CN113216193A - 一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置及方法，装置包括伸缩杆和设有两个支臂的固定盒，一支臂上设有与数据采集仪通讯连接且半径为a的弧形压力监测盒，另一支臂上设有半径为a的弧形侧壁顶片；固定盒上设有使两个支臂相反运动的动力机构和固定插杆。基于装置的方法：在灌注桩钻孔周边钻取半径为a的钻孔A；并对从钻孔A底部获取的土体样本进行三轴压缩试验；将固定盒放置钻孔A底部；利用动力机构使弧形压力监测盒和弧形侧壁顶片顶靠钻孔A侧壁；弧形压力监测盒的初始压力值归零；向灌注桩钻孔倒入混凝土，当数据采集仪采集到的压力值≥压力报警阈值时报警提示。本发明可对超灌高度进行精确控制，且操作便携可靠，省事省力。

Description

一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置及方法

技术领域

本发明属于建筑施工技术领域，尤其涉及一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置及方法。

背景技术

作为工程桩的钻孔灌注桩的桩顶标高一般位于基坑底部，在基坑深度大，尤其是10.0m以上时，上部出现深空孔，即低标高桩顶钻孔灌注桩。在水下混凝土灌注施工中，现场基本上都是靠测绳人工测量的方法测量钻孔灌注桩的桩顶标高，不仅不准确，而且费时、费力大。在低标高桩顶水下钻孔灌注桩施工时，有时会因欠灌造成严重的质量事故。为确保桩顶混凝土质量，通常需要超灌0.8～1.0m，但由于测量方法和水平的差异，超灌高度有的达到5.0m以上，不仅造成混凝土材料的浪费，而且造成土方开挖困难和桩头破除及外运费用，大大增加了工程成本。

鉴于此，亟需设计研发一种便于对水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度进行精确控制的装置及方法。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供了一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置及方法，不仅能对水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度进行精确控制，而且操作便携可靠，省事省力。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，包括伸缩杆和设置于所述伸缩杆一端的固定盒，所述固定盒上水平滑动安装有第一支臂和第二支臂，所述第一支臂和所述第二支臂对称且共轴设置；所述第一支臂的一端设有与数据采集仪通讯连接的弧形土压力监测盒，所述第二支臂的一端设有弧形侧壁顶片，所述弧形土压力监测盒和所述弧形侧壁顶片的半径均等于预设值a；

所述固定盒内设有用于驱动所述第一支臂和所述第二支臂相背或相对运动的动力机构，所述固定盒的底部设有固定插杆。

优选地，所述动力机构包括转动设置在所述固定盒内的传动齿轮及滑动设置在所述固定盒内的第一齿条结构、第二齿条结构；

所述传动齿轮与所述伸缩杆固定连接，所述第一齿条结构和所述第二齿条结构位于所述传动齿轮的相对两侧且均与所述传动齿轮啮合；

所述第一齿条结构借助第一连接杆与所述第一支臂固定连接，所述第一齿条结构与所述第一支臂平行；所述第二齿条结构借助第二连接杆与所述第二支臂固定连接，所述第二齿条结构与所述第二支臂平行。

优选地，所述固定盒的两相对内侧壁上分别设有水平延伸的导向滑槽，所述第一齿条结构和第二齿条结构分别设有与对应所述导向滑槽相适配的导向凸起；

或者，所述固定盒的两相对内侧壁上分别设有水平延伸的导向凸起，所述第一齿条结构和第二齿条结构分别设有与对应所述导向凸起相适配的导向滑槽。

优选地，所述动力机构包括第一电动推杆和第二电动推杆；

所述第一电动推杆的动力端与所述第一支臂固定连接，所述第二电动推杆的动力端与所述第二支臂固定连接；所述第一电动推杆和所述第二电动推杆均与所述数据采集仪电连接。

优选地，所述伸缩杆包括多个依次插装的套筒，相邻两个所述套筒之间设置有用于防止调节后回缩的锁止结构；所述锁止结构包括轴向间隔设置在所述套筒上多个调节孔和锁止螺栓；或者，所述伸缩杆为电动伸缩杆。

优选地，所述弧形土压力监测盒的数据传输线依次穿过所述第一支臂的内腔、所述固定盒和所述伸缩杆的内腔与所述数据采集仪有线通讯连接。

优选地，所述预设值a大于等于5cm且小于等于10cm；所述固定插杆的直径为5mm，长度为10cm，且底端为锥形尖头状。

第二方面，本发明实施例还提供了一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制方法，使用上述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置；所述控制方法包括：

S1、在灌注桩钻孔的周边钻取一半径为所述预设值a的钻孔A，所述钻孔A与所述灌注桩钻孔的孔间距为b，所述钻孔A的底部到超灌混凝土土面高程的距离为h；其中，300mm≤b≤500mm，h≥5.0m；

S2、在所述钻孔A的底部进行土体取样，并对获取的土体样本进行三轴压缩试验，获得土体样本的有效摩擦角φ；

依据土压力系数表达式k₀＝1-sinφ，得到所述钻孔A底部土层的侧压力系数k₁，k₁＝k₀；

S3、利用所述伸缩杆将所述固定盒放入到所述钻孔A的底部，同时，所述固定插杆嵌入到所述钻孔A的底部土层中以对所述固定盒进行定位；

S4、利用所述动力机构驱动所述第一支臂和所述第二支臂相背运动，使所述弧形土压力监测盒和所述弧形侧壁顶片顶靠在所述钻孔A的底部的侧壁上；其中，所述弧形土压力监测盒朝向所述灌注桩钻孔；

S5、通过所述数据采集仪将所述弧形土压力监测盒产生的初始压力值归零；

S6、借助混凝土导管将混凝土倒入到所述灌注桩钻孔中，当所述数据采集仪采集到的压力值大于等于预设的压力报警阈值时，所述数据采集仪发出报警提示，此时混凝土土面高程达到所述超灌混凝土土面高程。

优选地，所述压力报警阈值＝(ρ-ρ’)·g·h·k₁，其中，ρ表示灌注桩中混凝土的密度；ρ’表示灌注桩中水泥浆的密度，g表示重力常数。

优选地，所述控制方法包括：

S7、利用所述动力机构驱动所述第一支臂和所述第二支臂相对运动、恢复初始状态；然后借助所述伸缩杆从所述钻孔A中取出所述固定盒。

由于采用了上述技术方案，取得的有益效果如下：

本发明中的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，包括伸缩杆和设于伸缩杆一端的固定盒，固定盒上水平滑动安装有对称且共轴设置的第一、第二支臂；第一支臂的一端设有与数据采集仪通讯连接的弧形土压力监测盒，第二支臂的一端设有弧形侧壁顶片，弧形土压力监测盒和弧形侧壁顶片的半径均等于预设值a；固定盒内设有用于驱动第一支臂和第二支臂相背或相对运动的动力机构，固定盒的底部设有至少两根固定插杆。控制方法是基于上述控制装置进行实施的，在灌注桩钻孔的周边钻取一半径为预设值a的钻孔A，钻孔A的底部到超灌混凝土土面高程的距离为h；并对从钻孔A的底部获取的土体样本进行三轴压缩试验；固定盒放入到钻孔A的底部；利用动力机构使弧形土压力监测盒和弧形侧壁顶片顶靠在钻孔A的侧壁；数据采集仪将弧形土压力监测盒产生的初始压力值归零；向灌注桩钻孔内倒入混凝土，当数据采集仪采集到的压力值≥预设的压力报警阈值时发出报警提示，此时混凝土土面高程达到超灌混凝土土面高程。

本发明基于灌注桩中泥浆重度与混凝土重度不同，在灌注过程中对灌注桩孔的侧壁产生侧向土压力的原理进行研发设计；与现有靠测绳人工测量的方法相比，不仅能对水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度进行精确控制，而且操作便携可靠，省事省力；保证桩头质量的同时还可节约工程成本。

附图说明

图1是本发明水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置的结构示意图；

图2是水下钻孔灌注桩的施工布局图；

图3是图2中B处结构的俯视图；

图4是本发明水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制方法的流程图；

图中：1-伸缩杆，11-套筒，12-锁止螺栓，2-固定盒，21-第一支臂，22-第二支臂，23-弧形土压力监测盒，231-数据传输线，24-弧形侧壁顶片，25-固定插杆，3-数据采集仪，4-动力机构，41-传动齿轮，42-第一齿条结构，43-第二齿条结构，44-第一连接杆，45-第二连接杆，5-混凝土导管，6-灌注桩钻孔，7-钢筋笼。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，本发明描述的实施例仅仅是为了便于简化描述，不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

由图1和图3共同所示，本实施例公开了一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，包括伸缩杆1和设置于伸缩杆1一端(底端)的固定盒2，固定盒2上水平滑动安装有第一支臂21和第二支臂22，第一支臂21和第二支臂22对称且共轴设置；第一支臂21的一端设有与数据采集仪3(可采用市面上销售的现有产品)通讯连接(无线通讯连接或有线通讯连接)的弧形土压力监测盒23(内有一个压力传感器；或者内有周向排布的多个压力传感器，多个压力传感器时，监测的压力值为平均值)，第二支臂22的一端设有弧形侧壁顶片24，弧形土压力监测盒23和弧形侧壁顶片24的半径均等于预设值a；

固定盒2内设有用于驱动第一支臂21和第二支臂22相背或相对运动的动力机构4，固定盒2的底部设有固定插杆25。

为确保通讯的可靠性，本实施例优选有线通讯的方式，弧形土压力监测盒23的数据传输线231依次穿过第一支臂21的内腔、固定盒2和伸缩杆1的内腔与数据采集仪3有线通讯连接。

本实施例中，动力机构4包括转动设置在固定盒2内的传动齿轮41及滑动设置在固定盒2内的第一齿条结构42、第二齿条结构43；伸缩杆1的末端伸入固定盒2内与传动齿轮41固定连接，第一齿条结构42和第二齿条结构43位于传动齿轮41的相对两侧且均与传动齿轮41啮合。为了保证第一支臂21和第二支臂22同轴设置；本实施例中的第一齿条结构42借助第一连接杆44与第一支臂21固定连接，第一齿条结构42与第一支臂21平行，第一连接杆44与第一齿条结构42和第一支臂21均垂直；第二齿条结构43借助第二连接杆45与第二支臂22固定连接，第二齿条结构43与所述第二支臂22平行，第二连接杆45与第二齿条结构43和第二支臂22均垂直。

为了确保第一齿条结构42和第二齿条结构43运动的平稳性，本实施例在固定盒2的两相对内侧壁上分别设有水平延伸的导向滑槽，第一齿条结构42和第二齿条结构43上分别设有与对应导向滑槽相适配的导向凸起，导向凸起在导向滑槽内滑动。另一些实施例中，在固定盒2的两相对内侧壁上分别设有导向凸起，第一齿条结构42和第二齿条结构43上设有与导向凸起相适配的导向滑槽。优选地，导向滑槽为燕尾状导向滑槽。

另一些实施例中，动力机构4包括第一电动推杆和第二电动推杆；第一电动推杆的动力端与第一支臂21固定连接，第二电动推杆的动力端与第二支臂22固定连接；第一电动推杆和第二电动推杆均与数据采集仪3或者电源电连接；通电伸长，断电缩回，在此不做详细赘述。

本实施例中，伸缩杆1包括多个依次插装的套筒11，相邻两个套筒11之间设置有用于防止调节后回缩的锁止结构；锁止结构包括轴向间隔设置在套筒11上多个调节孔和锁止螺栓12；调节好套筒11位置后，锁止螺栓12穿过相邻两个套筒11上对应的两个调节孔，进行位置锁定；另一些实施例中，伸缩杆1为电动伸缩杆。

本实施例中，预设值a大于等于5cm且小于等于10cm，优选7.5cm。固定插杆25设置有两根，其直径为5mm，长度为10cm，且底端为锥形尖头状。

实施例二：

本实施例公开了一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制方法，基于实施例一公开的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置。

由图2至图4共同所示，本实施例公开的控制方法包括：

S1、在灌注桩钻孔6的周边钻取一半径为预设值a的钻孔A，钻孔A与灌注桩钻孔6的孔间距为b，钻孔A的底部到超灌混凝土土面高程的距离为h；其中，300mm≤b≤500mm，h≥5.0m。

S2、在钻孔A的底部进行土体取样，并对获取的土体样本进行三轴压试验(建筑施工领域的常规试验，在此不做赘述)，获得土体样本的有效摩擦角φ；

依据土压力系数表达式k₀＝1-sinφ，得到钻孔A底部土层的侧压力系数k₁，k₁＝k₀。

S3、利用伸缩杆1将固定盒2放入到钻孔A的底部，同时，固定插杆25嵌入到钻孔A的底部土层中以对固定盒2进行定位。

S4、利用动力机构4驱动第一支臂21和第二支臂22相背运动，使弧形土压力监测盒23和弧形侧壁顶片24顶靠在钻孔A的底部的侧壁上；其中，弧形土压力监测盒23朝向灌注桩钻孔6(可确保监测的准确性)。

本实施例中，固定盒2在钻孔A的底部定位后，旋转伸缩杆1驱时传动齿轮41转动，同时与之啮合的第一齿条结构42和第二齿条结构43做相背运动，第一支臂21和第二支臂22相背运动，使弧形土压力监测盒23和弧形侧壁顶片24顶靠在钻孔A的底部的侧壁上。

S5、通过数据采集仪3将弧形土压力监测盒23产生的初始压力值归零。

S6、借助混凝土导管5将混凝土倒入到灌注桩钻孔6中(此时已经在灌注桩钻孔6放入了钢筋笼7)，当数据采集仪3采集到的压力值大于等于预设的压力报警阈值时，数据采集仪3发出报警提示，此时混凝土土面高程达到超灌混凝土土面高程。

其中，压力报警阈值＝(ρ-ρ’)·g·h·k₁，其中，ρ表示灌注桩中混凝土的密度；ρ’表示灌注桩中水泥浆的密度，g表示重力常数(≈9.8N/kg)。

S7、利用动力机构驱动第一支臂21和第二支臂22相对运动、恢复初始状态；然后借助伸缩杆1从钻孔A中取出固定盒2。

考虑到，钻孔A与灌注桩钻孔6相隔较近时，两个孔容易贯通；相隔较远时，压力传递误差较大，影响控制精度，本实施中b优选500mm，h优选5.0m。

本发明基于灌注桩中泥浆重度与混凝土重度不同，在灌注过程中对灌注桩孔的侧壁产生侧向土压力的原理进行研发设计；与现有靠测绳人工测量的方法相比，不仅能对水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度进行精确控制，而且操作便携可靠，省事省力；保证桩头质量的同时还可节约工程成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改.等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，包括伸缩杆和设置于所述伸缩杆一端的固定盒，所述固定盒上水平滑动安装有第一支臂和第二支臂，所述第一支臂和所述第二支臂对称且共轴设置；所述第一支臂的一端设有与数据采集仪通讯连接的弧形土压力监测盒，所述第二支臂的一端设有弧形侧壁顶片，所述弧形土压力监测盒和所述弧形侧壁顶片的半径均等于预设值a；

所述固定盒内设有用于驱动所述第一支臂和所述第二支臂相背或相对运动的动力机构，所述固定盒的底部设有固定插杆。

2.根据权利要求1所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，所述动力机构包括转动设置在所述固定盒内的传动齿轮及滑动设置在所述固定盒内的第一齿条结构、第二齿条结构；

所述传动齿轮与所述伸缩杆固定连接，所述第一齿条结构和所述第二齿条结构位于所述传动齿轮的相对两侧且均与所述传动齿轮啮合；

所述第一齿条结构借助第一连接杆与所述第一支臂固定连接，所述第一齿条结构与所述第一支臂平行；所述第二齿条结构借助第二连接杆与所述第二支臂固定连接，所述第二齿条结构与所述第二支臂平行。

3.根据权利要求2所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，所述固定盒的两相对内侧壁上分别设有水平延伸的导向滑槽，所述第一齿条结构和第二齿条结构分别设有与对应所述导向滑槽相适配的导向凸起；

或者，所述固定盒的两相对内侧壁上分别设有水平延伸的导向凸起，所述第一齿条结构和第二齿条结构分别设有与对应所述导向凸起相适配的导向滑槽。

4.根据权利要求1所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，所述动力机构包括第一电动推杆和第二电动推杆；

所述第一电动推杆的动力端与所述第一支臂固定连接，所述第二电动推杆的动力端与所述第二支臂固定连接；所述第一电动推杆和所述第二电动推杆均与所述数据采集仪电连接。

5.根据权利要求1所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，所述伸缩杆包括多个依次插装的套筒，相邻两个所述套筒之间设置有用于防止调节后回缩的锁止结构；所述锁止结构包括轴向间隔设置在所述套筒上多个调节孔和锁止螺栓；或者，所述伸缩杆为电动伸缩杆。

6.根据权利要求5所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，所述弧形土压力监测盒的数据传输线依次穿过所述第一支臂的内腔、所述固定盒和所述伸缩杆的内腔与所述数据采集仪有线通讯连接。

7.根据权利要求1所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置，其特征在于，所述预设值a大于等于5cm且小于等于10cm；所述固定插杆的直径为5mm，长度为10cm，且底端为锥形尖头状。

8.一种水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制方法，其特征在于，使用权利要求1～7任一项所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制装置；所述控制方法包括：

S1、在灌注桩钻孔的周边钻取一半径为所述预设值a的钻孔A，所述钻孔A与所述灌注桩钻孔的孔间距为b，所述钻孔A的底部到超灌混凝土土面高程的距离为h；其中，300mm≤b≤500mm，h≥5.0m；

S2、在所述钻孔A的底部进行土体取样，并对获取的土体样本进行三轴压缩试验，获得土体样本的有效摩擦角φ；

依据土压力系数表达式k₀＝1-sinφ，得到所述钻孔A底部土层的侧压力系数k₁，k₁＝k₀；

S3、利用所述伸缩杆将所述固定盒放入到所述钻孔A的底部，同时，所述固定插杆嵌入到所述钻孔A的底部土层中以对所述固定盒进行定位；

S4、利用所述动力机构驱动所述第一支臂和所述第二支臂相背运动，使所述弧形土压力监测盒和所述弧形侧壁顶片顶靠在所述钻孔A的底部的侧壁上；其中，所述弧形土压力监测盒朝向所述灌注桩钻孔；

S5、通过所述数据采集仪将所述弧形土压力监测盒产生的初始压力值归零；

S6、借助混凝土导管将混凝土倒入到所述灌注桩钻孔中，当所述数据采集仪采集到的压力值大于等于预设的压力报警阈值时，所述数据采集仪发出报警提示，此时混凝土土面高程达到所述超灌混凝土土面高程。

9.根据权利要求8所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制方法，其特征在于，所述压力报警阈值＝(ρ-ρ’)·g·h·k₁，其中，ρ表示灌注桩混凝土的密度；ρ’表示灌注桩中水泥浆的密度，g表示重力常数。

10.根据权利要求8所述的水下钻孔灌注桩混凝土超灌高度控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

S7、利用所述动力机构驱动所述第一支臂和所述第二支臂相对运动、恢复初始状态；然后借助所述伸缩杆从所述钻孔A中取出所述固定盒。

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