测得桩基瞬时的偏斜情况，而无法对桩基的偏斜进行实时、连续的检测；

（7）可重复使用性不高。例如上述测斜仪法和井径仪法，使用过的测斜管一般都不可再次使用，否则会引起测量结果的较大误差；

（8）加工、维修较困难。某些结构较复杂的仪器（如陀螺仪），在使用时一旦损坏则需要到指定的厂家、维修店维修，现场一般无法修复，同时造成了工期的延误和成本的增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，能够对圆形或圆环形截面的预制桩进行倾向、倾角的高精度实时测量，同时，设备成本低、操作简单、拆卸方便、便于携带运输，并可重复使用。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，包括支撑机构、监测机构和人机交互平台；所述支撑机构包括四根长度可调的支柱；所述监测机构包括监测梁和一对监测臂，一对监测臂分别与监测梁的两端铰接、可绕监测梁在水平面上转动，监测梁、一对监测臂中部分别开有至少两个孔槽，用于设置测距传感器，监测梁和一对监测臂的底部均开有空腔，所述四根支柱分别与监测梁的两端底部和一对监测臂的自由端底部铰接并可置于空腔内；所述人机交互平台与监测机构可拆卸连接，人机交互平台包括显示屏和工作台，工作台与测距传感器的信号输出端连接，用于接收测距传感器测量信号和输入的测距传感器水平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏显示。

上述技术方案中，所述监测梁由两部分拼接组成。

进一步地，所述组成监测梁的两部分呈凸凹配合，拼接处通过拼接插锁固定。

上述技术方案中，所述支柱由至少两根金属杆件嵌套构成，各金属杆件上均设置有卡孔，用于支柱的长度调节和固定。

上述技术方案中，所述一对监测臂的自由端分别设有监测臂回收固定插锁，用于回收状态下监测臂自由端与监测梁的固定。

上述技术方案中，所述一对监测臂的铰接端分别设有监测臂工作固定插锁，用于工作状态下监测臂与监测梁的垂直固定。

上述技术方案中，所述测距传感器为激光测距传感器或者超声波测距传感器。

上述技术方案中，所述显示屏和工作台与监测梁为可拆卸连接。

上述技术方案中，所述人机交互平台还包括水准仪，用于工作状态下监测机构的调平。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）监测精度高。尤其是采用高精度的激光测距传感器或者超声波测距传感器时，测量误差能够控制在0.1mm范围，能精确计算出预制桩的倾向和倾角；

（2）适用性广泛。既能对预制实体桩进行监测，也适用于预制管桩；

（3）操作过程简单。利用本装置进行监测时，仅需架设好仪器并打开监测机构，其数据采集过程和倾向、倾角的实时监测均通过人机交互平台内置的软件进行数据分析与处理，完全实现自动化；

（4）成本低。激光/超声波测距传感器是常用的传感监测元件，市场购买方便，装置整体的框架设计轻巧简单，制造成本低廉；

（5）自动化、同步化程度高。该装置能实时对桩身的倾向、倾角数据进行测量与记录，将分析结果以数据及图像形式自动反映在显示屏上，还可通过测得数据判断桩身是否严重偏斜并能对严重偏斜的情况发出警报；

（6）重复使用性高。该装置与预制桩相互独立，采用的是非接触测量方法，完成一次测试工作后，可回收整套设备，以备下次使用；

（7）本装置采用了便携、可折叠的构造，具体来说，四根支柱可置于监测梁和监测臂的底部空腔内、一对监测臂可折叠并与监测梁平行并拢等，具有极优的运输及搬运条件，适用于各种工况条件；

（8）该测斜装置可广泛运用于岩土工程领域中圆形或圆环形截面预制桩偏斜的监测，并适用于对工程中圆形或圆环形截面抗滑桩的偏斜程度进行精确测量，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一个实施例在工作状态下的立体结构示意图；

图2为图1装置的右视图；

图3为图2的A处放大图；

图4为图1装置在回收状态下拼接前的立体结构示意图；

图5为图4装置旋转180°后的立体结构示意图；

图6为图4的俯视图；

图7为图1装置在回收状态下拼接后的立体结构示意图；

图8为图7的仰视图；

图9为本装置针对预制桩测斜的原理图；

图中：1—监测臂转轴，2—监测臂工作插锁，3—监测臂，4—测距传感器，5—卡孔，6—监测臂回收固定插锁，7—支柱转轴，8—支柱连接件，9—万向轴，10—支柱摆动轴，11—工作台，12—拼接插锁，13—支柱，14—监测梁，15—显示屏，16—水准仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1至图8所示，本发明的一种便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，包括支撑机构、监测机构和人机交互平台。具体来说：

支撑机构包括四根长度可调的支柱13，本实施例中的每根支柱13均由三根金属杆件嵌套构成，各金属杆件上均设置有卡孔5，用于支柱13的长度调节和固定；

监测机构包括监测梁14和一对监测臂3。一对监测臂3分别与监测梁14的两端通过监测臂转轴1铰接、可绕监测梁14在水平面上转动。一对监测臂3的自由端分别设有监测臂回收固定插锁6，用于回收状态下监测臂3自由端与监测梁14的固定；一对监测臂3的铰接端分别设有监测臂工作固定插锁2，用于工作状态下监测臂3与监测梁14的垂直固定。监测梁14、一对监测臂3中部分别开有两个孔槽，孔槽内开有螺纹，用于设置测距传感器4，为确保测量精度，本实施例的测距传感器4优选高精度的激光测距传感器或者超声波测距传感器，其测量精度可达0.1mm。监测梁14和一对监测臂3的底部均开有空腔，上述支撑机构的四根支柱13中，两根支柱13分别与监测梁14的两端底部铰接并可置于监测梁14底部的空腔内，另两根支柱13分别与监测臂3的自由端底部铰接并可置于监测臂3底部的空腔内。为保证各支柱13的旋转和摆动自由度，本装置中，支柱13铰接处的结构为：监测梁14或监测臂3上通过支柱转轴7设置支柱连接件8，支柱连接件8连接万向轴9的一端，万向轴9另一端通过支柱摆动轴10连接支柱13。回收状态下（如图8所示），支柱连接件8连同万向轴9、支柱13与监测梁14或监测臂3平行并置于相应空腔内；工作状态下（如图1至图3所示），支柱连接件8连同万向轴9绕支柱转轴7旋转并与监测梁14或监测臂3垂直，支柱13可绕支柱摆动轴10在一定角度内摆动。为进一步减小装置长度，本实施例的监测梁14由两部分拼接组成，两部分呈凸凹配合，拼接处通过拼接插锁12固定。

本实施例的人机交互平台包括显示屏15、工作台11和水准仪16，工作台11与监测梁14通过监测梁14外侧面的插槽插接、便于拆装，插接后的工作台11与监测梁14外侧面垂直，工作台11和水准仪16设置于工作台11上。工作台11与测距传感器4的信号输出端连接，用于接收测距传感器4测量信号和输入的测距传感器4水平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏15显示。测距传感器4的数据采集线可布置在监测梁14及监测臂3外侧。水准仪16与上述支撑机构配合，以调节监测梁14和监测臂3所在平面，确保在施工现场的不利场地条件下监测机构的调平。

本发明的工作原理如图9所示。灌入地表前，预制桩桩身在打桩机作用下，直立吊起，其在水平面上的投影为对应于圆心A的圆形截面。当桩身在打桩机械的作用下灌入地表时，产生桩身的倾斜，中心B所对应的椭圆为预制桩偏斜后的水平投影截面，它由圆心C所在的圆形截面投影而来。预制桩偏斜的倾向为图9中矢量AB所指示的方向。

预制桩偏斜后桩身横截面所在平面与预制桩偏斜后投影截面夹角的余角即为预制桩的倾角，即图9中的∠CBD。设预制桩横截面半径为R，预制桩投影椭圆的半长轴为a，记所求倾角为β，根据几何关系得预制桩偏斜的倾角为

β = \arcsin \frac{R}{a}

本发明需要解决的一个关键问题是获得预制桩偏斜后投影截面的椭圆方程，而椭圆方程的一般表达式为

A₁x²+A₂xy+A₃y²+A₄x+A₅y+A₆=0

该表达式中有A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆六个待定系数，通过本发明测斜装置中的六个测距传感器4测得椭圆上六个点的坐标，分别代入椭圆方程即可求解六元一次方程组，运算得到椭圆方程，进而计算出该椭圆投影截面的特征值，包括中心点位置、长轴值、短轴值等。

上述求解矢量AB及椭圆方程的计算过程均为现有技术，可通过编制简单的计算程序在人机交互平台中自动运算，并最终以数据及图像的形式反映在显示屏15上。当桩基的偏移超过一定限度，导致某个测距传感器4采集不到数据信息或者超过人为设置的倾向和倾角警报值时，认为桩身倾斜严重，需立刻停止灌入，并采取相应的工程措施进行补救。

将上述装置应用于预制桩灌入过程中的测斜时，其操作主要为：

一、前期准备

1、根据工程设计要求，将预制桩通过打桩机械提至设计孔正上方，保持固定；

2、拼接监测梁14，使其两部分拼接处的“凹”、“凸”面拼合，并通过拼接插锁12固定；

3、打开监测臂回收固定插锁6，展开监测臂3至极限处（与监测梁14垂直），通过监测臂工作固定插锁2固定；

4、打开监测梁14和监测臂3的共四根支柱13；

5、拼接、安装人机交互平台；

6、通过罗盘确定正北方向N，将本装置的两监测臂3调整为正北方向N，并使两监测臂3中部的测距传感器4对正预制桩桩身，同时调整各支柱13长度并与水准仪16配合使用，将监测机构调平；

二、实施监测

7、开启本测斜装置并调试各测距传感器4；

8、调试结束后，打桩机工作，预制桩被灌入地表；

9、在预制桩灌入过程中，测距传感器4实时监测桩身与测距传感器4的直线距离大小，结合事先已知的测距传感器4水平位置可确定测点的坐标位置；

10、测距传感器4所采集的桩身测点坐标数据通过已编制的计算程序进行处理并以数据及图像的形式反映在显示屏15上；

三、偏斜预警

11、当桩基的偏斜超过一定限度时，显示和/或语音提示桩身倾斜严重，需立刻停止灌入，并采取相应的工程措施进行补救；

四、监测结束

12、关闭测距传感器4、工作台11及显示屏15；

13、拆卸人机交互平台；

14、回收监测梁14和监测臂3的支柱13；

15、打开监测臂工作固定插锁2，回收监测臂3至与监测梁1平行，固定监测臂回收固定插锁6；

16、打开拼接插锁12，分离监测梁14；

17、收起并撤走仪器，待下次使用。

本发明的核心在于监测梁14、监测臂3及其上六个测距传感器4的设置，能够通过获取预制桩偏斜后投影截面的椭圆方程实时、自动化测定圆形或圆环形截面预制桩灌入过程中发生偏斜时倾角和倾向，且设备成本低、操作简单，并可重复使用，同时，监测梁14、监测臂3及四根支柱13为可折叠回收和拆装的结构，使得设备的体积能够显著缩小，极大地方便了携带和运输，所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：监测梁14也可以是一体式结构，当其采用拼接的两部分时，还可采取其他常规配合、固定方式，如栓接等；监测梁14和监测臂3上的孔槽还可以是更多个，以便调节测距传感器4的位置，适应不同的测量环境和不同规格的预制桩；测距传感器4选择激光测距传感器或者超声波测距传感器是为了确保装置的测量精度较高，采用其他测距传感器4也能够实现本发明技术方案；工作台11和显示屏15可用便携式电脑代替，实施例中的计算程序也在外部设备中进行，工作台11的数据采集和输出方式可以是有线或无线方式等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims

1.一种便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：包括支撑机构、监测机构和人机交互平台；所述支撑机构包括四根长度可调的支柱（13）；所述监测机构包括监测梁（14）和一对监测臂（3），一对监测臂（3）分别与监测梁（14）的两端铰接、可绕监测梁（14）在水平面上转动，监测梁（14）、一对监测臂（3）中部分别开有至少两个孔槽，用于设置测距传感器（4），监测梁（14）和一对监测臂（3）的底部均开有空腔，所述四根支柱（13）分别与监测梁（14）的两端底部和一对监测臂（3）的自由端底部铰接并可置于空腔内；所述人机交互平台与监测机构可拆卸连接，人机交互平台包括显示屏（15）和工作台（11），工作台（11）与测距传感器（4）的信号输出端连接，用于接收测距传感器（4）测量信号和输入的测距传感器（4）水平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏（15）显示。

2.根据权利要求1所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述监测梁（14）由两部分拼接组成。

3.根据权利要求2所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述组成监测梁（14）的两部分呈凸凹配合，拼接处通过拼接插锁（12）固定。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述支柱（13）由至少两根金属杆件嵌套构成，各金属杆件上均设置有卡孔（5），用于支柱（13）的长度调节和固定。

5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述一对监测臂（3）的自由端分别设有监测臂回收固定插锁（6），用于回收状态下监测臂（3）自由端与监测梁（14）的固定。

6.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述一对监测臂（3）的铰接端分别设有监测臂工作固定插锁（2），用于工作状态下监测臂（3）与监测梁（14）的垂直固定。

7.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述测距传感器（4）为激光测距传感器或者超声波测距传感器。

8.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述显示屏（15）和工作台（11）与监测梁（14）为可拆卸连接。

9.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的便携折叠式圆形或圆环形截面预制桩测斜装置，其特征在于：所述人机交互平台还包括水准仪（16），用于工作状态下监测机构的调平。