CN115522574A - 一种旋喷施工轨迹的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋喷施工轨迹的标定方法，属于地基处理领域中旋喷桩施工质量监测技术方面，基于倾角传感器和深度传感器对旋喷桩施工过程中钻头的施工轨迹进行实时监测的方法，具体采用如下步骤：建立空间直角坐标系；仪器准备；预试验准备；预测模型优化；工程现场试验；结果推广与应用。本发明通过采用倾角传感器和深度传感器，建立数学模型，精确确定施工过程中钻头的位置，进而对垂直度是否满足规范要求进行校核，通过及时调整旋喷参数，加大旋喷直径以弥补垂直度造成的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及地基处理领域中旋喷桩施工质量监测技术方面，特别涉及到一种旋喷施工轨迹的标定方法。
背景技术
旋喷桩是利用钻机将旋喷注浆管及喷头钻置于桩底设计高程，将预先配制好的浆液通过高压发生装置使液流获得巨大能量后，从注浆管边的喷嘴中高速喷射出来，形成一股能量高度集中的液流，直接破坏土体，喷射过程中，钻杆边旋转边提升，使浆液与土体充分搅拌混合，在土中形成一定直径的柱状固结体，从而使地基得到加固。
目前，旋喷桩施工工程中采用测斜仪对引孔的垂直度进行校核，当测量出垂直度大于规范要求时，调整钻机下钻角度对角度进行纠偏，以满足规范要求，但是施工后采用该引孔进行施工会因为钻孔偏移导致旋喷桩整体偏移，若果是止水工程，可能会导致漏水。岩土行业内为了解决垂直度的问题有一定的研究，双轮铣槽机上具备垂直度监测的设备。现有双轮铣槽机刀架回转角度的测量主要通过在回转油缸下部安装绝对式角度编码器来实现，通常设计防水装置及采用管线进行电连接来按照绝对式角度编码器。通过在刀架连接轴与偏转油缸之间安装绝对式角度编码器，测量刀架架体相对于连接轴的偏转角度，由于连接轴与主机通过钢丝绳吊起，属于软性连接，连接轴本身与主机之间也会产生一定的偏转角度，且无法测量。
因此，整个岩土行业并没有一个比较准确的垂直度测量方法，特别是在旋喷桩领域，垂直度的监测只能靠引孔时测斜仪测量，误差比较大，并且测量起来十分繁琐。基于此本发明提出了一种旋喷施工轨迹的标定方法。通过数学模型计算的方法反演出钻头的实时位置，如果出现垂直度超过规范值，可以通过及时调整旋喷参数，加大旋喷直径以弥补垂直度造成的缺陷。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种旋喷施工轨迹的标定方法，克服了现有技术的不足。通过采用倾角传感器和深度传感器，建立数学模型，精确确定施工过程中钻头的位置，进而对垂直度是否满足规范要求进行校核，通过及时调整旋喷参数，加大旋喷直径以弥补垂直度造成的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种旋喷施工轨迹的标定方法，其特征在于，基于倾角传感器和深度传感器对旋喷桩施工过程中钻头的施工轨迹进行实时监测的方法，具体采用如下步骤：
步骤一：建立空间直角坐标系
以地表桩位中心点为坐标系原点，建立空间直角坐标系，假设钻机带钻杆一侧的轴线为纵轴y，从地面向地下的方向为竖轴z；
步骤二：仪器准备
将倾角传感器安装在旋喷钻头靠近钻尖的部分，将深度传感器安装在钻喷钻机卷扬机的位置，倾角传感器测量的是两个角度，包括任意点在xoz平面内的投影点、任意点、坐标系原点三者组成的平面与z轴之间的夹角，此角度假设为M，以及任意点在yoz平面内的投影点、任意点、坐标系原点三者组成的平面与z轴之间的夹角，此角度假设为N，深度传感器测量的是任意点到坐标系原点的距离，此距离假设为L；
步骤三：预试验准备
采用透明圆管粘结出假设角度的钻头轨迹，将倾角传感器在透明圆管内运动，并且采用深度传感器测量倾角传感器行走的距离，建立空间直角坐标系，采用测量设备测量出任意点的空间坐标（x，y，z）；
对任意一点的空间坐标建立数学模型，任意一点的空间坐标通过换算和计算，可以表示为（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），将计算出的坐标值与测量的空间坐标进行对比，如果误差在2mm范围内，则模型预测准确，如果误差超过2mm则对深度传感器的长度进行调整；
步骤四：预测模型优化
将模型运算完成后，将计算出的x，y坐标与上一点的x1，y1坐标对比，假设角度M和角度N之间较小得的值为F，若存在x大于x1且y大于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的cosF；若存在x小于且x1或者y小于等于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的sinF，其他情况不改变L的长度，采用优化后的模型降误差降低到2mm以下；
步骤五：工程现场试验
采用引孔钻机施工，施工完成引孔后将旋喷钻杆下放到引孔底部，提升钻杆开始旋喷施工，提升钻杆的同时对钻尖位置的角度M、角度N、任意点到坐标系原点的距离L进行采集，根据倾角传感器和深度传感器监测的数据按照步骤三预试验准备中的模型进行计算任意点的空间坐标（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），并对预测模型进行优化，将任意点到坐标系原点的距离L按照步骤四进行运算；
步骤六：结果推广与应用
在实际旋喷过程中，采用倾角传感器和深度传感器对旋喷过程中钻头运动的轨迹进行模拟，可以获得整个旋喷桩在不同深度条件下任意点的位置，通过旋喷钻头的位置判定旋喷桩在施工过程中钻头位置与竖轴之间的偏移距离，将模型计算出的偏移距离与设计要求做对比，如果小于设计要求，即表明旋喷桩垂直度满足设计要求，否则旋喷桩垂直度不满足设计要求。
优选地，旋喷钻头在提升的过程中匀速进行，倾角传感器和深度传感器均每10s~30s采集一个数据，并且两者同时采集。
优选地，倾角传感器的个数为1~3个，若倾角传感器的个数大于1个，那么所有的传感器均安装在钻杆内部相同位置，且每个倾角传感器的数据单独收集计算，并将多个倾角传感器计算值取平均。
优选地，倾角传感器的抗振性能不小于20000g，监测精度高于0.01°，工作温度范围为-50℃～+95℃。
优选地，倾角传感器由前一点向下一点移动后，以前一点为原点指向下一点形成移动向量，当移动向量与垂直面的投影向下时，L数值为正，当移动向量与垂直面的投影向上时，L数值为负，当移动向量与垂直面的投影为一点时，将该移动过程清除。
本发明所带来的有益技术效果：通过采用倾角传感器和深度传感器，建立数学模型，精确确定施工过程中钻头的位置，进而对垂直度是否满足规范要求进行校核，通过及时调整旋喷参数，加大旋喷直径以弥补垂直度造成的缺陷。
附图说明
图1为本发明一种旋喷施工轨迹的标定方法的施工流程图。
图2为本发明一种旋喷施工轨迹的标定方法中空间坐标系建立图。
图3为本发明一种旋喷施工轨迹的标定方法中任意点与xoz平面间相对位置倾角示意图。
图4为本发明一种旋喷施工轨迹的标定方法中任意点与yoz平面间相对位置倾角示意图。
图5为本发明一种旋喷施工轨迹的标定方法中预试验设备布置示意图。
其中，1-底部十字支架、2-长竖杆、3-短竖杆、4-导轨、5-倾角传感器、6-深度传感器。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1：
对空间坐标模型的建立进一步解释，并将模型的分析、计算过程做一个案例分析。
从附图2~4可知，空间坐标系o-xyz中C点为待计算的预测点位置，并且已知夹角M、N，下面对M、N进行分析，根据附图2中，M为AA1和BA1之间的夹角，也是平面AA1DA与平面A1BC之间的夹角，根据附图3中N为AA1和DA1之间的夹角，也是平面AA1B1C与平面A1DC之间的夹角。那么通过三角函数关系及三角形的几何关系可以得出，
通过对上述方程组进行求解，最终得出
通过倾角传感器5、测出M、N的值，通过深度传感器6测出L的值，即可以求出A1A的值，也就是任意点的z坐标，再代入上述方程组即可求出AB、BC边的长度也就是x、y坐标，那么任意点的空间坐标就通过M、N、L表示出来，也就是（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L））。
实施例2：
如图5通过进行模型试验，模型试验是采用透明圆管粘结在一起，形成一个空间通道，通过倾角传感器5和深度传感器6对参数进行测量，建立空间直角坐标系，采用测量设备测量出任意点的空间坐标（x，y，z），通过计算值与实际测量值做对比确定模型的精确性。
对任意一点的空间坐标建立数学模型，任意一点的空间坐标通过换算和计算，可以表示为（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），将计算出的坐标值与测量的空间坐标进行对比，如果误差在2mm范围内，则模型预测准确，如果误差超过2mm则对深度传感器6的长度进行调整；
将模型运算完成后，将计算出的x，y坐标与上一点的x1，y1坐标对比，假设角度M和角度N之间较小得的值为F，若存在x大于x1且y大于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的cosF；若存在x小于且x1或者y小于等于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的sinF，其他情况不改变L的长度，采用优化后的模型降误差降低到2mm以下。
实施例3：
如图1~5所示，采用施工现场试验的方法验证模型的准确性，试验旋喷桩的长度为10m，桩径为800mm。
一种旋喷施工轨迹的标定方法，基于倾角传感器5和深度传感器6对旋喷桩施工过程中钻头的施工轨迹进行实时监测的方法，具体采用如下步骤：
步骤一：建立空间直角坐标系
以地表桩位中心点为坐标系原点，建立空间直角坐标系，假设钻机带钻杆一侧的轴线为纵轴y，从地面向地下的方向为竖轴z；
步骤二：仪器准备
将倾角传感器5安装在旋喷钻头靠近钻尖的部分，将深度传感器6安装在钻喷钻机卷扬机的位置，倾角传感器5测量的是两个角度，包括任意点在xoz平面内的投影点、任意点、坐标系原点三者组成的平面与z轴之间的夹角，此角度假设为M，以及任意点在yoz平面内的投影点、任意点、坐标系原点三者组成的平面与z轴之间的夹角，此角度假设为N，深度传感器6测量的是任意点到坐标系原点的距离，此距离假设为L；
步骤三：预试验准备
采用透明圆管粘结出假设角度的钻头轨迹，将倾角传感器5在透明圆管内运动，并且采用深度传感器6测量倾角传感器5行走的距离，建立空间直角坐标系，采用测量设备测量出任意点的空间坐标（x，y，z）；
对任意一点的空间坐标建立数学模型，任意一点的空间坐标通过换算和计算，可以表示为（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），将计算出的坐标值与测量的空间坐标进行对比，如果误差在2mm范围内，则模型预测准确，如果误差超过2mm则对深度传感器6的长度进行调整；
步骤四：预测模型优化
将模型运算完成后，将计算出的x，y坐标与上一点的x1，y1坐标对比，假设角度M和角度N之间较小得的值为F，若存在x大于x1且y大于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的cosF；若存在x小于且x1或者y小于等于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的sinF，其他情况不改变L的长度，采用优化后的模型降误差降低到2mm以下；
步骤五：工程现场试验
采用引孔钻机施工，施工完成引孔后将旋喷钻杆下放到引孔底部，提升钻杆开始旋喷施工，提升钻杆的同时对钻尖位置的角度M、角度N、任意点到坐标系原点的距离L进行采集，根据倾角传感器5和深度传感器6监测的数据按照步骤三预试验准备中的模型进行计算任意点的空间坐标（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），并对预测模型进行优化，将任意点到坐标系原点的距离L按照步骤四进行运算；
步骤六：结果推广与应用
在实际旋喷过程中，采用倾角传感器5和深度传感器6对旋喷过程中钻头运动的轨迹进行模拟，可以获得整个旋喷桩在不同深度条件下任意点的位置，通过旋喷钻头的位置判定旋喷桩在施工过程中钻头位置与竖轴之间的偏移距离，将模型计算出的偏移距离与设计要求做对比，如果小于设计要求，即表明旋喷桩垂直度满足设计要求，否则旋喷桩垂直度不满足设计要求。
优选地，旋喷钻头在提升的过程中匀速进行，倾角传感器5和深度传感器6均每10s~30s采集一个数据，并且两者同时采集。
优选地，倾角传感器5的个数为1~3个，若倾角传感器5的个数大于1个，那么所有的传感器均安装在钻杆内部相同位置，且每个倾角传感器5的数据单独收集计算，并将多个倾角传感器5计算值取平均。
优选地，倾角传感器5的抗振性能不小于20000g，监测精度高于0.01°，工作温度范围为-50℃～+95℃。
优选地，倾角传感器5由前一点向下一点移动后，以前一点为原点指向下一点形成移动向量，当移动向量与垂直面的投影向下时，L数值为正，当移动向量与垂直面的投影向上时，L数值为负，当移动向量与垂直面的投影为一点时，将该移动过程清除。
本发明一种旋喷施工轨迹的标定方法，通过采用倾角传感器5和深度传感器6，建立数学模型，精确确定施工过程中钻头的位置，进而对垂直度是否满足规范要求进行校核，通过及时调整旋喷参数，加大旋喷直径以弥补垂直度造成的缺陷。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种旋喷施工轨迹的标定方法，其特征在于，基于倾角传感器和深度传感器对旋喷桩施工过程中钻头的施工轨迹进行实时监测的方法，具体采用如下步骤：
步骤一：建立空间直角坐标系
以地表桩位中心点为坐标系原点，建立空间直角坐标系，假设钻机的轴线为纵轴y，从地面向地下的方向为竖轴z；
步骤二：仪器准备
将倾角传感器安装在旋喷钻头靠近钻尖的部分，将深度传感器安装在钻喷钻机卷扬机的位置，倾角传感器测量的是两个角度，包括任意点在xoz平面内的投影点、任意点、坐标系原点三者组成的平面与z轴之间的夹角，此角度假设为M，以及任意点在yoz平面内的投影点、任意点、坐标系原点三者组成的平面与z轴之间的夹角，此角度假设为N，深度传感器测量的是任意点到坐标系原点的距离，此距离假设为L；
步骤三：预试验准备
采用透明圆管粘结出假设角度的钻头轨迹，将倾角传感器在透明圆管内运动，并且采用深度传感器测量倾角传感器行走的距离，建立空间直角坐标系，采用测量设备测量出任意点的空间坐标（x，y，z）；
对任意一点的空间坐标建立数学模型，任意一点的空间坐标通过换算和计算，可以表示为（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），将计算出的坐标值与测量的空间坐标进行对比，如果误差在2mm范围内，则模型预测准确，如果误差超过2mm则对深度传感器的长度进行调整；
步骤四：预测模型优化
将模型运算完成后，将计算出的x，y坐标与上一点的x1，y1坐标对比，假设角度M和角度N之间较小得的值为F，若存在x大于x1且y大于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的cosF；若存在x小于且x1或者y小于等于y1那么任意点到坐标系原点的距离L变为L减去运算出来的坐标与坐标原点距离的sinF，其他情况不改变L的长度，采用优化后的模型降误差降低到2mm以下；
步骤五：工程现场试验
采用引孔钻机施工，施工完成引孔后将旋喷钻杆下放到引孔底部，提升钻杆开始旋喷施工，提升钻杆的同时对钻尖位置的角度M、角度N、任意点到坐标系原点的距离L进行采集，根据倾角传感器和深度传感器监测的数据按照步骤三预试验准备中的模型进行计算任意点的空间坐标（f（M，N，L），f（M，N，L），f（M，N，L）），并对预测模型进行优化，将任意点到坐标系原点的距离L按照步骤四进行运算；
步骤六：结果推广与应用
在实际旋喷过程中，采用倾角传感器和深度传感器对旋喷过程中钻头运动的轨迹进行模拟，可以获得整个旋喷桩在不同深度条件下任意点的位置，通过旋喷钻头的位置判定旋喷桩在施工过程中钻头位置与竖轴之间的偏移距离，将模型计算出的偏移距离与设计要求做对比，如果小于设计要求，即表明旋喷桩垂直度满足设计要求，否则旋喷桩垂直度不满足设计要求。
2.根据权利要求1所述的一种旋喷施工轨迹的标定方法，其特征在于，旋喷钻头在提升的过程中匀速进行，倾角传感器和深度传感器均每10s~30s采集一个数据，并且两者同时采集。
3.根据权利要求1所述的一种旋喷施工轨迹的标定方法，其特征在于，倾角传感器的个数为1~3个，若倾角传感器的个数大于1个，那么所有的传感器均安装在钻杆内部相同位置，且每个倾角传感器的数据单独收集计算，并将多个倾角传感器计算值取平均。
4.根据权利要求1所述的一种旋喷施工轨迹的标定方法，其特征在于，倾角传感器的抗振性能不小于20000g，监测精度高于0.01°，工作温度范围为-50℃～+95℃。
5.根据权利要求1所述的一种旋喷施工轨迹的标定方法，其特征在于，倾角传感器由前一点向下一点移动后，以前一点为原点指向下一点形成移动向量，当移动向量与垂直面的投影向下时，L数值为正，当移动向量与垂直面的投影向上时，L数值为负，当移动向量与垂直面的投影为一点时，将该移动过程清除。
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| CN110378616A (zh) * | 2019-07-26 | 2019-10-25 | 北京中岩大地科技股份有限公司 | 旋喷桩施工质量实时监测方法 |
| CN113846704A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-28 | 北京中岩大地科技股份有限公司 | 一种对旋喷压力进行标定的试验方法 |
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| 张斌;: "超高压大直径旋喷桩施工技术", 石家庄铁道大学学报(自然科学版), no. 1, 25 October 2018 (2018-10-25) * |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhu Qingkai Inventor after: Zhang Linhuan Inventor after: Song Weijie Inventor after: Wang Weitao Inventor after: Liu Guanglei Inventor after: Wu Siyu Inventor before: Zhu Qingkai Inventor before: Zhang Weijie Inventor before: Song Weijie Inventor before: Wang Weitao Inventor before: Liu Guanglei Inventor before: Wu Siyu |