矩形或空心矩形截面预制桩自动化测斜装置

摘要

一种矩形或空心矩形截面预制桩自动化测斜装置，包括支撑机构、监测调节机构和人机交互平台；监测调节机构包括框状的护板，护板通过支撑机构水平设置，护板在同一水平面上开有八个滑动槽，每一滑动槽内均设有测距传感器，用于测量预制桩外表面一点与测距传感器之间的距离，八个测距传感器中，每两个测距传感器一组、平行设置，任意相邻两组测距传感器正交布置；人机交互平台包括显示屏和操作平台，操作平台与测距传感器的信号输出端连接，用于接收测距传感器测量信号和输入的测距传感器水平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏显示。本发明能够对矩形或空心矩形截面预制桩进行倾向、倾角的高精度测量，设备成本低、拆卸方便，可重复使用。

说明书

技术领域

本发明涉及预制桩的灌入，具体的指一种用于灌入过程中的矩形或空心矩形截面预制桩 自动化测斜装置。

背景技术

目前，由于场地不平、坡度较大、打桩机本身倾斜、稳桩不力等原因，桩基，尤其是预 制桩在灌入过程中经常会产生不同程度的倾斜。桩基倾斜过大会影响其承载力，甚至使桩基 报废，造成巨大的经济损失。因此，研制一种能够实时监测桩基发生偏斜时倾角和倾向的仪 器显得尤为重要。

在本发明之前，桩基倾斜度的测量一般分为间接法和直接法两类。间接法包括瑞雷波法、 倾斜回波法、模拟法、弹性波法以及吊锤法等；直接法则包括测斜仪法、井径仪法、陀螺仪 法等。几种主要方法简介如下：

（1）2001年，李延辉提出了一种利用瑞雷波检测桩斜的方法。该方法利用不同频率的 瑞雷波相速度的变化反映出在深度方向的介质特性，而频散曲线与地下介质结构存在着内在 关系。基于瑞雷波在层状介质中的频散特性提出的瑞雷波检测桩斜方法，其可行性得到了试 验验证；

（2）2002年，邓业灿等人提出了一种桩基倾斜无损检测方法，即倾斜回波法。其过程 为在桩头施加一瞬时作用力后，使受力的质点产生振动而形成各种弹性波，利用安装在桩头 上的传感器检测并处理信号得到时程曲线、振幅谱曲线和桩底反射系数，根据这些数据判断 出桩基是否倾斜以及倾斜的方向；

（3）测斜仪是目前使用时间较长、应用较多的桩基测斜仪器，如SR-IM便携式数字管 桩测斜仪是目前国内专用于管桩测斜的仪器。它是针对基坑支护的预应力管桩，在基坑开挖 前将测斜管插入到管桩孔内，并在测斜管和管桩孔之间灌入填充材料，使测斜管同管桩同步 发生侧移变形，然后根据对变形前后的数据监测与分析得到偏斜值；

（4）井径仪也是当今桩基测斜较常用的装置，如灌注桩测斜中常见的JJY-2、JJY-5型井 径仪等。其孔斜的测试是利用原用于钻孔灌注桩成孔质量检测探管中的垂直度检测装置（测 斜仪）进行的，即在管桩的内孔尝试连续多点测量其顶角，再根据所测得的顶角计算内孔的 垂直度即可得到管桩的垂直度变化情况，从而得到偏斜值的大小和方向；

（5）公开号为CN 102425192A的中国专利申请《桩基倾斜实时监测预警系统》中，将 测斜传感器和陀螺仪传感器安装在桩基上，和桩基一起打入地下，并通过导线引出，连接到 信号采集器上，以此对桩基倾斜进行实时监测；

上述现有技术确实在一定程度上解决了桩基测斜的问题，并在各种桩基偏斜检测中得到 了较为可靠的数据，基本满足了各类型桩基测斜的需要。但目前的桩基测斜技术主要还存在 如下问题：

（1）精度不够高。尤其对于间接法测斜（如上述瑞雷波法、倾斜回波法），由于弹性波 在桩身传播时因桩体材料不均匀、裂隙较多等常见因素很容易导致波在传播方向上的偏差， 进而导致测得的数据并不可信；

（2）适用范围较局限。上述测斜方法的应用对象具有局限性，如测斜仪法和井径仪法都 只适用于预制管桩而不能用于预制实体桩；

（3）操作较为繁琐。如测斜仪使用时需要在测斜管和管桩孔间填充材料；再如井径仪使 用时需安装滑轮测井电缆、直流绞车等装置；

（4）直接法的测试元件在预制桩灌入过程中随时可能发生脱落或损坏，一旦损坏，测试 仪器将不能使用，导致后续预制桩灌入过程产生的偏斜将无法得到控制；

（5）成本较高。井径仪和陀螺仪测斜装置都有较高的成本，使测斜工作的应用范围受到 资金、成本的影响；

（6）自动化、同步化程度不高。现有技术中很少能满足实时监测，如弹性波法只能测得 桩基瞬时的偏斜情况，而无法对桩基的偏斜进行实时、连续的检测；

（7）可重复使用性不高。例如上述测斜仪法和井径仪法，使用过的测斜管一般都不可再 次使用，否则会引起测量结果的较大误差；

（8）加工、维修较困难。某些结构较复杂的仪器（如陀螺仪），在使用时一旦损坏则需 要到指定的厂家、维修店维修，现场一般无法修复，同时造成了工期的延误和成本的增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种矩形或空心矩形截面预制桩自动化测斜装置， 能够对矩形或空心矩形截面的预制桩进行倾向、倾角的高精度测量，同时，设备成本低、操 作简单、拆卸方便，并可重复使用。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种矩形或空心矩形截面预制桩自动化测斜装置， 包括支撑机构、监测调节机构和人机交互平台；所述监测调节机构包括框状的护板，护板通 过所述支撑机构水平设置，护板在同一水平面上开有八个滑动槽，每一滑动槽内均设有测距 传感器，用于测量预制桩外表面一点与测距传感器之间的距离，八个测距传感器中，每两个 测距传感器一组、平行设置，任意相邻两组测距传感器正交布置；所述人机交互平台包括显 示屏和操作平台，操作平台与测距传感器的信号输出端连接，用于接收测距传感器测量信号 和输入的测距传感器水平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏显示。

上述技术方案的所述八个测距传感器中，每组测距传感器连接一个水平调节机构；水平 调节机构包括卡槽、插锁和两根连杆，所述卡槽竖向设置于护板的边沿，插锁设置于卡槽内、 可沿卡槽竖向移动和定位，两根连杆的一端分别与相应的两个测距传感器的后端铰接、另一 端均与插锁铰接。

进一步地，所述卡槽包括平行且相对设置的导向槽和固定槽，固定槽内侧设有一列槽孔； 所述插锁的一端位于导向槽内，另一端与固定槽的槽孔配合，用于插锁的竖向定位。

上述技术方案中，所述滑动槽的外侧标有刻度，用于每一测距传感器的水平位置读数。

上述技术方案中，所述测距传感器为激光测距传感器或者超声波测距传感器。

上述技术方案中，所述支撑机构包括底板和三脚架；所述底板的底面与三脚架铰接，所 述护板设置于底板上。

上述技术方案中，所述护板为矩形框状结构，矩形框的一边与另外三边为可拆卸连接。

进一步地，所述支撑机构包括横截面呈矩形框状且与护板相配置的底板和三脚架，底板 的一边与另外三边为可拆卸连接；所述底板的底面与三脚架铰接，所述护板设置于底板上。

上述技术方案中，所述显示屏和操作平台与护板为可拆卸连接。

上述技术方案中，所述人机交互平台还包括水准仪，用于监测调节机构的调平。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）监测精度高。尤其是采用高精度的激光测距传感器或者超声波测距传感器时，测量 误差能够控制在0.1mm范围，能精确计算出预制桩的倾向和倾角；

（2）适用性广泛。既能对预制实体桩进行监测，也适用于预制管桩；

（3）操作过程简单。利用本装置进行监测时，仅需架设好仪器并打开监测调节机构，其 数据采集过程和倾向、倾角的实时监测均通过人机交互平台内置的软件进行数据分析与处理， 完全实现自动化；

（4）成本低。激光/超声波测距传感器是常用的传感监测元件，市场购买方便，装置整 体的框架设计轻巧简单，制造成本低廉；

（5）自动化、同步化程度高。该装置能实时对桩身的倾向、倾角数据进行测量与记录， 将分析结果以数据及图像形式自动反映在显示屏上，还可通过测得数据判断桩身是否严重偏 斜并能对严重偏斜的情况发出警报；

（6）重复使用性高。该装置与预制桩相互独立，采用的是非接触测量方法，完成一次测 试工作后，可回收整套设备，以备下次使用；

（7）该测斜装置可广泛运用于岩土工程领域中矩形或空心矩形截面预制桩偏斜的监测， 并适用于对工程中圆形或圆环形截面（因计算方法不同需更换测量软件）预制桩偏斜程度进 行精确的测量，应用前景广阔，经济效益显著。

附图说明

图1为本发明一个实施例的立体结构示意图；

图2为图1装置的主视图；

图3为图1装置的右视图；

图4为图1装置的俯视图；

图5和图6为本装置对矩形截面预制桩测斜的原理图；

图中：1－显示屏，2－卡槽（其中：2.1－导向槽、2.2－固定槽），3－测距传感器，4－ 护板，5－底板，6－插锁，7－连杆，8－销轴，9－连接件，10－三脚架，11－水准仪，12 －操作平台。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述：

如图1至图4所示，本发明的一种矩形或空心矩形截面预制桩自动化测斜装置，包括支 撑机构、监测调节机构和人机交互平台。具体来说：

支撑机构包括底板5和三脚架10。底板5的横截面呈矩形框状，为便于整个装置的安装， 底板5的一边与另外三边为可拆卸连接，本实施例中采用插槽插接。底板5一体式的三边底 部分别设有连接件9，每一连接件9通过销轴8与三脚架10的支脚连接；

监测调节机构包括矩形框状的护板4，矩形框的一边与另外三边为可拆卸连接，护板4 与上述底板5相配置并焊接在底板5上，护板4的四边分别开有一组两个滑动槽，每一滑动 槽内均设有测距传感器3，用于测量预制桩外表面一点与测距传感器3之间的距离，一共有 四组、八个测距传感器3。滑动槽外侧标有刻度（为确保精度，刻度的精度可为0.1mm），用 于每一测距传感器3的水平位置读数。每组测距传感器3连接一个水平调节机构。每一水平 调节机构包括卡槽2、插锁6和两根连杆7，卡槽2竖向设置于护板4的边沿，它包括平行且 相对设置的导向槽2.1和固定槽2.2，固定槽2.2内侧设有一列槽孔，插锁6的一端位于导向 槽2.1内、可沿导向槽2.1竖向滑动，插锁6的另一端与固定槽2.2的槽孔配合、用于插锁6 的竖向定位。两根连杆7的一端分别与相应的两个测距传感器3的后端铰接、另一端均与插 锁6铰接。通过插锁6的竖向移动带动两根连杆7的一端移动，从而经连杆7带动一组测距 传感器3水平移动。为确保测量精度，本实施例的测距传感器3优选高精度的激光测距传感 器或者超声波测距传感器，其测量精度可达0.1mm；

本实施例的人机交互平台包括显示屏1、操作平台12和水准仪11，操作平台12与底板 5螺纹连接且位于同一水平面，显示屏1和水准仪11固定在操作平台12上。操作平台12与 测距传感器3的信号输出端连接，用于接收测距传感器3测量信号和输入的测距传感器3水 平位置信号、计算预制桩倾角和倾向并通过显示屏1显示。水准仪11则与上述三脚架10配 合使用，以调节底板5所在平面，确保在施工现场的不利场地条件下监测调节机构的调平。

本发明的工作原理如图5和图6所示。灌入地表前，预制桩桩身在打桩机作用下，直立 吊起至设定桩位，图5中矩形（或空心矩形）在设定桩位水平面上的投影截面对应于以M为 中心的矩形。当桩身在打桩机械的作用下灌入地表时，产生桩身的倾斜，中心M’所对应的矩 形ABCD为预制桩偏斜后的水平投影截面，它由预制桩横截面A’BCD’投影而来。

在图5所示的矩形投影截面ABCD中，偏斜后桩身轴线在水平面的投影矢量M’Q所指 示的方向（任意假设指向）为实际预制桩偏斜的倾向，该矢量可分解为垂直于BC的矢量M’P 和垂直于CD的矢量M’N。

上述三个矢量的（M’Q、M’P、M’N）的角度叠加关系如图6所示。虚线ad’、cd’表示的 是偏斜后桩身轴线实际位置bd’在桩身两相邻垂直面的位移投影分量。由几何关系知，待测的 倾角为∠bd’b’（设为γ），而根据上述矢量关系通过计算可得到:

$\gamma =\frac{\pi }{2}-\arctan \sqrt{{\tan }^2\alpha +{\tan }^2\beta }$

其中α为∠ad’d(ad’倾角的余角)，β为∠cd’d(cd’倾角的余角)，γ为待测桩身实际倾角。

通过图6中矢量的叠加关系可得桩身实际倾向θ为∠adb或其余角，换算可得桩身倾向的 计算公式：

$\theta =\arccos \frac{\tan \alpha }{\sqrt{{\tan }^2\alpha +{\tan }^2\beta }}$或其余角

根据几何关系可知，预制桩偏斜后轴线矢量与其水平投影的夹角即为预制桩的倾角，图 5中，预制桩偏斜后轴线矢量对应的两个相互垂直方向的矢量分量的倾角为∠JM’P和∠JM’N （分别对应上述α的余角和β的余角）。若设预制桩矩形（或空心矩形）横截面边长为分别为 L₁、L₂，对应的预制桩偏斜后水平投影截面（矩形ABCD）的边长为l₁、l₂，根据几何关系得 预制桩偏斜后两矢量轴线的倾角为

$\angle \mathrm{JM}\prime P=\arcsin \frac{L_1}{l_2},$$\angle \mathrm{JM}\text{'}N=\arcsin \frac{L_2}{l_2}$

本发明的关键技术之一是获得预制桩偏斜后水平投影截面的矩形四条边方程，而直线方 程的一般表达式为

y=Bx+C

该表达式中有B₁、B₂、B₃、B₄、C₁、C₂、C₃、C₄八个系数是待定的，通过本装置的八个 测距传感器3测得矩形上8个点的坐标，分别代入直线方程，即可通过求解方程组运算得到 四条边的直线方程，进而可计算出该矩形投影截面的特征值，包括中心点位置、四条边的长 度值等，从而通过带入上述公式得到桩身实际偏斜的倾向和倾角。

上述求解直线方程及桩身实际倾向、倾角的换算、计算过程均为现有技术，可通过编制 简单的计算程序在人机交互平台中自动运算，并最终以数据及图像的形式反映在显示屏1上。 当桩基的偏移超过一定限度，导致某个测距传感器3采集不到数据信息或者超过人为设置的 倾角与倾向警报值时，认为桩身倾斜严重，需立刻停止灌入，并采取相应的工程措施进行补 救。

将上述装置应用于预制桩灌入过程中的测斜时，其操作主要为：

一、前期准备

1、根据工程设计要求，将预制桩通过打桩机械提至设计孔正上方，保持固定；

2、通过罗盘确定正北方向N，并将本发明测斜装置中底板5一体式的三边的开口方向调 整为正北方向N，并各测距传感器3对正预制桩桩身，同时通过三脚架10与水准仪11的配 合使用，将底板5调平；

3、将护板4和底板5的拼接部分与护板4和底板5已固定好的部分进行拼接，并通过内 置插槽固定，确保八个测距传感器3在同一水平面上；4、调节插锁6位置，使其沿着导向槽 2.1实现升降运动，然后通过固定槽2.2将插锁6临时固定，使测距传感器3的测点能在一定 范围内始终监测到桩身，即满足测距传感器3测点布置要求，通过滑动槽外侧的刻度读出各 测距传感器3的水平刻度，输入操作平台12；

二、实施监测

5、开启本测斜装置并调试各测距传感器3；

6、调试结束后，打桩机械开始运作，将预制桩灌入地表；

7、在预制桩灌入过程中，测距传感器3实时监测桩身与测距传感器3的直线距离大小， 测量信号输入操作平台12，结合步骤4获得的测距传感器3水平位置可确定各测点的坐标位 置；

8、测距传感器3所采集的桩身测点的坐标数据通过已编制的计算程序进行处理并以数据 及图像的形式反映在显示屏1上；

三、偏斜预警

9、当桩基的偏斜超过一定限度时，显示和/或语音提示桩身倾斜严重，需立刻停止灌入， 并采取相应的工程措施进行补救；

四、监测结束

10、关闭测距传感器3、操作平台12及显示屏1；

11、拆卸护板4和底板5的拼接部分；

12、收起装置下部的三脚架10并撤走装置，待下次使用。

本发明的核心在于护板4及其上八个测距传感器3的设置，能够通过获取预制桩偏斜后 投影截面的矩形四边直线方程实时、自动化测定矩形或空心矩形截面预制桩灌入过程中发生 偏斜时的倾角和倾向，且设备成本低、操作简单、拆卸方便、可重复使用。所以其保护范围 并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离 本发明的范围和精神，例如：护板4的横截面形状不限于实施例中矩形框状结构，也可以是 拼接的圆形或其他形状；每组测距传感器3也无需对称设置并通过水平调节机构调节位置， 实施例中的优选结构是为了更方便的调节和确定各测距传感器3的水平位置；水平调节机构 也可采用其他常规形式，只要便于调节和读出各测距传感器3的水平位置即可；测距传感器 3选择激光测距传感器或者超声波测距传感器是为了确保装置的测量精度较高，采用其他测 距传感器3也能够实现本发明技术方案；操作平台12和显示屏1可用便携式电脑等替，实施 例中的计算程序也在外部设备中进行，操作平台12的数据采集和输出方式可以是有线或无线 方式等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图 包含这些改动和变形在内。