CN210917488U - 用于施工过程的桩基质量监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了用于施工过程的桩基质量监测系统，其包括：检波器，其用于接收在试成桩阶段以及正式施工阶段在夯击过程中产生的弹性波；输入模块，其用于在试成桩阶段测量得到反映施工质量的质量参数；谱分析模块，其与检波器通信，接收弹性波，并对弹性波进行频谱分析，得到弹性波的频谱特征；计算模块，其与检波器、输入模块以及谱分析模块通信，用于计算得到实时质量参数，对当前施工过程进行质量监测。本实用新型能够对试桩进行弹性波检测、质量参数检测，得出弹性波频谱特征与质量参数的相关关系；在正式施工阶段，只进行弹性波检测，根据相关关系计算质量参数，达到承载力监测的目的。

Description

用于施工过程的桩基质量监测系统

技术领域

本实用新型涉及土木工程领域，具体地说，涉及一种用于施工过程的桩基质量监测系统。

背景技术

传统桩基础的检测方法包括静载荷试验、低应变完整性检测和高应变检测等。都是针对成桩以后的检测，如试验桩检测、工程桩检测，且存在各自的缺点，不利于推广到施工过程中实施。静荷载法准备过程多、耗用时间长、费用高。低应变法桩顶设传感器，用于测桩身质量和缺陷。高应变法需用专用桩锤，传感器安装操作复杂，传感器易坏，成本高。

因此，本实用新型提供了一种用于施工过程的桩基质量监测系统。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于施工过程的桩基质量监测系统，所述系统包括：

检波器，其用于接收在试成桩阶段以及正式施工阶段在夯击过程中产生的弹性波；

输入模块，其用于在试成桩阶段测量得到反映施工质量的质量参数；

谱分析模块，其与所述检波器通信，接收所述弹性波，并对所述弹性波进行频谱分析，得到所述弹性波的频谱特征；

计算模块，其与所述检波器、所述输入模块以及所述谱分析模块通信，用于计算得到实时质量参数，对当前施工过程进行质量监测。

根据本实用新型的一个实施例，所述计算模块包含：

相关关系确定单元，其与所述谱分析模块以及所述输入模块通信，用于在试成桩阶段，基于所述频谱特征以及所述质量参数，得到频谱特征以及质量参数之间相关关系。

根据本实用新型的一个实施例，所述计算模块还包含：

实时质量参数计算单元，其与所述谱分析模块通信，用于在正式施工阶段，基于所述谱分析模块输出的实时频谱特征，结合所述相关关系，计算得到所述实时质量参数。

根据本实用新型的一个实施例，所述系统还包含：

比较模块，其用于将所述实时质量参数与标准质量参数进行比较，当所述实时质量参数达到所述标准质量参数的要求时，停止夯击。

根据本实用新型的一个实施例，在进行桩头深度计算时，所述系统中检波器的数量为至少三个。

根据本实用新型的一个实施例，在进行桩头深度计算时，所述系统还包含：

距离及时间测量装置，其用于测量三个检波器分别与桩孔的距离，并测量所述试成桩阶段和/或所述正式施工阶段中接收到弹性波的时刻。

根据本实用新型的一个实施例，所述系统还包含：

数学运算模块，其用于通过三个检波器分别与桩孔的距离，结合所述检波器接收到的所述弹性波以及所述时刻，通过数学运算计算得到所述桩头深度。

根据本实用新型的一个实施例，所述系统还包含：

三击贯入度模块，其用于依据所述桩头深度，测定三击贯入度。

本实用新型提供的用于施工过程的桩基质量监测系统能够对试桩进行弹性波检测、质量参数检测，得出弹性波频谱特征与质量参数的相关关系；在正式施工阶段，只进行弹性波检测，根据相关关系计算质量参数，达到承载力监测的目的。并且，本实用新型利用夯击作为激发源，无需额外设置激发源。设备简易轻便，无需预埋或在桩身、锤身上安装传感器(激光测距)，不干扰施工过程，随夯击同步进行，可指导施工工艺参数选择，节约施工成本和时间。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统结构框图；

图2显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统在测量桩头深度时的现场示意图；

图3显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统在测量桩头深度时的数学结构示意图；

图4显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统进行频谱分析时的弹性波频谱图；以及

图5显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统频谱特征与质量参数的曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

对于施工过程，规范中只提到了打入式预制桩的监测，载体桩没有规范规定的方法。根据《JGJ106-2014建筑基桩检测技术规范》，桩基检测可分为如下这些不同的阶段：

1、施工前：试验桩检测，为设计提供依据，确定单桩极限承载力。

2、施工后：验收检测，工程桩检测，为验收提供依据，确定单桩承载力和桩身完整性检测。

3、施工过程：根据工程需要，进行质量检测与监测。打入式预制桩，有要求时，高应变法进行试打桩的打桩过程监测。监测预制桩打入时的桩身应力和锤击能量传递比，为选择沉桩工艺参数及桩长提供依据。

对于施工过程，规范中只提到了打入式预制桩的监测，载体桩没有规范规定的方法。规范中，提到的桩基检测方法见下表1。

传统桩基础的检测方法包括静载荷试验、低应变完整性检测和高应变检测等。载体桩桩端存在载体，采用高应变所需要的锤击能量大，一般不采用该方法进行检测，主要是载体桩的静载荷试验和低应变完整性检测。

静载荷试验是通过堆载或锚桩作为反力装置，采用千斤顶作为加载手段，分级对桩基础或复合地基进行加载，模拟桩或复合地基的受力以检测其是否满足工程设计要求的检测手段。一般包括工程试验桩检测和工程桩验收检测。

低应变完整性检测通常采用的方法为反射波法，反射波法是利用波在固体中传播规律，通过桩底反射波信号进行分析判断桩身与桩底混凝土质量的一种无损检测方法。它利用重锤在桩顶进行敲击产生震动波，震动波在固体中传播时，当传播介质发生变化，或传播截面发生变化时，一部分波便会反射回桩顶。通过对桩顶传感器采集的信号进行数学积分，筛选、分离和放大，分析出桩身的缺陷。

高应变法打桩动态监测分为传感器安装、测试系统调试及数据采集和分析等3个过程。1、根据桩锤套筒长度确定传感器的安装位置，确保传感器位于打桩锤套筒下缘和截桩标记上缘间，从而能有效监测到应力波信息。在安装传感器时避开接桩、焊缝、锤套下缘和桩横截面积变化等干扰位置。采用电磁钻在距离桩顶约5m的圆周上对称钻孔，分别用于加速度传感器、应力传感器和无线发射器的固定。起吊前，先安装传感器、无线发射器。2、采用测试系统进行监测调试。3、工作就绪后，在打桩过程中进行数据采集、分析处理。

以上三种方法都是针对成桩以后的检测，如试验桩检测、工程桩检测，且存在各自的缺点，不利于推广到施工过程中实施。

表1检测目的及检测方法

现有技术在桩头安装位移传感器，易坏，且需频繁拆卸安装；需控制锤击能量，需测定位移和桩端持力层的土性，操作复杂；只能测竖向承载力；干扰施工过程，需施工方配合。

图1显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统结构框图。如图1所示，质量监测系统100包含检波器101、输入模块102、谱分析模块103以及计算模块104。

其中，检波器101用于接收在试成桩阶段以及正式施工阶段在夯击过程中产生的弹性波。

其中，输入模块102用于在试成桩阶段测量得到反映施工质量的质量参数。

其中，谱分析模块103与检波器101通信，接收弹性波，并对弹性波进行频谱分析，得到弹性波的频谱特征。

其中，计算模块104与检波器101、输入模块102以及谱分析模块103通信，用于计算得到实时质量参数，对当前施工过程进行质量监测。

在一个实施例中，计算模块104包含相关关系确定单元，其与谱分析模块103以及输入模块102通信，用于在试成桩阶段，基于频谱特征以及质量参数，得到频谱特征以及质量参数之间相关关系。

在一个实施例中，计算模块104包含实时质量参数计算单元，其与谱分析模块103通信，用于在正式施工阶段，基于谱分析模块103输出的实时频谱特征，结合相关关系，计算得到实时质量参数。

在一个实施例中，质量监测系统100还包含比较模块，其用于将实时质量参数与标准质量参数进行比较，当实时质量参数达到标准质量参数的要求时，停止夯击。

在一个实施例中，在进行桩头深度计算时，质量监测系统100中检波器101的数量为至少三个。

在一个实施例中，在进行桩头深度计算时，质量监测系统100还包含距离及时间测量装置，其用于测量三个检波器分别与桩孔的距离，并测量试成桩阶段和/或正式施工阶段中接收到弹性波的时刻。

在一个实施例中，质量监测系统100还包含数学运算模块，其用于通过三个检波器分别与桩孔的距离，结合检波器接收到的弹性波以及时刻，通过数学运算计算得到桩头深度。

在一个实施例中，质量监测系统100还包含三击贯入度模块，其用于依据桩头深度，测定三击贯入度。

在一个实施例中，对第1根桩，用弹性波检测获取频谱特征E、静载荷方法测更直接反映施工质量的质量参数R，建立E和R的相关性。在后续其他桩施工时，只测频谱特征E，即可推算出参数R，从而判断施工质量，辅助施工。质量参数R中的密实度、静力触探等，复杂度较高，所以测与之相关的一个变量E，来间接测定R。需要说明的是，质量参数包含承载力。

需要在桩孔附近的地面上设置检波器，检波器的数量根据监测目标的不同而变化，可以是1个，也可以是多个。

在进行试桩弹性波现场检测时，开启检测仪器，利用柱锤夯击作为发射源，产生弹性波，检波器接收到来自桩底的透射波信号，随着柱锤多次夯击，重复激发接收。另外，在试桩阶段的夯击过程中，测得质量参数R。

如上所述，本实用新型监测夯击过程中，桩端载体的承载力，而不是成桩后的检测，因成桩后如发现问题，补救措施很困难、很复杂。采用弹性波透射法，但无需额外设置发射源，而是利用柱锤夯击作为发射源。不用在桩身或锤身设置传感器，既能检测承载力，又能指导参数选择和施工进程。

图2显示了根据本实用新型的一个实施例的用于施工过程的桩基质量监测系统在测量桩头深度时的现场示意图。其中，201表示柱锤，202表示载体。

当检波器的数量为至少3个时，可以通过弹性波数据进行分析，计算得到桩头深度。需要说明的是，质量参数包含承载力。

如图3，计算桩头深度至少需要3个检波器(检波器A、检波器B、检波器C)的数据，利用任意单次夯击的波形。待测值为桩头深度H＝L_MN，检波器能够测得的数据为：检波器A、检波器B、检波器C这3个检波器接收到的波形的时刻。

假定三角形区域的地下空间弹性波波速均匀，可得出如下方程组：

V×T_NA＝L_NA

V×T_NB＝L_NB

V×T_NC＝L_NC

其中，V表示波速，T_NA、T_NB、T_NC分别表示弹性波在NA、NB、NC传播的时间，L_NA、L_NB、L_NC分别表示检波器A、检波器B、检波器C与位置N(桩头)的直线距离。

因检波器可能无法测得准确的触发时间，波形在NA、NB、NC传播的准确时间T_NA、T_NB、T_NC无法获取，但可根据测得的接收波形时刻，得出2个时间差。

△T1＝T_NB-T_NA

△T2＝T_NC-T_NA

其中，△T1表示检波器B与检波器A接收到弹性波的时间差，△T2表示检波器C与检波器A接收到弹性波的时间差。

方程组可改为：

V×T_NA＝L_NA

V×(△T1+T_NA)＝L_NB

V×(△T2+T_NA)＝L_NC

将L_NA、L_NB、L_NC用H表示，如，

则方程组可改为：

方程组未知量为V、T_NA、H，以上3个方程3个未知量，运用数学运算即可解出H。

另外，还可以对接收到的弹性波进行傅里叶变换等处理，进行谱分析，计算每次夯击的频谱特征E。两次柱锤夯击的变化值△E小于预设阈值时，再继续夯击已无实际意义，停止夯击。

频谱特征E举例如下，不局限于以下几种情况：

单峰：主频。

双峰：两个峰值之差的绝对值。

另外，频谱特征包含：能量变化、主频以及峰值移动。

通过频谱特征E与测得的参数R，得到夯击过程中R和E相关性曲线。假设弹性波接收到的波形为单峰，频谱特征用E表示。如图4所示(横轴表示频率，纵轴表示振幅)，主频的频率随着夯击降低。R随着夯击增大，E随着夯击增大，呈正相关，如图5所示。需要说明的是，质量参数包含承载力。其中，在夯击进行前，需要确定的内容包括柱锤的锤径、柱锤的长度、柱锤的质量以及柱锤的落距等。

考虑施工震动效应的原因：载体桩施工过程中由于柱锤的夯实作用，会产生震动波，若夯击能量过大，将可能对建筑物造成影响。

在正式的施工过程中，本实用新型可以实现动态监测，进行载体桩夯击施工。然后，伴随施工过程进行弹性波检测。最后，根据E与R对应的相关曲线计算承载力R，达到要求时停止夯击。

另外，在施工现场可布置多个检波器，可同时监测多个载体桩施工。但需要注意的是，不能有两个锤同时落地。

需要说明的是，本实用新型可用于成孔过程的孔底，以及载体桩桩头载体，不局限于载体桩，还能对其它现浇混凝土桩、预制混凝土桩进行承载力检测。桩基包括房屋建筑桩基，也包括公路、铁路、桥梁等其他建筑工程基桩。检波器个数可以改变，如果测桩头深度，则至少3个。

另外，在施工过程中，需要遵守的土木工程领域规范包含：《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)、《铁路工程基桩检测技术规程》(TB 10218-2008)以及《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/T F81-01-2004)。

综上，本实用新型提供的用于施工过程的桩基质量监测系统能够对试桩进行弹性波检测、质量参数检测，得出弹性波频谱特征与质量参数的相关关系；在正式施工阶段，只进行弹性波检测，根据相关关系计算质量参数，达到承载力监测的目的。并且，本实用新型利用夯击作为激发源，无需额外设置激发源。设备简易轻便，无需预埋或在桩身、锤身上安装传感器，不干扰施工过程，随夯击同步进行，可指导施工工艺参数选择，节约施工成本和时间。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。

Claims (8)

1.一种用于施工过程的桩基质量监测系统，其特征在于，所述系统包括：

检波器，其用于接收在试成桩阶段以及正式施工阶段在夯击过程中产生的弹性波；

输入模块，其用于在试成桩阶段测量得到反映施工质量的质量参数；

谱分析模块，其与所述检波器通信，接收所述弹性波，并对所述弹性波进行频谱分析，得到所述弹性波的频谱特征；

计算模块，其与所述检波器、所述输入模块以及所述谱分析模块通信，用于计算得到实时质量参数，对当前施工过程进行质量监测。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述计算模块包含：

相关关系确定单元，其与所述谱分析模块以及所述输入模块通信，用于在试成桩阶段，基于所述频谱特征以及所述质量参数，得到频谱特征以及质量参数之间相关关系。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述计算模块还包含：

实时质量参数计算单元，其与所述谱分析模块通信，用于在正式施工阶段，基于所述谱分析模块输出的实时频谱特征，结合所述相关关系，计算得到所述实时质量参数。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包含：

比较模块，其用于将所述实时质量参数与标准质量参数进行比较，当所述实时质量参数达到所述标准质量参数的要求时，停止夯击。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在进行桩头深度计算时，所述系统中检波器的数量为至少三个。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，在进行桩头深度计算时，所述系统还包含：

距离及时间测量装置，其用于测量三个检波器分别与桩孔的距离，并测量所述试成桩阶段和/或所述正式施工阶段中接收到弹性波的时刻。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包含：

数学运算模块，其用于通过三个检波器分别与桩孔的距离，结合所述检波器接收到的所述弹性波以及所述时刻，通过数学运算计算得到所述桩头深度。

8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包含：

三击贯入度模块，其用于依据所述桩头深度，测定三击贯入度。

Images