CN116290142A - 一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置及实施方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置及实施方法，涉及基坑钢板桩测量技术领域，包括钢板桩、固定于钢板桩内壁的护管，所述护管顶部安装测角装置，底部连接钻头；所述钢板桩的每个测点成组设置超声波发射器和接收探头，金属片转动连接于护管内，以便保持竖直状态并反射超声波；所述测角装置包括测角筒体，测角筒体内填充液体介质，液体介质内设有悬浮薄片；所述测角筒体上侧固定有环形激光灯带，环形激光灯带内侧设有多点式激光传感器。本发明可以与钢板桩结合成为一体一同打入地下,对钢板桩的倾斜角度及弯曲变形曲线进行实时测量并输出数值，在超过允许倾斜角度时可以及时发出警报。

Description

一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置及实施方法

技术领域

本发明涉及全回收基坑围护墙身变形测量技术领域，尤其涉及一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置及实施方法。

背景技术

近年来，全回收基坑支护技术取得较快发展。全回收支护技术包含全回收围护和支撑结构。全回收围护结构主要有钢板桩、钢板桩与H型钢或钢管桩等结合的组合钢桩。全回收围护结构一般通过静压、锤击等型式打入土体，后续基坑开挖，坑外土体作用于围护结构，围护结构产生变形。

根据GB50497-2019《建筑基坑工程监测技术标准》规定，基坑工程安全等级二级以上应监测围护结构墙身变形。由于现行全回收围护结构均为钢制标准构件，工程常用的PVC测斜管不能与全回收围护结构同时一体打入地下，采用钢板桩、组合钢桩等全回收围护结构的基坑基本不做墙身变形，不符合现行国家标准的要求，更无法掌握全回收围护结构的工作性状。

如果采用分体施工方法，测斜管应先安装，由于全回收围护结构施工属挤土工艺，测斜管容易破坏。基于普通测斜管的材料，还存在管体破裂等问题，无法实现墙身的真实变形状态。

现有技术中已有将钢板桩与测斜管结合的方法，比如将光栅固定在测斜管上，通过光纤与钢板桩的共同变形来测量钢板桩的应变，但是采用光纤无法测量钢板桩打入时的初始倾角，也无法对钢板桩进行及时的纠正、调整。CN113063373A公开了一种可同时测量方位角的管桩倾斜角检测用同轴定位装置，其激光平行组件的原理是利用激光来指示刻度盘上的倾斜方位角，且激光组件在储油槽内自由滑动到角度最低处以此测量，若倾斜角度过小，可能存在滑动不到位的情况，无法精确测量实际的方位角。

CN113970303B公开了一种基于超声波的支盘桩轮廓检测系统及检测方法，利用超声波透射法检测导管间介质的超声波行程时间和波形等特征，据此判断桩体外轮廓形态，超声波传播情况复杂，在传递过程中能量会被削弱，虽然利用公式作出了一些调整及修正，但还是存在一定的误差，测量过程中还需要移动发射换能器和接受换能器的位置，只能同时用一组换能器发射超声波，否则在传播过程中会产生干扰。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置及实施方法，可以与钢板桩结合成为一体一同打入地下,对钢板桩的倾斜角度及弯曲变形曲线进行实时测量并输出数值，在超过允许倾斜角度时可以及时发出警报。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明的实施例提供了一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，包括钢板桩、固定于钢板桩内壁的护管，所述护管顶部安装测角装置，底部连接钻头；所述钢板桩的每个测点成组设置超声波发射器和接收探头，金属片转动连接于护管内，以便保持竖直状态并反射超声波；

所述测角装置包括测角筒体，测角筒体内填充液体介质，液体介质内设有悬浮薄片；所述测角筒体上侧固定有环形激光灯带，环形激光灯带内侧设有多点式激光传感器。

作为进一步的实现方式，所述护管底部安装报警装置。

作为进一步的实现方式，所述报警装置包括相对设置于钢板桩、护管内壁的绝缘片，与超声波发射器、接收探头相连的发射接收电缆分两股粘贴于绝缘片两侧。

作为进一步的实现方式，所述钢板桩的倾斜角度达到最大允许倾斜角度时，金属钢片底端与绝缘片表面的两股电路接触。

作为进一步的实现方式，所述环形激光灯带上侧设有信号转换器，信号转换器用于处理多点式激光传感器接收的反射光线。

作为进一步的实现方式，所述信号转换器通过电缆连接显示器。

作为进一步的实现方式，所述金属片沿护管长度方向延伸。

作为进一步的实现方式，所述液体介质为水；所述护管采用PPR材质。

第二方面，本发明的实施例还提供了一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置的实施方法，采用所述的测量系统，包括：

当钢板桩发生倾斜时，测角装置一起倾斜，其中的悬浮薄片随着液体介质始终保持水平液面，通电后液面上方的环形激光灯带向液面发射一圈激光，其反射光线被多点式激光传感器接收，通过信号转换器处理，得到过圆心的直径端点中任意一方向上的两点高度差，以此获得倾斜角度；

当钢板桩发生倾斜时，护管中的金属片会转轴发生转动而始终保持竖直向下，通电后超声波发射器向其周围发射超声波，接收探头接收最快反射回来的超声波，由超声波发射返回的时间差得到每个测点相对于金属片的水平位移；经发射接收电缆传输到单片机计算出各测点之间的倾斜角度，经显示电缆处理后在显示器显示钢板桩的实时弯曲变形曲线。

作为进一步的实现方式，当钢板桩倾斜角度达到最大允许倾斜角度时，金属片底端接触到绝缘片上的两股电路，使电路连通，从而在显示器上出现警告信号。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明测角筒体上侧固定有环形激光灯带，环形激光灯带内侧设有多点式激光传感器，根据激光光线发射及返回的时差可以计算钢板桩沿任意方向倾斜的角度，并能根据实时显示的数值及时做出调整，同时为钢板桩弯曲变形提供基准角；钢板桩每个测点均安装超声波发射器和接收探头，根据超声波发射以及最快接收到波的时差可以计算测点相对于金属片的水平位移，进而计算测点间的倾斜角度，绘出沿钢板桩的弯曲变形曲线。

(2)本发明护管底部安装报警装置，在护管和钢板桩上分别固定绝缘片，将发射接收电缆分两股粘贴到绝缘片的两侧，电缆在绝缘片上为断路状态，当达到最大倾斜角度时，金属片底端会接触绝缘片上的两股电缆形成通路，从而在显示器上出现警告信号，方便及时做出回应。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的整体结构示意图；

图2本发明根据一个或多个实施方式的测角装置结构示意图；

图3本发明根据一个或多个实施方式的护管顶部示意图；

图4本发明根据一个或多个实施方式的护管与钢板桩连接俯视图；

图5本发明根据一个或多个实施方式的护管内部主视图；

图6本发明根据一个或多个实施方式的报警装置俯视图；

图7本发明根据一个或多个实施方式的护管内部侧视图；

图8本发明根据一个或多个实施方式的钢板桩弯曲状态护管内部示意图；

图9发明根据一个或多个实施方式的报警装置侧视图。

其中，1、钢板桩，2、护管，3、接收探头，4、超声波发射器，5、金属片，6、转轴，7、钻头，8、测角装置，9、信号转换器，10、环形激光灯带，11、多点式激光传感器，12、悬浮薄片，13、液体介质，14、电缆，15、顶盖，16、发射接收电缆，17、单片机，18、显示电缆，19、显示器，20、绝缘片。

具体实施方式

实施例一：

本实施例提供了一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，如图1所示，包括钢板桩1、护管2、测角装置8、显示器19等，护管2固定于钢板桩1内壁，并位于钢板桩1中间位置，即位于钢板桩1的中部最大变形处位置。护管2沿钢板桩1长度方向设置，以钢板桩1施作的方向为参考，护管2末端连接钻头7，钻头7对应于钢板桩1底部，通过设置钻头7便于护管2随钢板桩1一同打入地下。

如图2所示，护管2的顶部安装顶盖15，通过顶盖15安装测角装置8，使测角装置8位于护管2顶部。在本实施例中，如图3所示，护管2的横截面为圆弧形，例如半圆形；护管2顶部具有向内侧倾斜的斜面，顶盖15的形状与护管2相适应，顶盖15边缘具有一定倾斜角度，可与护管2端口的倾斜角度重合，二者卡在一起进行焊接固定。

本实施例的护管2和钻头7均采用PPR材质，能够随钢板桩1一起变形。

顶盖15距钢板桩1顶部有一定的距离，以便进行钢板桩1的施工，例如：顶盖15距钢板桩1顶部预留50cm，该距离可根据护管2尺寸、施工环境等适应性调整。

如图2和图7所示，测角装置8设于护管2顶部内侧，包括测角筒体、悬浮薄片12、液体介质13，本实施例的测角筒体为圆柱形，其内部为空腔，测角筒体内切于护管2中；测角筒体内为封闭腔体，其内部填充有液体介质13，液体介质13内漂浮有圆形的悬浮薄片12，悬浮薄片12直径与测角筒体内径相适应，并略小于测角筒体内径；悬浮薄片12用于防止激光发生镜面反射。

如图8所示，由于液体介质13的作用，当钢板桩1发生倾斜时，测角装置8也会随之倾斜，悬浮薄片12会始终保持水平。在本实施例中，液体介质13为水，悬浮薄片12为PVC薄片，PVC薄片能够漂浮于水中。可以理解的，在其他实施例中，也可以更换为其他液体介质13和悬浮薄片12，只要能够保证悬浮薄片12能够在液体介质13中悬浮即可。

测角筒体顶部依次设置环形激光灯带10和信号转换器9，如图2所示，环形激光灯带10内侧设有多点式激光传感器11，多点式激光传感器11通过电缆与信号转换器9相连，信号转换器9通过电缆14连接显示器19；其中，环形激光灯带10的直径小于悬浮薄片12直径。

装置通电后液面上方的环形激光灯带10会向液面发射一圈激光，由于环形激光灯带10的直径小于悬浮薄片12，虽然装置倾斜后悬浮薄片12无法覆盖整个液面，但环形激光灯带10发出的激光仍然可以全部照射到悬浮薄片12上，其反射光线被多点式激光传感器11接收，通过信号转换器9处理后得到过圆心的直径端点中任意一方向上的两点高度差h；由于直径为定值x，可利用直角三角形求出tanθ＝h/x的值，由此可得倾斜角度θ，经电缆14输出，显示器19实时显示倾斜度数。

如图5和图7所示，钢板桩1沿高度方向间隔设置超声波发射器4和接收探头3，即超声波发射器4和接收探头3成组设置；其中，钢板桩1内壁每个测点设置一组超声波发射器4和接收探头3，超声波发射器4为球形，超声波发射器4位于接收探头3的中心。相邻接收探头3之间通过发射接收电缆16相连，且连接顶部接收探头3的发射接收电缆16连接单片机17，单片机17通过显示电缆18连接显示器19。

如图4和图7所示，护管2中设有金属片5，金属片5位于护管2的中间位置，且沿护管2长度方向延伸，金属片5平行于钢板桩1安装超声波发射器4和接收探头3所在平面。金属片5底端接近于护管2末端，顶端通过转轴6与护管2顶部转动连接。金属片5为矩形，其长度覆盖超声波发射器4和接收探头3的布置区域。金属片5、超声波发射器4和接收探头3构成测曲率装置。

测曲率装置只能提供钢板桩相对自身的变形，无法得知钢板桩相对竖直方向的倾斜度及变形，因此测角装置给测曲率装置提供一个初始角度使得到的钢板桩倾斜曲线是针对于竖直方向上的，更加准确，同时也与报警装置最大倾斜角度相呼应。

在本实施例中，金属片5采用钢片。

由于金属片5与护管2转动连接，金属片5可沿转轴6自由转动，钢板桩1倾斜时，金属片5始终保持竖直向下。钢板桩1根据实际情况在测点布置超声波发射器4以及接收探头3，可以实时测量测点处相对于金属片5的水平位移，通过发射接收电缆16传输，再经过单片机17的计算转变为钢板桩1各点的倾斜角度，在显示器19中处理后显示钢板桩1弯曲变形的倾斜曲线。

如图6和图9所示，护管2底部安装有报警装置，达到允许的最大倾斜角度时报警，报警后可以及时对钢板桩进行调整，进行拔出或者纠正。报警装置包括绝缘片20，其中一个绝缘片20固定于钢板桩1内壁，另一个绝缘片20固定于护管2内壁，两绝缘片20相对设置。绝缘片20具有一定厚度，例如采用一定厚度的PVC片。

与末端接收探头3连接的发射接收电缆16分为两股粘贴到钢板桩1上绝缘片20的两侧，一直延伸到护管2侧的绝缘片20上，在两个绝缘片20上发射接收电缆16处于断路状态。

护管2的半径由钢板桩1的最大倾斜角度限值决定，最大倾斜角度根据每个工程的需要设置；当达到最大倾斜角度时，金属片5底端会接触绝缘片20上的两股电缆以形成通路，从而在显示器19上出现警告信号，方便及时做出回应。

本实施例利用从激光发射到反射的时间差，且环形激光灯带10是固定的，液面无论在何种情况下都会保持绝对水平，可以实时测量液面最低处和液面最高处，准确快速地确定两者的之间的高度差来计算倾斜角度，并且根据位置确定哪一个方向上的倾斜角度最大。

本实施例超声波传播的介质是空气，传递介质比较稳定，外侧的护管为PPR材质，抗压能力强，韧性和密封性好，因此装置可以适用于多种土体；超声波发射器4粘贴在钢板桩上，保证了其与钢板桩1的变形一致，位置稳定，不需要随时调整，监测点之间的距离设置合理，周围的构件不会对超声波的最短接收时间产生影响，可同时监测各点的相对位移，实时地反映钢板桩整体的变形。

实施例二：

本实施例提供了一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置的实施方法，采用实施例一所述的测量系统，包括：

当钢板桩1发生倾斜时，测角装置8也会一起倾斜，悬浮薄片12会随着液体介质13始终保持水平，通电后液面上方的环形激光灯带10会向液面发射一圈激光，由于环形激光灯带10的直径小于悬浮薄片12；虽然装置倾斜后悬浮薄片12无法覆盖整个液面，但环形激光灯带10发出的激光仍然可以全部照射到悬浮薄片12上，其反射光线被多点式激光传感器11接收，通过信号转换器9的处理，得到过圆心的直径端点中任意一方向上的两点高度差h。

由于直径为定值x，利用直角三角形求出tanθ＝h/x的值，由此可得倾斜角度θ，经电缆14输出，显示器19实时显示倾斜度数。

钢板桩1的每个测点粘贴有超声波发射器4和接收探头3，并通过发射接收电缆16进行连接，基坑开挖时，岩土体发生变形，钢板桩1也会发生一定的变形，但护管2中央的金属片5会绕转轴6发生转动而始终保持竖直向下的方向，通电后超声波发射器4会向其周围发射超声波，接收探头3则会接受最快反射回来的超声波(由于测点距离远大于护管2半径，所以测点与测点间发射的超声波不会互相影响)，即水平方向的超声波，由超声波发射返回的时间差可以得知每个测点相对于金属片5的水平位移，经过发射接收电缆16传输到单片机17计算出各测点之间的倾斜角度，经显示电缆18进行处理，最后在显示器19上显示钢板桩1的实时弯曲变形曲线。

当钢板桩1倾斜角度达到最大允许倾斜角度时，金属片5底端接触到绝缘片20上的两股电缆，使电缆连通，从而在显示器19上出现警告信号。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，包括钢板桩、固定于钢板桩内壁的护管，所述护管顶部安装测角装置，底部连接钻头；所述钢板桩的每个测点成组设置超声波发射器和接收探头，金属片转动连接于护管内，以便保持竖直状态并反射超声波；

所述测角装置包括测角筒体，测角筒体内填充液体介质，液体介质内设有悬浮薄片；所述测角筒体上侧固定有环形激光灯带，环形激光灯带内侧设有多点式激光传感器。

2.根据权利要求1所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述护管底部安装报警装置。

3.根据权利要求2所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述报警装置包括相对设置于钢板桩、护管内壁的绝缘片，与超声波发射器、接收探头相连的发射接收电缆分两股粘贴于绝缘片两侧。

4.根据权利要求3所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述钢板桩的倾斜角度达到最大允许倾斜角度时，金属钢片底端与绝缘片表面的两股电路接触。

5.根据权利要求1所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述环形激光灯带上侧设有信号转换器，信号转换器用于处理多点式激光传感器接收的反射光线。

6.根据权利要求5所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述信号转换器通过电缆连接显示器。

7.根据权利要求1所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述金属片沿护管长度方向延伸。

8.根据权利要求1所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置，其特征在于，所述液体介质为水；所述护管采用PPR材质。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置的实施方法，其特征在于，包括：

当钢板桩发生倾斜时，测角装置一起倾斜，其中的悬浮薄片随着液体介质始终保持水平液面，通电后液面上方的环形激光灯带向液面发射一圈激光，其反射光线被多点式激光传感器接收，通过信号转换器处理，得到过圆心的直径端点中任意一方向上的两点高度差，以此获得倾斜角度；

当钢板桩发生倾斜时，护管中的金属片会转轴发生转动而始终保持竖直向下，通电后超声波发射器向其周围发射超声波，接收探头接收最快反射回来的超声波，由超声波发射返回的时间差得到每个测点相对于金属片的水平位移；经发射接收电缆传输到单片机计算出各测点之间的倾斜角度，经处理后在显示器显示钢板桩的实时弯曲变形曲线。

10.根据权利要求9所述的一种全回收基坑围护结构墙身变形测量装置的实施方法，其特征在于，当钢板桩倾斜角度达到最大允许倾斜角度时，金属片底端接触到绝缘片上的两股电路，使电路连通，从而在显示器上出现警告信号。

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