CN108999222B - 利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置及方法，该装置包括：两根预安装管，其平行固定于灌浆护筒两侧的内壁上；灌浆管，其被布置为伸入到灌浆护筒中，用于向灌浆护筒中灌注混凝土砂浆，并形成灌浆口；控制系统，其包括灌浆口位置控制器、换能器位置控制器和控制模块，其中灌浆口位置控制器与灌浆管电连接，用于控制执行机构完成灌浆口的逐步上移；两个声波换能器，两个声波换能器分别设置于两根预安装管内，且与换能器位置控制器电连接；声波发生器，其与控制模块及换能器位置控制器电连接；以及信号采集与分析器，其与控制模块及灌浆口位置控制器电连接，用于声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度。

Description

利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置及方法
技术领域
本发明是关于工程建筑技术领域，特别是关于一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置及方法。
背景技术
随着基建工程的飞速发展，基桩的灌浆施工过程是整个工程的关键环节，是施工进度顺利执行及安全性的重要保障。声波探测由于其监测精度高、不受桩长、桩径条件限制以及测试无盲区等优点，在混凝土基桩监测中应用越来越普及。通常，在混凝土超灌过程中预安装两个声测管，保证声测管的材料强度、焊接工艺以及畅通性满足条件，需要将发射换能器与接收换能器分别至于两根管道中，且需要多个测点的同步控制换能器，依次测取各测点处声波穿过两管道之间混凝土砂浆和泥浆介质的所用声时、波幅与频率等。
然而，声波探测的监测结果会受到声测管安装条件以及焊接工艺的直接影响。由于声测管受混凝土挤压会发生倾斜或弯曲变形，管间距离变大或变小，直接影响监测结果的分析判定。同时，浇筑过程中的混凝土砂浆的动态变化以及砂浆与泥浆本身的非均匀性都增加了声波探测的难度，也增加了声波信号的分析难度。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置，其能够实现混凝土超灌过程中的灌浆位置的实时监测与精确控制。
本发明的另一目的在于提供一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置，包括：两根预安装管，其平行固定于灌浆护筒两侧的内壁上；灌浆管，其被布置为伸入到灌浆护筒中，用于向灌浆护筒中灌注混凝土砂浆，并形成灌浆口；控制系统，其包括灌浆口位置控制器、换能器位置控制器和控制模块，其中灌浆口位置控制器与灌浆管电连接，用于控制执行机构完成灌浆口的逐步上移，以使得灌浆位置逐步升高；两个声波换能器，两个声波换能器分别设置于两根预安装管内，且与换能器位置控制器电连接；声波发生器，其与控制模块及换能器位置控制器电连接；以及信号采集与分析器，其与控制模块及灌浆口位置控制器电连接，用于声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度。
在一优选的实施方式中，装置还包括功率放大器，功率放大器分别与声波换能器及声波发生器电连接，通过分析装置所接收到的声波信号的衰减情况，进行声波信号发射功率的增益调整。
在一优选的实施方式中，换能器位置控制器用于在超灌过程中对两个声波换能器同时进行位置控制，以使得两个声波换能器能够同步上升移动，依次测取各测点声波信号穿过两根预安装管之间介质的信号变化，并能够追踪灌浆过程中灌浆口的位置因灌浆冲击所形成的泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化。
在一优选的实施方式中，信号变化为声波信号在混凝土砂浆以及泥浆中传播的声时、波幅和频率参数的相对变化。
在一优选的实施方式中，其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。
在一优选的实施方式中，预安装管为钢薄壁声测管。
本发明还提供了一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的方法，包括如下步骤：灌浆施工过程中预先在灌浆护筒两侧内壁上平行固定有两根预安装管；将两个声波换能器分别置于两根预安装管中；开启声波发生器和声波换能器；通过灌浆管向灌浆护筒的下部灌注混凝土砂浆，并形成灌浆口；在灌浆口位置控制器的作用下，灌浆口位置逐步上移；声波换能器在换能器位置控制器的作用下，由预安装管底部开始同步上移；依次测取各测点声波信号穿过两根预安装管之间介质的传播的声时、波幅和频率参数的相对变化来监测预安装管之间介质的变化情况；以及追踪灌浆过程中灌浆口位置因灌浆冲击所形成的泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化，从而确定混凝土超灌高度，并将泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化反馈给控制系统，以调整灌浆速度。
在一优选的实施方式中，依次测取各测点声波信号穿过两根所述预安装管之间介质的传播的声时、波幅和频率参数的相对变化来监测所述预安装管之间介质的变化情况包括：两个声波换能器在换能器位置控制器的作用下，由预安装管底部开始同步上移，其中一个声波换能器作为发射换能器，另一个声波换能器作为接收换能器；如果两个声波换能器之间的介质为混凝土砂浆时，声波信号的发射与接收的时差间隔Δtc为：△tc＝l/vc；如果两个声波换能器之间的介质是泥浆时，则声波信号的发射与接收的时差间隔Δtm为：△tm＝l/vm，其中，声波在混凝土中的传播速度为vc，在泥浆中的传播速度为vm，两个声波换能器之间的距离为l；当声波换能器在同步上移过程中时差间隔Δtc与时差间隔Δtm之差发生了突变，则表明两个声波换能器经过了灌浆界面。
在一优选的实施方式中，方法还包括：通过信号采集与分析器实时采集声波信号的频率，并分析声波信号的衰减程度；以及根据声波信号的衰减程度，通过功率放大器进行发射功率的增益调整。
在一优选的实施方式中，其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。
与现有技术相比，根据本发明的利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置及方法具有如下优点：本发明利用施工进行前所预安装的管道作为声测管进行灌浆位置的监测，免除了重新安装声测管的程序，需要保证预安装管具有良好的顺直度、平行度、畅通性与机械强度，监测时两个声波换能器分别置于两根预安装管中，由预安装管的底部开始，其中一个声波换能器作为发射端在一根预安装管中边上升边发射声波信号，穿过混凝土砂浆被另一根预安装管中同步移动的声波换能器所探测并依次测取和记录声波信号在两根预安装管之间的介质中传播的声时、波幅和频率等参数的相对变化。同时，采用声电耦合谐振的信号分析方法处理由于混凝土砂浆及泥浆本身的非均匀特质所带来的信号衰减与干扰，通过系统交替声波放射端并采集分析声波信号能够快速获得灌浆位置，并降低监测误差，增加系统的可靠性。同时，该系统还可以持续应用于所浇筑的基桩成型后的混凝土缺陷检测，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减，并使声时增大。利用声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化，来分析判断桩身混凝土质量。因此，增加了本发明的应用周期，降低了工程监测投入成本。
附图说明
图1是根据本发明一实施方式的利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置结构示意图。
图2是根据本发明一实施方式的利用预安装管测量混凝土超灌高度的方法流程图。
主要附图标记说明：
1-灌浆管，2-灌浆护筒，3-预安装管，4-泥浆，5-声波换能器，6-声波发生器，7-信号采集与分析器，8-混凝土砂浆，9-周围土体，10-泥浆与混凝土砂浆混合区，11-灌浆口位置控制器，12-换能器位置控制器，13-声波发生器，14-控制模块，15-换能器电源信号线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1所示，根据本发明优选实施方式的利用预安装管测量混凝土超灌高度的装置，包括：灌浆管1、灌浆护筒2、两根预安装管3、两个声波换能器5、声波发生器6、信号采集与分析器7以及控制系统。其中，两根预安装管3在施工进行前被预先平行固定于灌浆护筒2两侧的内壁上。灌浆管1被布置为伸入到灌浆护筒2中，用于向灌浆护筒2中灌注混凝土砂浆8，并形成灌浆口。控制系统包括灌浆口位置控制器11、换能器位置控制器12和控制模块14，其中灌浆口位置控制器11与灌浆管1电连接，用于控制执行机构完成灌浆口的逐步上移，以使得灌浆位置逐步升高。两个声波换能器5分别设置于两根预安装管3内，且通过换能器电源信号线15与换能器位置控制器12电连接。声波发生器13与控制模块14及换能器位置控制器12电连接。信号采集与分析器7与控制模块14及灌浆口位置控制器11电连接，用于声波信号频率追踪、采集分析声波信号传播时间及衰减程度。
上述方案中，装置还包括功率放大器6，功率放大器6分别与声波换能器5及声波发生器13电连接，通过分析装置所接收到的声波信号的衰减情况，进行声波信号发射功率的增益调整。换能器位置控制器12用于在超灌过程中对两个声波换能器3同时进行位置控制，以使得两个声波换能器3能够同步上升移动，依次测取各测点声波信号穿过两根预安装管之间介质的信号变化，并能够追踪灌浆过程中灌浆口的位置因灌浆冲击所形成的泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化。优选地，信号变化为声波信号在混凝土砂浆8以及泥浆4中传播的声时、波幅和频率参数的相对变化。
在一优选的实施方式中，其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。
在一优选的实施方式中，预安装管为钢薄壁声测管，并需要保证预安装管具有良好的顺直度、平行度、畅通性与机械强度。
如图所示，本发明的利用预安装管测量混凝土超灌高度的方法，包括如下步骤：步骤201：灌浆施工过程中预先在灌浆护筒两侧内壁上平行固定有两根预安装管；步骤202：将两个声波换能器分别置于两根预安装管中；步骤203：开启声波发生器和声波换能器；步骤204：通过灌浆管向灌浆护筒的下部灌注混凝土砂浆，并形成灌浆口；步骤205：在灌浆口位置控制器的作用下，灌浆口位置逐步上移；步骤206：两个声波换能器在换能器位置控制器的作用下，由预安装管底部开始同步上移，其中一个声波换能器作为发射端在一根预安装管中边上升边发射声波信号，穿过混凝土砂浆被另一根预安装管中同步移动的另一个声波换能器所探测；步骤207：依次测取各测点声波信号穿过两根预安装管之间介质的传播的声时、波幅和频率参数的相对变化来监测预安装管之间介质的变化情况；以及步骤208：追踪灌浆过程中灌浆口位置因灌浆冲击所形成的泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化，从而确定混凝土超灌高度，并将泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化反馈给控制系统，以调整灌浆速度。
上述方案中，依次测取各测点声波信号穿过两根所述预安装管之间介质的传播的声时、波幅和频率参数的相对变化来监测所述预安装管之间介质的变化情况包括：两个声波换能器在换能器位置控制器的作用下，由预安装管底部开始同步上移，其中一个声波换能器作为发射换能器，另一个声波换能器作为接收换能器；如果两个声波换能器之间的介质为混凝土砂浆时，声波信号的发射与接收的时差间隔Δtc为：△tc＝l/vc；如果两个声波换能器之间的介质是泥浆时，则声波信号的发射与接收的时差间隔Δtm为：△tm＝l/vm，其中，声波在混凝土中的传播速度为vc，在泥浆中的传播速度为vm，两个声波换能器之间的距离为l；当声波换能器在同步上移过程中时差间隔Δtc与时差间隔Δtm之差发生了突变，则表明两个声波换能器经过了灌浆界面。
本发明的方法还包括：通过信号采集与分析器实时采集声波信号的频率，并分析声波信号的衰减程度；以及根据声波信号的衰减程度，通过功率放大器进行发射功率的增益调整。其中一个声波换能器为声波发射端，另一个声波换能器为声波接收端，声波发射端与声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。采用声电耦合谐振的信号分析方法处理由于混凝土砂浆及泥浆本身的非均匀特质所带来的信号衰减与干扰，通过系统交替声波放射端并采集分析声波信号能够快速获得灌浆位置，并降低监测误差，增加系统的可靠性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (1)

1.一种利用预安装管测量混凝土超灌高度的方法，其特征在于，
所述方法包括如下步骤：
灌浆施工过程中预先在灌浆护筒两侧内壁上平行固定有两根预安装管；所述预安装管长度为30-40cm，
将两个声波换能器分别置于两根所述预安装管中；
开启声波发生器和所述声波换能器；
通过灌浆管向灌浆护筒的下部灌注混凝土砂浆，并形成灌浆口；
在灌浆口位置控制器的作用下，灌浆口位置逐步上移；
所述声波换能器在换能器位置控制器的作用下，由所述预安装管底部开始同步上移；
依次测取各测点声波信号穿过两根所述预安装管之间介质的传播的声时、波幅和频率参数的相对变化来监测所述预安装管之间介质的变化情况；以及
追踪灌浆过程中灌浆口位置因灌浆冲击所形成的泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化，从而确定混凝土超灌高度，并将所述泥浆与混凝土砂浆混合模糊边界的分布范围和位置变化反馈给控制系统，以调整灌浆速度，
所述依次测取各测点声波信号穿过两根所述预安装管之间介质的传播的声时、波幅和频率参数的相对变化来监测所述预安装管之间介质的变化情况包括：两个所述声波换能器在换能器位置控制器的作用下，由所述预安装管底部开始同步上移，其中一个所述声波换能器作为发射换能器，另一个所述声波换能器作为接收换能器；如果所述两个所述声波换能器之间的介质为混凝土砂浆时，声波信号的发射与接收的时差间隔Δtc为：△tc＝l/vc；如果两个所述声波换能器之间的介质是泥浆时，则声波信号的发射与接收的时差间隔Δtm为：△tm＝l/vm，其中，声波在混凝土中的传播速度为vc，在泥浆中的传播速度为vm，两个所述声波换能器之间的距离为l；当所述声波换能器在同步上移过程中所述时差间隔Δtc与所述时差间隔Δtm之差发生了突变，则表明两个所述声波换能器经过了灌浆界面，
所述方法还包括：
通过信号采集与分析器实时采集声波信号的频率，并分析所述声波信号的衰减程度；以及根据所述声波信号的衰减程度，通过功率放大器进行发射功率的增益调整，其中一个所述声波换能器为声波发射端，另一个所述声波换能器为声波接收端，所述声波发射端与所述声波接收端能够进行调换，以形成声电耦合谐振系统。
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