一种水下钻孔灌注桩施工动态监测方法

摘要

本发明提供一种水下钻孔灌注桩施工动态监测方法。所述监测方法具体是采用带有测量装置、浮力球和A、B压力传感器的测量探头，将其伸入灌注桩钻孔内并在浇筑混凝土过程中通过两个压力传感器所测量的压力值计算出浮力球的高度，从而判断混凝土的浇筑高度。本发明操作方便、监控准确，能够有效的监测水下灌注桩的浇筑过程，并能通过监测判断出混凝土浇筑高度，避免混凝土浇筑超高。

说明书

技术领域

本发明涉及桩基施工领域，具体是一种可以监测灌注桩混凝土浇筑高度的水下钻孔灌注桩施工动态监测方法。

背景技术

随着建筑行业的快速发展，水下混凝土灌注桩的使用也逐渐增大，比如一些高层建筑物基础、地下洞室、地下隧道、桥梁、港口、码头基础等，特别是一些高层建筑的基础设计，为充分利用城市地下空间，几乎大部分高层与超高层建筑均设计有1-3层地下室，往往采用钻孔灌注桩进行水下混凝土灌注。

目前水下混凝土灌注采用较多的方法是导管法和泵压法，其中导管法使用最为广泛，具体是将密封连接的钢管(或强度较高的硬质非金属管)作为水下混凝土的灌注通道，其底部以适当的深度埋在灌入的混凝土搅拌物内，在一定的落差压力作用下，形成连续密实的混凝土桩身。一般地下混凝土灌注桩桩顶的设计标高往往在地面以下3-20m左右，混凝土灌注过程中因泥浆混合物的存在，混凝土面的真实标高很难正确定位控制。在进行混凝土浇灌时没有灌注桩浇灌停浆监测手段，经常会造成灌注桩普遍超高1-5米，甚致超过5米，造成了大量的建筑材料的浪费。而且在基坑开挖时还需要截桩，既增加了施工难度，又消耗了大量的人工成本，同时制造了大量的建筑垃圾。

发明内容

本发明根据现有技术的不足提供一种能实时监测桩顶是否到达预定标高的水下钻孔灌注桩施工动态监测方法，该监测方法是利用动态监测探头伸入泥浆中，利用不同点监测与语音提示功能,可以确保桩顶标高在规定的合理超高范围内，避免因为灌注桩超高而导致的材料浪费和人工成本。

本发明提供的技术方案：一种水下钻孔灌注桩施工动态监测方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)准备监测工具，所述监测工具包括显示器和监测探头，监测探头通过电缆与显示器连接；所述监测探头是由测量装置、浮力球、密封外壳、浮力传感器和A、B压力传感器，密封外壳分为上、下两个腔体，将测量装置密封到外壳的上部腔体内，A、B压力传感器分别安装在密封外壳的上、下两端，浮力球通过导向杆嵌入密封外壳的下部腔体内，并可沿着该腔体上下滑动，浮力传感器安装在浮力球上方30-50mm的位置；

(2)将监测探头伸入灌注桩钻孔内，并将其沿着钻孔下降，并在下降过程中通过两个压力传感器所测量的压力值计算出浮力球下降的深度h₁，并在显示屏上直接显示出来，其计算公式如下：

h₁＝d(σ₁+σ₂)/(σ₂-σ₁)+d+L(mm)；

其中h为浮力球中心点至灌注桩钻孔中泥浆液面的高度；

d为两个压力传感器之间距离的1/2；

σ₁为上端A压力传感器所测的压力值；

σ₂为下端B压力传感器所测的压力值；

L为浮力球沿着密封外壳下部腔体滑动到最底端时其中心点至下端B压力传感器之间的间距；

(3)通过步骤(2)监测浮力球的下降深度，当监测到探头的浮力球下降至设定深度时，并将其固定，停止监测探头的下降过程，所述设定深度低于混凝土灌注桩桩顶标高，且设定深度距离混凝土灌注桩桩顶标高的距离a与浮力球沿着密封外壳下部腔体滑动距离相等；

(4)继续浇筑混凝土，随着混凝土浇筑面的升高，将浮力球向上推动，浮力球便沿着密封外壳下部腔体向上滑动，当浮力球滑动到最顶端时，浮力传感器受力陡增,此时浮力球到达混凝土浇筑桩的设计标高，停止混凝土的浇灌，并及时提起监测探头，完成混凝土浇筑桩的施工过程。

本发明较优的技术方案：步骤(3)完成之后，开始按照正常的混凝土浇筑方法进行混凝土灌注桩的浇筑，并在浇筑过程中通过浮力传感器监测浮力球的浮力，并将监测的数据输送给测量装置，通过测量装置将收集的浮力数据转换为密度，并输送到显示屏上显示出浮力球所在深度的泥浆密度，随着混凝土顶面的升高，浮力球所在深度的泥浆密度逐渐增大，当泥浆密度达到由工程例比经验确定的设定值ρ_d时,根据显示的密度估算出混凝土浇筑高度，并根据估算的高度确定需要浇筑的混凝土的量，并继续缓慢的浇筑混凝土至浮力球接触到混凝土面。

本发明中使用的测量工具包括监测探头和显示器，所述监测探头从至下依次包括测量记录密封舱、浮力球滑动舱和浮力球，所述浮力球滑动舱与测量记录密封舱通过丝扣密封连接，浮力球通过导向杆嵌入浮力球滑动舱内，并可在浮力球滑动舱内上下移动；在浮力球与浮力球滑动舱之间的导向杆上设有浮力球的浮力传感器，在测量记录密封舱的上端设有A压力传感器，在浮力球滑动舱的下端设有第二压力传感器；在测量记录密封舱内设有测量电路和供电电池，所述力传感器、A压力传感器和第二压力传感器的信号输出端均通过信号线与测量电路的信号输入端连接，测量电路的信号输出端与显示器的信号输入端连接。

本发明较优的技术方案：所述浮力球采用硬质工程塑料制作的直径不大于70mm的空心球或空心圆柱，导向杆设在浮力球的一端，所述导向杆采用不锈钢制作，其直径15-20mm，长550-600mm。

本发明较优的技术方案：所述浮力传感器为高精度小量程拉压力传感器，浮力传感器与浮力球之间的间距为30-50mm,两端与导向杆刚性联接。

本发明较优的技术方案：所述设定深度距离混凝土灌注桩桩顶标高的距离与浮力球沿着浮力球滑动舱的滑动距离为0.3-0.4m。

本发明较优的技术方案：所述浮力传感器为高精度小量程拉压力传感器，当孔内泥浆密度发变化时，浮力球所受浮力发生改变，浮力传感器7感受到的力亦发生改变，采用直接配制密度分别为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的标准流体进行率定，使在显示终端读数为实际的泥浆密度。浮力传感器及其以上导向杆的总质量要略大于浮力球5在纯水中2-3倍的浮力。所述A压力传感器和第二压力传感器均设有测压保护装置，所述测压保护装置为微型压力转换模块，在转换模块内充满纯水，通过弹性膜与泥浆接触，A压力传感器和第二压力传感器分别联接在对应的转换模块压力腔内。

本发明较优的技术方案：所述显示器为显示屏、智能手机或平板电脑，置于地面，所述测量电路的数字信号通过密封在高压尼龙管内的信号线送到地面与显示器连接，并将信号在显示器上显示出来。所述显示器为显示屏、智能手机或平板电脑，置于地面，所述测量电路的数字信号通过密封在高压尼龙管内的信号线送到地面与显示器连接，并将信号在显示器上显示出来，并在测量电路中设有语音提示电路，在显示器中设定语音提示，当浮力传感器监测到的泥浆密度到达设定值ρ_d时,ρ_d值由工程例比经验确定,进行第一次语音提示，当浮力球接触到混凝土面时进行第二次语音提示，当浮力球滑动到最顶端时进行第三次语音提示。

本发明步骤(2)中的计算公式推导过程如下：

A压力传感器距孔内泥浆液面高度为h₁、侧压值为σ₁，B压力传感器距孔内泥浆液面高度为h₂、侧压值为σ₂，浮力球中心距B压力传感器孔口中心距离为L，浮力球中心位置距离孔内泥浆液面高度为h；d为两个压力传感器之间距离的1/2；

则有:Δσ＝σ₂-σ₁①

Δh＝h₂-h₁＝2d②

h＝1/2(h1+h2)+d+L(mm)③

单位体积所具有的质量称为密度，公式ρ＝m/V(kg/m3)；单位体积所具有的重量称为容重，公式γ＝G/V(kN/m3)，容重等于密度和重力加速度的乘积，即γ＝ρg；上述公式中σ₁、σ2为均为测点处液体的实际压力，根据计算公式p＝ρgh，可以直接得到以下公式：

σ₁＝γ×h₁④

σ2＝γ×h₂⑤

γ为相应测点处液体的平均重力密度；

由上述公式④可以直接推导出：h₁＝σ₁/γ⑥

由上述公式⑤可以直接推导出：h₂＝σ₂/γ⑦

将公式④、⑤和②代入公式①可以得到：

Δσ＝σ₂-σ₁＝γ×h₂-γ×h₁

Δσ＝γ(h₂-h₁)＝2γd

γ＝Δσ/2d⑧

将公式⑧分别代入公式⑥和公式⑦得到：

h₁＝σ₁*(2d/Δσ)⑨

h₂＝σ₂*(2d/Δσ)⑩

最后将公式⑨和公式⑩代入公式3得到以下结果：

h＝1/2(2dσ₁/Δσ+2dσ₂/Δσ)+500+L

即得到以下公式：h＝d(σ₁+σ₂)/(σ₂-σ₁)+d+L(mm)；

本发明的工作原理：钻孔灌注桩在浇注前，钻孔中均注满了护壁泥浆，浇注时是用导管将混凝从孔底向上浇注，并排除泥浆。监测装置的第一、第二压力传感器是用来测量监测点深度，浮力球及与其相连的浮力传感器是用来测量监测点的泥浆密度。

本发明测量过程监测、监控准确，并可以重复利用，能够有效的监测水下灌注桩的浇筑过程，并能通过监测判断出混凝土浇筑高度，避免混凝土浇筑超高，有效降低建设项目生产成本，可获得了良好的经济效益。

附图说明

图1是本发明的中监测工具的结构示意图；

图2是本发中监测探头的测量记录密封舱结构示意图；

图3是本发明监测探头的浮力球滑动舱的结构示意图；

图4是本发明实施例1的监测示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明。

本发明中使用的监测工具如图1至图3所示，具体包括监测探头1和显示器2，显示器2为显示屏、智能手机或平板电脑，置于地面，监测探头1通过电缆与显示器2连接，并在电缆外包覆尼龙管，还可以在尼龙管上设置刻度值，双重确定下降高度。所述监测探头1从至下依次包括测量记录密封舱3、浮力球滑动舱4和浮力球5。所述浮力球滑动舱4与测量记录密封舱3通过丝扣密封连接，浮力球5通过导向杆6嵌入浮力球滑动舱4内，并可在浮力球滑动舱4内上下移动；所述浮力球5采用硬质工程塑料制作的直径不大于70mm的空心球或空心圆柱，导向杆6设在浮力球5的一端，所述导向杆6采用不锈钢制作，其直径15-20mm，长550-600mm。

如图1所示，在浮力球5与浮力球滑动舱4之间的导向杆6上设有浮力球的浮力传感器7，所述浮力传感器7为高精度小量程拉压力传感器，浮力传感器7与浮力球5之间的间距为30-50mm,两端与导向杆3刚性联接。在测量记录密封舱3的上端设有A压力传感器8，在浮力球滑动舱4的下端设有B压力传感器9，在测量记录密封舱3内设有测量电路10和供电电池11，所述力传感器7、A压力传感器8和B压力传感器9的信号输出端均通过信号线12与测量电路10的信号输入端连接，测量电路10的信号输出端与显示器2的信号输入端连接。所述传感器的信号线12均通过密封的高压尼龙管连接到测量记录密封仓3内的测量电路10上。所述测量电路10的数字信号通过密封在高压尼龙管内的信号线送到地面与显示器2连接，并将信号在显示器上显示出来。

如图2所示，所述测量记录密封舱3采用外径60mm、长600mm的不锈钢管制成，顶端采用可拆装式密封帽3-1密封，在密封帽3-1的中央位置设有直径为6-8mm的高压尼龙管密封接头3-2，不锈钢管的底面直接焊封，并在其密封端面上设有浮力传感器信号线穿孔3-3和第二压力传感器信号线穿孔A，在测量记录密封舱3的下端设有与浮力球滑动舱4刚性联接的丝扣3-4。如图3所示，所述浮力球滑动舱4采用长600mm的双层同心不锈钢管制作,外管4-1的外径为60mm,内管4-2的内径为25-30mm；所述内、外管4-2、4-1的之间的间隙在两端密封,形成密封腔4-3，外管4-1上端通过钢性丝扣与测量记录密封舱3刚性联接，在密封腔4-3靠近测量记录密封舱3的端面上开设有第二压力传感器信号线穿孔B；所述导向杆6上端通过滑动导向装置13安装在内管4-2内，并在滑动导向装置13的作用下沿着内管4-2上下自由滑动。所述滑动导向装置13可以是普通的轴承导向装置，也可以是在内管4-1内壁的两侧对称开设有滑槽，在导向杆6上设有滑块，滑块嵌入滑槽内，并可在推力的作用下向上滑动。所述浮力传感器的信号线和第二压力传感器的信号线分别从对应的信号线穿孔伸入测量记录密封舱3内，并在穿入之后，信号线的外缘与信号线穿孔之间呈密封状。

为了方便监测，可以在测量电路10中集成语音提示电路，在显示器2中设定语音提示，当浮力传感器监测到的泥浆密度到达设计值时进行第一次语音提示，当浮力球接触到混凝土面时进行第二次语音提示，当浮力球滑动到最顶端时进行第三次语音提示。

为保护侧压传感器，所述A压力传感器8和B压力传感器9均设有测压保护装置，所述测压保护装置为微型压力转换模块，在转换模块内充满纯水，通过弹性膜与泥浆接触，A压力传感器8和B压力传感器9分别联接在对应的转换模块压力腔内。

实施例1：本发明使用上述测量工具进行水下钻孔灌注桩施工动态，所述A压力传感器8和B压力传感器9根据最大测试深度选用合适量程的0.1级压力传感器；浮力传感器7选用0-5kg0.1级拉压传感器。使用前，应分别对三支传感器进行标定，侧压感器通道标定为压力单位kpa，浮力传感器7通道采用不同密度的流体标定为流体密度单位g/cm³。测量状态示意图如图4所示，具体测量步骤如下：

(1)准备上述的监测工具，其中浮力传感器置于浮力球上方30mm的位置；所述A压力传感器8和B压力传感器9之间的间距为1000mm，浮力球沿着密封外壳下部腔体滑动距离为0.3m；

(2)将监测探头伸入灌注桩钻孔内，并将其沿着钻孔下降，并在下降过程中通过两个压力传感器所测量的压力值计算出浮力球下降的深度h，并在显示屏上直接显示出来，其计算公式如下：

h＝500(σ₁+σ₂)/(σ₂-σ₁)+500+L(mm)；

其中h为浮力球中心点至灌注桩钻孔中泥浆液面的高度；

σ₁为上端A压力传感器所测的压力值；

σ₂为下端B压力传感器所测的压力值；

L为浮力球沿着密封外壳下部腔体滑动到最底端时其中心点至下端B压力传感器之间的间距；

将A压力传感器8测的压力值σ₁和B压力传感器9测的压力值σ₂，浮力球5中心距第而压力传感器9孔口中心距离为L代入最后推导的公式中便可以计算出浮力球5中心位置距离孔内泥浆液面高度为h，并能准确判断浮力球5所在液面深度；

(3)通过步骤(2)监测浮力球的下降深度，当监测到探头的浮力球下降至设计深度时，即离混凝土灌注桩设计标高以下0.3m的位置，并将其固定，停止监测探头的下降过程；

(4)步骤(3)完成之后，开始按照正常的混凝土浇筑方法进行混凝土灌注桩的浇筑，并在浇筑过程中通过浮力传感器监测浮力球的浮力，并将监测的数据输送给测量装置，通过测量装置将收集的浮力数据转换为密度，并输送到显示屏上显示出浮力球所在深度的泥浆密度，随着混凝土顶面的升高，浮力球所在深度的泥浆14密度逐渐增大，当泥浆密度达到设计值时，第一次语音提示，并根据显示的密度估算出混凝土浇筑高度，并根据估算的高度确定需要浇筑的混凝土的量，并继续缓慢的浇筑混凝土至浮力球接触到混凝土面，第二次语音提示浮力球到达混凝土面；

(5)继续浇筑混凝土15，随着混凝土15浇筑面的升高，将浮力球向上推动，浮力球便沿着密封外壳下部腔体向上滑动，当浮力传感器测量值发生陡变,第三次语音提示，确定浮力球滑动到最顶端时，此时浮力球置于混凝土浇筑桩的设计标高处，便停止混凝土的浇灌，并及时提起监测探头，完成混凝土浇筑桩的施工过程。

采用本发明所述的监测方法可以在进行混凝土浇筑桩施工过程中堆混凝土的浇筑高度进行监控，能够快递知道混凝土的浇筑高度，并能够在混凝土浇筑即将达到设计标高时及时减少混凝土输送量，避免混凝土浇筑超高，有效降低建设项目生产成本，可获得了良好的经济效益。