CN109339121B - 一种小型桩基础静荷载检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型桩基础静荷载检测装置及其检测方法，包括框架，基桩，沉降量测量模块，根据沉降量测量模块所测的距离信息确定加载情况的重物加载模块，微处理器；重物加载模块位于框架的一侧，沉降量测量模块位于框架的另一侧，基桩连接在重物加载模块和沉降量测量模块之间；其中微处理器发出指令对重物加载模块的加载情况进行控制，沉降量测量模块采用超声波测距，微处理器根据渡越时间法测距，本发明实现了静载实验检测单桩竖向抗压极限承载力的小型化，简易化，控制系统成本低廉，控制简单，能够缩短工期，降低工程造价，很好的满足对桩基础检测的工程需求。

Description

一种小型桩基础静荷载检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种工程用实验装置，具体涉及一种桩基础静荷载检测装置。

背景技术

近些年来，我国各项事业飞速发展，现代化建设事业如火如荼。在一些基础工程的建设上，如高层建筑的建设、核电站、大型桥梁、海上货物平台和码头港口，都用到桩基础技术建设，可以说桩基础工程是我国建设事业中不可或缺的组成部分。这些桩基础结构一般位于地下或水下，人们往往不能观察到它是否存在质量问题。但是，桩基础结构的稳定性却决定着整个工程的后续建设和安全性问题。

因此，对基桩进行大量的试验和检测，都是极其有必要的。在工程桩基础发展的过程中，针对桩基础的质量等问题，形成了四种比较成熟的检测方法：静载法、低应变法和高应变法、声波透射法、钻孔取芯法。其中静载法是目前世界上普遍用来确定桩基础各种极限承载力的方法，是一种比较成熟的检测方法。

静载试验(Static Load Testing)，即于基桩顶端逐级施加水平推力、竖向上拔力或竖向压力，检测和记录基桩顶端随时间产生的水平位移、上拔位移或沉降，据此确定相应的单桩水平承载力、竖向抗拔承载力或竖向抗压承载力的测试方法。

在静载实验的检测中，经常用到的是慢速维持荷载法，就是指分层加载，在加载的过程中，当每级加载完毕并达到相对稳定时，再启动下一级的加载，每级加载过程中，在达到稳定前，刚开始每隔5、10、15min就要测量桩基础的沉降量并记录，之后15min测量一次，达到1小时以后每隔30min测量一下，等到基桩承载力达到所需要的1.5或2倍时，停止加载，开始分级卸载，直到为0；如果要加快检验速度，可使用快速维持荷载法。

目前世界上采用静载实验检测单桩竖向抗压极限承载力时，为了受力均匀，作用于桩顶部的荷载往往由反力装置提供，这就需要在桩顶部搭建承重平台或反力架，利用千斤顶将反力架顶起，进而为基桩提供反作用力，将位移传感器置于基桩顶部测量沉降量，通过单片机将千斤顶和位移传感器统一管理，达到重物加载和数据测量的智能化。这种方法虽然利用单片机代替了人工控制，但是搭建承重平台还是需要大量的工程建设，况且遇到地势问题搭建平台还比较困难。随着现代化工程建设的发展，需要一些小型的、有创新性的检测装置，在工程建设方面提供便捷的检测，因此一种更加简易更加智能的桩基础静荷载检测仪是相当符合现代工程建设发展的需求。

目前的静载实验检测单桩竖向抗压极限承载力需要搭建承重平台，工程建设量较大、不易于移动且容易受到地势因素的限制，不能够满足桩基础检测的工程需求。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种桩基础静荷载检测仪，其成本低廉、更加简易方便、省去搭建平台这一步，缩短了工期，降低工程造价，符合现代工程建设的工程需求，具有良好的社会效益、经济效益，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明的另一目的在于提供一种应用于上述桩基础静荷载检测仪的检测方法，该控制系统成本低廉，控制简单。

为实现上述目的，本发明的一种实时方式的桩基础静荷载检测仪包括由铝型材拼接而成的框架、位于框架的一侧的重物加载模块、基桩、位于框架的另一侧的沉降量测量模块，基桩连接在重物加载模块和沉降量测量模块之间，重物加载模块根据沉降量测量模块所测的距离信息确定加载情况。

作为本发明的进一步改进，所述重物加载模块包括步进电机，丝杆，给力推板和弹簧一，所述步进电机通过所述弹簧一与所述基桩连接以向所述基桩施加均匀的作用力；所述沉降量测量模块包括超声波挡板，弹簧二和超声波模块，所述基桩通过所述超声波挡板与所述弹簧二连接。

作为本发明的进一步改进，提供电机驱动器与所述步进电机连接；所述步进电机为开环控制电机。

作为本发明的进一步改进，检测装置还包括微处理器，所述微处理器设有I/O端口，所述步进电机驱动器的接收脉冲和控制方向引脚分别与所述I/O端口连接；所述步进电机驱动器根据所述微处理器发送的电脉冲信号的转速和脉冲数分别确定所述步进电机的转速，转动的距离，根据方向控制信号确定所述步进电机的转向，其中方向控制信号为内部绕组通电方向。

作为本发明的进一步改进，还包括电源模块，用于界面显示和命令输入的串口屏，以及用于提醒和报警的蜂鸣器；所述电源模块为所述电机驱动器，超声波传感器，串口屏和微处理器供电；微处理器与所述电机驱动器，蜂鸣器，串口屏和超声波测距模块连接以对其进行控制。

本发明还提出上述检测装置的检测方法，其包括：

重物加载模块向基桩施加均匀的作用力；

基桩作用于沉降量测量模块；

沉降量测量模块进行测量，并记录测量结果；

根据测量结果判断重物加载模块是否继续加载。

上述检测装置的检测方法进一步改进为：上述重物加载模块向基桩施加均匀的作用力的具体步骤包括：重物加载模块启动后，先对与其连接的微处理器内预先编写的定时器中断函数、延时函数等参数进行初始化，微处理器判断是否接收到脉冲信号，若是，则输出特定频率的PWM信号，所述步进电机驱动器根据接收到的PWM信号驱动步进电机运转。

上述检测装置的检测方法进一步改进为：上述沉降量测量模块进行测量的步骤包括：初始化对传感器引脚设置和微处理器的抵达定时器参数设置，然后微处理器向传感器的控制端发送触发电平信号，传感器的控制端在接收到所述触发电平信号后，所述超声波模块发出超声波并等待超声波回来，定时器启动计时，记录触发电平信号即高电平时间，直到微处理器输入低电平时关闭定时器，微处理器计算基桩的沉降距离。

上述检测装置的检测方法进一步改进为：所述沉降量测量模块采用渡越时间法测量距离。

本发明与现有技术相比的有益效果是：实现了静载实验检测单桩竖向抗压极限承载力的小型化、简易化，能够缩短了工期，降低工程造价，很好的满足对桩基础检测的工程需求；同时本发明应用了单片机作为桩基础静荷载检测仪的控制系统，其成本低廉、控制简单，具有良好的社会效益、经济效益。

附图说明

图1为桩基础静荷载实验检测检测装置结构图；

图2为硬件系统连接图。

图3为复位按键电路图

图4为微处理器的时钟电路图

图5为微处理器核心控制电路图

图6为LM2576S电路图

图7为LM1117电路图

图8为蜂鸣器驱动电路图

图9为重物加载模块步进电机驱动流程图

图10为沉降量测量模块流程图

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，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，

请参阅图1，本发明实施例中，基础静荷载实验检测仪包括框架1，重物加载模块和沉降量测量模块。

重物加载模块包括步进电机3，丝杆9，给力推板8和弹簧一4，步进电机3通过弹簧一4与基桩5连接以向基桩5施加均匀的作用力。

沉降量测量模块，重物加载模块需要根据此装置测量的距离信息判断快速做出决策，确定加载情况。此系统对距离测量的要求比较高，尽量贴切静载实验的要求。经过研究和比较，最终采用超声波测距。

沉降量测量模块包括超声波挡板10，弹簧二6和超声波测距装置7，基桩5通过超声波挡板10与弹簧二6连接。模型长约70厘米，宽20厘米，框架1的材料大多为铝型材，铝型材轻便且稳固，利用大量的角块和螺丝将其拼接和固定起来，此铝型框架结构1不仅起到支撑作用，而且还起到缓冲作用，当步进电机3转动压缩弹簧一4时，此结构保证弹簧一4只推动基桩5，而让整个模型纹丝不动。步进电机3和弹簧一4位于模型的一侧，中间是基桩5和超声波挡板10，经过弹簧二6，模拟基桩5沉降，超声波传感器7置于模型的另一侧。模型的前面预留了一些空间2，放置电子模块，如单片机、系统电源、驱动器等的放置。

基础静荷载实验检测仪的作用原理为：步进电机3带动丝杆9转动，给力推板8前进，进而压缩弹簧一4，将压力均匀作用于基桩5，基桩5推动超声波挡板10并压缩弹簧二6，尾部超声波模块7作用，测量弹簧二6的数据和记录，迅速判断并做出决策，步进电机3继续加载还是停止。

优选的，测距模块到达超声波挡板10的距离比较短，声波需要不停的向挡板发射，声波幅值检测法不适合，距离短，很可能被发射回来的波形叠加干扰，而相位检测法显然需要的距离更大，不在其测量范围内，所以本模型中，选择使用渡越时间法测量距离。所谓渡越时间法测量距离，就是首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。

为了实现步进电机3的驱动、串口屏的界面显示和命令输入、超声波传感器测量距离、蜂鸣器驱动、电源供电等功能，图2所示为本发明桩基础静荷载检测仪的硬件系统连接图。由图2可以看出，系统硬件电路的设计大体可分为STM32微处理器电路设计、电源电路设计、蜂鸣器电路设计、步进电机的驱动电路设计、超声波传感器和串口屏的电路设计。

进一步，STM32微处理器电路包括复位电路、时钟电路和控制核心电路。

图3为复位电路，STM32微处理器带有一个RESET引脚，控制系统复位，当其为低电平时，系统启动复位。通常将RESET引脚与电阻相连，再接电压，同样的RESET引脚与电容相连，再接地。原理为：上电期间，电容充电，电阻对电流有阻碍作用，电容导通，RESET引脚处于低电平，继续充电，电容饱和，因此断开，RESET引脚上拉到电源电压，并保持，因此可确保单片机在启动时自动复位，运行时不误动。

图4为时钟电路，微处理器能够有条不紊的执行着命令，使用的是一个个时间脉冲，此设计需要串口屏的窗口显示和命令输入，这就要求用到异步串行通讯了，串口通讯要求极高，一定要用到波特率，一旦波特率出现错误，数据传输往往不成功，要产生波特率，就需要精度较高的时钟。因此，此系统设计主频为72MHz。

参照图5，核心控制电路，前面搭建了复位电路，也根据本发明需要，设置了时钟电路，再将电源电路连接起来，根据引脚特点，连接相关功能模块就可以搭建STM32微处理器核心控制电路，实现控制功能。

电源电路，在本系统中，要用到多种不同电压等级的电源供电，步进电机驱动器要求的是24V电压供电，HC-SR04超声波传感器和串口屏用的是5V电压供电，STM32微处理器一般用的是3.3V电压供电。因为要用到多种不同电压等级的电压，所以必须设计电路降压或升压来获得所需要的供电电压。为了节约成本，采用一个24V的开关电源，选择了只提供24V输出电压的开关电源，同时再设计两个降压电路，分别使24V电压降为5V和使5V降为3.3V。

采用LM2576S设计获得5v电压，内部电阻R2的阻值取3.1KΩ，而且该系列的器件已经根据客户要获得的输出电压在内部做了精确的调整，我们只需要根据自己的需要选择相应型号的芯片即可。用LM2576S设计获得5v电压的电路图如图6所示。

其中电感L1要利用下列公式算出(E·T):

E·T＝(V_in-V_out)*V_out/V_out*1000/f

其中Vin为电路的最大输入电压、Vout为电路的输出电压、f取52khz即可，再将获得的E·T数值参考对应的文献资料，对照曲线，查找对应的电感值L1。根据本发明的需要，计算的电感L1＝10mh。输入电容C1要求设计是放在离器件LM2576的输入引脚比较近的位置，并且数值等于100μF。输出电容C2用公式：C≥13300V_in/V_out*L1,计算得到C2＝10μF。

该电路对二极管的各方面的要求较高，二极管选用了肖特基二极管。而且这个5v电压电路除了满足基本发明之外，还加了一个电源灯，方便检测电路是否正常，避免故障。

采用LM1117从5v电压获得3.3v电压。器件LM1117只有输入电压IN，输出电压OUT,接地GND和TAB四个引脚，其中引脚TAB在此设计种没用到，让其悬空即可。而外部所接输入电容、旁路电容、输出电容等一般要求不高，根据以往经验，数值取100pF即可。由此，利用器件LM1117从5v电压获得3.3v电压的电路图设计如图7所示。

本发明对蜂鸣器只要求在需要的时候能够发出响亮声音，起到提醒和报警的作用。采用了NPN型三极管驱动电路。在三极管基极为高电平时，三极管饱和导通，蜂鸣器发出声音；三极管低电平时，三极管不导通，蜂鸣器关闭声音；另加的电阻起稳定作用。由此，设计了高电平触发的有源蜂鸣器驱动电路如图8所示。

步进电机的驱动电路，步进电机采用PWM波驱动，利用了STM32单片机里面延时滴答定时器TIM2，设计时编写有定时器中断函数、延时函数等。接收脉冲和控制方向引脚连接于单片机IO口PA2、PA3。

优选的，步进电机3是一种开环控制电机，必须连接步进电机驱动器使用，给予步进电机驱动器一个电脉冲信号，其将电脉冲信号转化成驱动步进电机3转动一个固定步进角的角位移或者是线位移。步进电机3控制原理简单，转速由给予的脉冲信号的频率决定，转动的距离由脉冲数决定，正反转由内部绕组通电方向决定，而且，步进电机3不存在累积误差等缺点，步进的距离准确且易控制。本发明采用步进电机3加弹簧一4的模型都具备了上面所要考虑的所有优点：

(1)加载方便，受力均匀。控制步进电机3内部绕组的通电顺序可以控制步进电机正反转，正转可以用来模拟重物的加载过程，步进电机3的反转可以用来模拟重物的卸载过程；

(2)计数方便。所加压力＝步进电机步进距离*弹簧的弹性系数；

(3)步进电机3有多种控制方式，用微处理器控制更是方便。

参见图9，在重物加载控制流程中，步进电机驱动模块驱动流程如下：首先采用STM32单片机延时滴答定时器TIM2，设计时编写有定时器中断函数、延时函数等参数初始化，若PA2接收到脉冲信号，则PA3输出特定频率的PWM信号，进而特定的PWM信号驱动步进电机；反之，PA2没有接收到脉冲信号，则PA3不输出信号，进而实现步进电机的控制。

超声波测距电路，HC-SR04传感器器件的控制端Trig引脚和接收端Echo引脚分别接于单片机IO口PA6和PA7,刚开始Trig为低电平。采用了单片机里面的滴答定时器TIM1来计时。

参见图10，测距模块测距流程如下：首先初始化对传感器引脚设置和单片机的滴答定时器TIM1参数设置，按照HC-SR04传感器器件其原理，然后在PA6给Trig端一个10us的高电平信号，等待模块发出超声波并回来，PA7输入高电平，定时器启动计时，记录高电平时间，直到PA7输入低电平关闭定时器，最后通过单片机计算出距离。

串口屏显示电路，本发明将单片机IO口PA9与串口屏引脚连接，采用串行异步同行协议，并指定USART1使能接收中断，获得命令。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种小型桩基础静荷载实验检测装置，包括框架、重物加载模块、基桩、沉降量测量模块，其特征在于：所述重物加载模块位于所述框架的一侧，所述沉降量测量模块位于所述框架的另一侧，所述基桩连接在所述重物加载模块和所述沉降量测量模块之间，所述重物加载模块根据所述沉降量测量模块所测的距离信息确定加载情况；其中，所述重物加载模块包括步进电机、丝杆、给力推板和弹簧一，所述步进电机通过所述弹簧一与所述基桩连接以向所述基桩施加均匀的作用力；所述沉降量测量模块包括超声波挡板、弹簧二和超声波测距模块，所述基桩通过所述超声波挡板与所述弹簧二连接；

所述步进电机带动所述丝杆转动，所述给力推板前进，进而压缩所述弹簧一，将压力均匀作用于所述基桩，所述基桩推动所述超声波挡板并压缩所述弹簧二，尾部超声波测距模块作用，测量所述弹簧二的数据和记录，迅速判断并做出决策，所述步进电机继续加载还是停止。

2.一种如权利要求1所述的小型桩基础静荷载实验检测装置，其特征在于：所述装置还包括步进电机驱动器，所述步进电机驱动器与所述步进电机连接；所述步进电机为开环控制电机。

3.一种如权利要求2所述的小型桩基础静荷载实验检测装置，其特征在于：所述装置还包括微处理器，所述微处理器设有I/O端口，所述步进电机驱动器的接收脉冲和控制方向引脚分别与所述I/O端口连接；所述步进电机驱动器根据所述微处理器发送的电脉冲信号确定所述步进电机的转速、转动的距离，根据方向控制信号确定所述步进电机的转向。

4.一种如权利要求3所述的小型桩基础静荷载实验检测装置，其特征在于：所述步进电机驱动器根据接收的所述电脉冲信号的转速和脉冲数分别确定频率和转动的距离；所述方向控制信号为内部绕组通电方向。

5.一种如权利要求4所述的小型桩基础静荷载实验检测装置，其特征在于：所述装置还包括电源模块、用于界面显示和命令输入的串口屏、以及用于提醒和报警的蜂鸣器；所述电源模块为所述步进电机驱动器、超声波测距模块、串口屏和微处理器供电；所述步进电机驱动器、蜂鸣器、串口屏和超声波测距模块均与所述微处理器连接。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的小型桩基础静荷载实验检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述重物加载模块向所述基桩施加均匀的作用力；

所述基桩作用于所述沉降量测量模块；

所述沉降量测量模块进行测量，并记录测量结果；

根据所述测量结果判断所述重物加载模块是否继续加载。

7.一种采用权利要求6所述的小型桩基础静荷载实验检测装置的检测方法，其特征在于：所述装置还包括微处理器，所述微处理器设有I/O端口，所述步进电机驱动器的接收脉冲和控制方向引脚分别与所述I/O端口连接；所述重物加载模块向所述基桩施加均匀的作用力的步骤包括，

步骤一，初始化所述微处理器定时器的参数；

步骤二，判断所述I/O端口是否接收到脉冲信号，若是，则从所述I/O端口输出一定频率的PWM信号，若否，则所述I/O端口不输出信号；

步骤三，根据所述PWM信号驱动所述步进电机。

8.一种如权利要求7所述的检测方法，其特征在于：所述装置还包括超声波测距模块，所述超声波测距模块的控制端和接收端分别与所述微处理器的I/O端口连接，所述沉降量测量模块进行测量的步骤还包括：

步骤一，初始化所述超声波测距模块的控制端和接收端，及所述微处理器定时器的参数；

步骤二，所述I/O端口向所述控制端发送触发电平信号；

步骤三，所述控制端在接收到所述触发电平信号后，所述超声波测距模块发出超声波，并同时启动所述定时器；

步骤四，当所述超声波返回时，关闭所述定时器；

步骤五，通过所述微处理器计算所述基桩的沉降距离。

9.一种如权利要求6或8所述的检测方法，其特征在于：所述沉降量测量模块采用渡越时间法测量距离。