CN110273440B - 一种灌注桩超灌监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种灌注桩超灌监控系统及方法，属于灌注桩超灌监控技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种灌注桩超灌监控系统结构及监控方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括上位机和下位机，所述上位机具体为数据监控计算机，所述下位机包括LCR测试仪和微控制器；所述LCR测试仪的信号反馈端通过导线与电阻测量探头相连，所述电阻测量探头设置在灌注桩浇灌混凝土时的标高处，所述LCR测试仪的信号控制端通过导线与数据监控计算机相连；所述微控制器通过导线分别与声光报警模块、温度传感器相连；所述数据监控计算机和微控制器的数据通信端均连接有无线通信模块，所述数据监控计算机通过无线网络与微控制器无线连接；本发明应用于灌注桩监控场所。

Description

一种灌注桩超灌监控系统及方法

技术领域

本发明一种灌注桩超灌监控系统及方法，属于灌注桩超灌监控技术领域。

背景技术

钻孔灌注桩是桩基加固的一种常用工法，通过打桩加大地基的承载力或者用于边坡防护来抵抗土方侧压力，防止土方位移，该工法利用钻孔机械钻出桩孔，并在孔中浇筑混凝土（或先在孔中吊放钢筋笼）而成的桩，由于钻孔灌注桩施工成本低、施工操作简单、无振动、噪音及挤土效应，目前已经被广泛应用到建筑工程施工领域；大量实践案例表明，钻孔灌注桩具有较高的安全性及较强的稳定性，这是由于混凝土浆液可以渗透至土层深处，能使土层与灌注桩体紧密结合起来，从而确保地基更加牢固可靠，同时灌注桩能够有效控制地基沉降，从而对土层产生压实效果；钻孔灌注桩对土层起着较好的渗透、压密及劈裂作用，且三者间的相互作用能使土层更加稳固；由此可见，在将来很长的时间内，钻孔灌注桩工艺在岩土工程领域中仍然具有很广阔的应用场景。

但是，该工法在实际应用中常常会出现灌注桩超灌现象，这是由于在泥浆护壁成孔灌注桩施工中存在塌孔或其他因素，会导致孔径的变化，因此无法通过灌注混凝土的体积，准确计算其是否到达预定标高体积部位；在常规施工中经常使用重锤法测算，主要靠工人手感预判混凝土是否灌注，存在很多主观因素且没有科学依据，超灌高度很难控制，误差较大。

在采用灌注桩做地基处理的工程中，自然地坪标高到桩顶设计标高的距离即空孔段的长度也越来越长，而实际施工中既要保证桩头质量，又要将超灌高度控制在理想范围是非常困难的，目前砼超灌量一般在2-3米，多者甚至达4米以上，基坑开挖后，坑内桩身高低不一，呈石林状，因超灌会造成大量混凝土浪费；除此之外破除多余桩头，又需要花费大量人力物力；因此目前需要对钻孔灌注桩超灌情况进行有效监控，研发相应的监控装置并改进监控方法。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种灌注桩超灌监控系统结构及监控方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种灌注桩超灌监控系统，包括上位机和下位机，所述上位机具体为数据监控计算机，所述下位机包括LCR测试仪和微控制器；

所述LCR测试仪的信号反馈端通过导线与电阻测量探头相连，所述电阻测量探头设置在灌注桩浇灌混凝土时的标高处，所述LCR测试仪的信号控制端通过导线与数据监控计算机相连；

所述微控制器通过导线分别与声光报警模块、温度传感器相连；

所述数据监控计算机和微控制器的数据通信端均连接有无线通信模块，所述数据监控计算机通过无线网络与微控制器无线连接。

所述微控制器使用的芯片为控制芯片U1，所述温度传感器使用的芯片为温度传感芯片U2，所述无线通信模块使用的芯片为无线通信芯片U3；所述微控制器的电路结构为：

所述控制芯片U1的D2引脚并接温度传感芯片U2的DQ端后与电阻R0的一端相连，所述电阻R0的另一端并接温度传感芯片U2的VDD端后与控制芯片U1的3.3V电源输出端相连；

所述控制芯片U1的D3引脚与蜂鸣器LS1的1脚相连；

所述控制芯片U1的D31引脚并接复位开关K1的一端后接地，所述复位开关K1的另一端与蜂鸣器LS1的2脚相连；

所述控制芯片U1的D47引脚依次串接电阻R3和发光二极管D2后接地；

所述控制芯片U1的D49引脚依次串接电阻R2和发光二极管D1后接地；

所述控制芯片U1的D51引脚依次串接电阻R1和发光二极管D3后接地；

所述控制芯片U1的D16引脚与无线通信芯片U3的9脚相连；

所述控制芯片U1的D17引脚与无线通信芯片U3的10脚相连。

所述数据监控计算机中单片机型号为STM32F103U8T6；

所述控制芯片U1的型号为Arduino Mega 2560；

所述温度传感芯片U2的型号为DS18B20；

所述无线通信模块具体为Zigbee无线通信模块，所述无线通信芯片U3的型号为KLZB214A。

一种灌注桩超灌监控方法，包括如下步骤：

步骤一：在工地钻孔灌注桩附近启动LCR测试仪和微控制器，将电阻测量探头和温度传感器埋入钻孔灌注桩浇灌混凝土的标高处、护壁泥浆中，测量该处电阻及温度数据；所述LCR测试仪采集到的电阻数据通过现场通信总线将数据上传至数据监控计算机；

步骤二：启动温度传感器，通过微控制器向其发送控制指令，温度传感器控制芯片U2判断该指令是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收控制指令，如果判断为是，则控制温度传感器开始采集相应位置的温度数据，并将采集数据实时反馈回微控制器；

步骤三：启动声光报警模块，通过微控制器向其发送反馈信号，声光报警模块判断该信号是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收反馈信号，如果判断为是，则控制声光报警模块内部相应元器件执行相应操作，用于表示当前灌注桩的超灌情况：

当设置在灌注桩内的电阻测量探头测得的电阻数据是预设的泥浆电阻值时，绿灯亮，蜂鸣器不报警；

当设置在灌注桩内的电阻测量探头测得的电阻数据发生突变，当突变斜率绝对值大于2时，黄灯亮，蜂鸣器不报警；

当设置在灌注桩内的电阻测量探头测得电阻数据发生突变后进入平稳段，在平稳段连续三个10s的时间段内最大值和最小值的差值小于10Ω时，红灯常亮，蜂鸣器处于报警状态鸣叫；

并将反馈信号及相应操作数据实时反馈回微控制器，作为操作日志存储；

步骤四：启动无线通信模块，通过微控制器向其发送控制指令，无线通信模块判断该指令是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收控制指令，如果判断为是，则控制微控制器将内部存储的温度数据及操作日志发送至无线通信模块，无线通信模块通过无线网络将数据上传至数据监控计算机；

步骤五：数据监控计算机对接收到的温度数据及电阻数据进行分析处理，通过与预设的导电性能差异阈值进行比较，判断当前灌注桩内泥浆与混凝土状态，将结果显示在显示屏上，并向微控制器反馈相应的状态信号，对声光报警模块进行相应的声光控制。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种灌注桩超灌监测系统，通过二极法测量灌注桩浇灌混凝土时标高处的电阻，利用护壁泥浆、护壁泥浆与混凝土混合体和混凝土三者的导电性能差异原理，结合温度数据，判断灌注桩内混凝土的灌注情况；本发明基于土木工程信息化发展需求，在基于标高处电阻导电性能差异的特点，采用相应单片机微控制器、电阻测量仪器、通信模块，综合硬件和软件对混凝土超灌情况进行监控，本发明具备数据采集、分析、存储功能，并具备自动报警功能，可以有效提高灌注桩超灌监控效率，降低人力成本。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明的电路结构示意图；

图2为本发明微控制器的电路结构示意图；

图3为本发明无线通信模块的电路图；

图4为本发明温度采集流程步骤框图；

图5为本发明声光报警流程步骤框图；

图6为本发明数据传输流程步骤框图；

图7为采用本发明超灌监控方法进行的现场试验数据图；

图中：1为数据监控计算机、2为LCR测试仪、3为微控制器、4为电阻测量探头、5为声光报警模块、6为温度传感器、7为无线通信模块。

具体实施方式

如图1至图6所示，本发明一种灌注桩超灌监控系统，包括上位机和下位机，所述上位机具体为数据监控计算机（1），所述下位机包括LCR测试仪（2）和微控制器（3）；

所述LCR测试仪（2）的信号反馈端通过导线与电阻测量探头（4）相连，所述电阻测量探头（4）设置在灌注桩浇灌混凝土时的标高处，所述LCR测试仪（2）的信号控制端通过导线与数据监控计算机（1）相连；

所述微控制器（3）通过导线分别与声光报警模块（5）、温度传感器（6）相连；

所述数据监控计算机（1）和微控制器（3）的数据通信端均连接有无线通信模块（7），所述数据监控计算机（1）通过无线网络与微控制器（3）无线连接。

所述微控制器（3）使用的芯片为控制芯片U1，所述温度传感器（6）使用的芯片为温度传感芯片U2，所述无线通信模块（7）使用的芯片为无线通信芯片U3；所述微控制器（3）的电路结构为：

所述控制芯片U1的D2引脚并接温度传感芯片U2的DQ端后与电阻R0的一端相连，所述电阻R0的另一端并接温度传感芯片U2的VDD端后与控制芯片U1的3.3V电源输出端相连；

所述控制芯片U1的D3引脚与蜂鸣器LS1的1脚相连；

所述控制芯片U1的D31引脚并接复位开关K1的一端后接地，所述复位开关K1的另一端与蜂鸣器LS1的2脚相连；

所述控制芯片U1的D47引脚依次串接电阻R3和发光二极管D2后接地；

所述控制芯片U1的D49引脚依次串接电阻R2和发光二极管D1后接地；

所述控制芯片U1的D51引脚依次串接电阻R1和发光二极管D3后接地；

所述控制芯片U1的D16引脚与无线通信芯片U3的9脚相连；

所述控制芯片U1的D17引脚与无线通信芯片U3的10脚相连。

所述数据监控计算机（1）中单片机型号为STM32F103U8T6；

所述控制芯片U1的型号为Arduino Mega 2560；

所述温度传感芯片U2的型号为DS18B20；

所述无线通信模块（7）具体为Zigbee无线通信模块，所述无线通信芯片U3的型号为KLZB214A。

一种灌注桩超灌监控方法，包括如下步骤：

步骤一：在工地钻孔灌注桩附近启动LCR测试仪（2）和微控制器（3），将电阻测量探头（4）和温度传感器（6）埋入钻孔灌注桩浇灌混凝土的标高处、护壁泥浆中，测量该处电阻及温度数据；所述LCR测试仪（2）采集到的电阻数据通过现场通信总线将数据上传至数据监控计算机（1）；

步骤二：启动温度传感器（6），通过微控制器（3）向其发送控制指令，温度传感器控制芯片U2判断该指令是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收控制指令，如果判断为是，则控制温度传感器（6）开始采集相应位置的温度数据，并将采集数据实时反馈回微控制器（3）；

步骤三：启动声光报警模块（5），通过微控制器（3）向其发送反馈信号，声光报警模块（5）判断该信号是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收反馈信号，如果判断为是，则控制声光报警模块（5）内部相应元器件执行相应操作，用于表示当前灌注桩的超灌情况：

当设置在灌注桩内的电阻测量探头（4）测得的电阻数据是预设的泥浆电阻值时，绿灯亮，蜂鸣器不报警；

当设置在灌注桩内的电阻测量探头（4）测得的电阻数据发生突变，当突变斜率绝对值大于2时，黄灯亮，蜂鸣器不报警；

当设置在灌注桩内的电阻测量探头（4）测得电阻数据发生突变后进入平稳段，在平稳段连续三个10s的时间段内最大值和最小值的差值小于10Ω时，红灯常亮，蜂鸣器处于报警状态鸣叫；

并将反馈信号及相应操作数据实时反馈回微控制器（3），作为操作日志存储；

步骤四：启动无线通信模块（7），通过微控制器（3）向其发送控制指令，无线通信模块（7）判断该指令是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收控制指令，如果判断为是，则控制微控制器（3）将内部存储的温度数据及操作日志发送至无线通信模块（7），无线通信模块（7）通过无线网络将数据上传至数据监控计算机（1）；

步骤五：数据监控计算机（1）对接收到的温度数据及电阻数据进行分析处理，通过与预设的导电性能差异阈值进行比较，判断当前灌注桩内泥浆与混凝土状态，将结果显示在显示屏上，并向微控制器反馈相应的状态信号，对声光报警模块（5）进行相应的声光控制。

本发明基于以下测量原理对灌注桩超灌情况进行监控：

混凝土的电阻率是表征混凝土导电性的基本参数之一，可以用来反映混凝土对电流阻碍作用的大小，在温度一定的情况下，可以使用电阻与横截面积的乘积与长度的比值计算混凝土的电阻率，常用单位为Ω•m；混凝土的电阻率由内因和外因两方面共同决定，而与其长度、横截面等因素无关，内因具体包括混凝土本身的配合比、外加剂、掺和料、龄期等，外因包括温度、压力、磁场等环境因素。

在工业领域中电阻率测试不仅可以应用于研究水泥水化过程，还可应用于混凝土性能的表征，混凝土的结构裂缝不仅会降低抗渗性能，而且会引起钢筋锈蚀，加速混凝土的碳化，是影响结构耐久性的一个很重要的因素，混凝土发生开裂和因开裂湿度下降，都会使得电阻率显著增大。

本发明提供的下位机具体基于Arduino单片机，使用的微控制器可以执行水下温度采集、声光报警和数据无线传输等功能。

本发明使用的温度传感器采用美国Dallas半导体公司研发的DS18B20数字温度传感器，采用单总线的接口方式，与微控制器连接时，一根信号传输线可以实现数据的接收与传输；温度传感器依靠Arduino Mega 2560微控制器的3.3v供电口供电，微控制器通过DATA线串联10千欧姆的上拉电阻，并与微控制器的D2号管脚相连，将采集的温度数据传输到微控制器。

如图7所示，由于泥浆层电阻明显区别于混凝土层，在灌注过程中由泥浆层到混凝土层的电阻率有明显的突变段；本发明在使用时，通过外接声光报警模块可以对当前超灌情况进行状态表示，所述声光报警模块中设置有红黄绿三个指示灯及相应的蜂鸣报警器，测量状态情况如下：

在灌注桩灌注过程中，电阻测量探头首先接触泥浆层，此时接收到上位机命令的声光报警模块中绿灯亮，蜂鸣器不报警；

然后探头测得电阻发生突变，突变段斜率绝对值大于2，黄灯亮，蜂鸣器不报警；

最后探头测得电阻发生突变后进入平稳段，在平稳段连续3个10s的时间段内最大值和最小值的差值小于10Ω时，红灯常亮，蜂鸣器一直鸣叫。此时混凝土达到要求高度，结束灌注，复位键关闭声光报警系统；整个监测过程，温度数据通过无线通信模块实时传输到上位机LabVIEW前面板。

本发明另外在声光报警模块中添加一个复位开关，在监控结束停止时，按一下复位开关即可将所有灯熄灭，蜂鸣器停止报警，实现声光报警模块初始化，所述声光报警模块具体为一个信号反馈执行器。

所述微控制器的某些管脚配置有闲置的内置电阻，通过编写代码便可调用，本申请采用代码调用的方法实现该功能，通过写入相应指令将引脚设置为输入拉出模式，可以编写声光模块的代码，具备自由编写声光报警规则的能力，自由度更高。

本发明另外在上位机和下位机内部设置有Zigbee无线通信模块；在使用时，将两个ZigBee模块A和B通过USB数据线与相应的控制器相连，通过串口设置软件依次将模块ZigBee模块A设置为协调器，ZigBee模块B设置为路由器；在下位机控制指令编写过程中，也要将微控制器的通信串口与之匹配；本发明使用的Zigbee无线通信芯片KLZB213A是一款通用低功耗zigbee无线模块，采用TI公司生产的CC2530F256RHAR第二代zigbee主控芯片，性价比高、兼容性强，使用简单。

本发明使用的上位机基于LabVIEW平台的人机交互软件设计，可以实现电阻和温度数据的自动采集、保存及处理，支持自动标定监控报警参数功能。

本发明使用的LCR测试仪采用常州同惠TH2830型号的电阻数据采集仪器，该设备支持总线触发方式运行，具备USB HOST通讯接口，符合USB测试和测量(USBTMC)协议，可以通过使用LabVIEW的USB INSTR控制指令进行直接控制。

LabVIEW程序框图设计采用顺序结构+While循环内嵌顺序结构，上位机向下位机LCR测试仪发送数据采集命令可以实时采集到电阻测量探头采集到的电阻数据；

在采集温度数据后，LabVIEW程序框图设计采用顺序结构+While循环内嵌顺序结构，通过ZigBee模块可以与下位机实现数据的双向通信；

进行数据保存时，在LabVIEW前面板设置一个保存路径，LabVIEW程序框图设计采用顺序结构+While循环结构，将采集到的阻抗数据、温度数据与格式化时间/时间字符串控件通过连接字符串相连，实现采集数据并记录时间；最后将所有数据写入电子表格文件，实现将监控数据自动保存的功能。

本发明还具备自动标定报警功能，当采集到本次浇筑混凝土的样品后，利用电阻数据采集探头，对该样品进行多个数据快速采集，首先从电阻数据的采集串口中获得信号，原理同电阻数据自动采集系统一样，其次利用移位寄存器将数据写入一维数组中，设定采集数据个数，利用统计控件将采集的数据进行相应处理，将处理后的数据值作为标定值，输入到数据监控计算机中，并通过超灌监测软件对上述数据进行管理控制。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种灌注桩超灌监控系统，其特征在于：包括上位机和下位机，所述上位机具体为数据监控计算机（1），所述下位机包括LCR测试仪（2）和微控制器（3）；

所述LCR测试仪（2）的信号反馈端通过导线与电阻测量探头（4）相连，所述电阻测量探头（4）设置在灌注桩浇灌混凝土时的标高处，所述LCR测试仪（2）的信号控制端通过导线与数据监控计算机（1）相连；

所述微控制器（3）通过导线分别与声光报警模块（5）、温度传感器（6）相连；

所述数据监控计算机（1）和微控制器（3）的数据通信端均连接有无线通信模块（7），所述数据监控计算机（1）通过无线网络与微控制器（3）无线连接;

所述微控制器（3）使用的芯片为控制芯片U1，所述温度传感器（6）使用的芯片为温度传感芯片U2，所述无线通信模块（7）使用的芯片为无线通信芯片U3；所述微控制器（3）的电路结构为：

所述控制芯片U1的D2引脚并接温度传感芯片U2的DQ端后与电阻R0的一端相连，所述电阻R0的另一端并接温度传感芯片U2的VDD端后与控制芯片U1的3.3V电源输出端相连；

所述控制芯片U1的D3引脚与蜂鸣器LS1的1脚相连；

所述控制芯片U1的D31引脚并接复位开关K1的一端后接地，所述复位开关K1的另一端与蜂鸣器LS1的2脚相连；

所述控制芯片U1的D47引脚依次串接电阻R3和发光二极管D2后接地；

所述控制芯片U1的D49引脚依次串接电阻R2和发光二极管D1后接地；

所述控制芯片U1的D51引脚依次串接电阻R1和发光二极管D3后接地；

所述控制芯片U1的D16引脚与无线通信芯片U3的9脚相连；

所述控制芯片U1的D17引脚与无线通信芯片U3的10脚相连。

2.根据权利要求1所述的一种灌注桩超灌监控系统，其特征在于：所述数据监控计算机（1）中单片机型号为STM32F103U8T6；

所述控制芯片U1的型号为Arduino Mega 2560；

所述温度传感芯片U2的型号为DS18B20；

所述无线通信模块（7）具体为Zigbee无线通信模块，所述无线通信芯片U3的型号为KLZB214A。

3.一种灌注桩超灌监控方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：在工地钻孔灌注桩附近启动LCR测试仪（2）和微控制器（3），将电阻测量探头（4）和温度传感器（6）埋入钻孔灌注桩浇灌混凝土的标高处、护壁泥浆中，测量该处电阻及温度数据；所述LCR测试仪（2）采集到的电阻数据通过现场通信总线将数据上传至数据监控计算机（1）；

步骤二：启动温度传感器（6），通过微控制器（3）向其发送控制指令，温度传感器控制芯片U2判断该指令是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收控制指令，如果判断为是，则控制温度传感器（6）开始采集相应位置的温度数据，并将采集数据实时反馈回微控制器（3）；

步骤三：启动声光报警模块（5），通过微控制器（3）向其发送反馈信号，声光报警模块（5）判断该信号是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收反馈信号，如果判断为是，则控制声光报警模块（5）内部相应元器件执行相应操作，用于表示当前灌注桩的超灌情况：

当设置在灌注桩内的电阻测量探头（4）测得的电阻数据是预设的泥浆电阻值时，绿灯亮，蜂鸣器不报警；

当设置在灌注桩内的电阻测量探头（4）测得的电阻数据发生突变，当突变斜率绝对值大于2时，黄灯亮，蜂鸣器不报警；

当设置在灌注桩内的电阻测量探头（4）测得电阻数据发生突变后进入平稳段，在平稳段连续三个10s的时间段内最大值和最小值的差值小于10Ω时，红灯常亮，蜂鸣器处于报警状态鸣叫；

并将反馈信号及相应操作数据实时反馈回微控制器（3），作为操作日志存储；

步骤四：启动无线通信模块（7），通过微控制器（3）向其发送控制指令，无线通信模块（7）判断该指令是否为有效命令，如果判断为否，则忽略，待重新接收控制指令，如果判断为是，则控制微控制器（3）将内部存储的温度数据及操作日志发送至无线通信模块（7），无线通信模块（7）通过无线网络将数据上传至数据监控计算机（1）；

步骤五：数据监控计算机（1）对接收到的温度数据及电阻数据进行分析处理，通过与预设的导电性能差异阈值进行比较，判断当前灌注桩内泥浆与混凝土状态，将结果显示在显示屏上，并向微控制器反馈相应的状态信号，对声光报警模块（5）进行相应的声光控制。

Images