一种桩底溶洞声纳探测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了桩底溶洞声纳探测装置及方法，它的三维电子罗盘的信号输出端连接单片机的罗盘信号输入端，声纳应力波驱动模块的信号输入端连接单片机的应力波信号输出端，声纳应力波驱动模块的应力波驱动信号输出端连接声纳应力波发射器，所述声纳应力波接收传感器通过声纳应力波信号处理模块连接单片机的声纳信号输入端，所述单片机的通信端通过通信电缆连接现场主机，所述声纳探测探头垂直与桩底。本发明可对桩底下方区域进行详细的溶洞或软弱岩体探测，并能准确测定桩底探测范围内是否存在影响桩底承载能力的溶洞和软弱岩层。
【专利说明】一种粧底溶洞声纳探测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及应用地球物理学声纳探测【技术领域】，具体地指一种桩底溶洞声纳探测 装置及探测方法。
【背景技术】
[0002] 桩底溶洞探测目前主要是在桩孔位置进行小孔径（一般为5至10_)的地质勘探 钻孔，钻到桩底设计位置下面5米左右，当钻孔8没有遇到溶洞9时就认为此桩底没有溶 洞，如图1所示。但是，产生溶洞的地方都是灰岩地区，灰岩极易溶蚀，溶蚀形状复杂多样， 一个小钻孔很难确保探测准一个1米至3米直径的桩孔底部下面5米之内是否有溶洞，经 常出现一些桩底一边是岩石，一边是溶洞或土的情况（当溶洞存在于桩孔下方但又不是在 桩孔的正下方时，在桩孔的中心进行钻孔溶洞探测就会出现探测不到存在于桩孔下方的溶 洞的情况。若桩孔的底部存在有一少部分是土层，大部分是岩层时，在桩孔的中心进行钻孔 溶洞探测也会出现探测不到存在于桩孔底部的少部分土层的情况），如果桩底溶洞没有被 及时发现会造成桩基的承载能力大大降低，造成楼房下降不均匀或出现楼房倾斜和倾倒的 情况，给人民生命财产造成极大损失。
[0003] 目前一些人工挖孔桩由于检测人员能到达桩底，进行了一些物探的探测方法，如 地质雷达和地震法，并取得了一些应用效果；但是，目前的桩孔大多数是旋转钻孔或冲击成 孔，桩孔中都是泥浆浆液，人员无法到达桩底进行探测；因此，就无法对桩底进行更好的探 测，造成了桩底溶洞很难解决的问题。
[0004] 参考文献：《钻孔灌注桩桩底溶洞探测技术研究》、2012年、重庆交通大学硕士论 文，练伟光著。
[0005] 参考文献《地震勘探原理和方法》P304页，地质出版社，1986年。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是要提供一种桩底溶洞声纳探测装置及探测方法，通过该装置和 方法，可对桩底下方区域进行详细的溶洞或软弱岩体探测，并能准确测定桩底探测范围内 是否存在影响桩底承载能力的溶洞和软弱岩层。
[0007] 为实现此目的，本发明所设计的桩底溶洞声纳探测装置，它包括设置在桩外的现 场主机和设置在桩底的声纳探测探头，所述声纳探测探头包括声纳应力波驱动模块、声纳 应力波发射器、声纳应力波接收传感器、声纳应力波信号处理模块、单片机和三维电子罗 盘，其中，所述三维电子罗盘的信号输出端连接单片机的罗盘信号输入端，声纳应力波驱动 模块的信号输入端连接单片机的应力波信号输出端，声纳应力波驱动模块的应力波驱动信 号输出端连接声纳应力波发射器，所述声纳应力波接收传感器通过声纳应力波信号处理模 块连接单片机的声纳信号输入端，所述单片机的通信端通过通信电缆连接现场主机，所述 声纳探测探头垂直与桩底。
[0008] -种利用上述桩底溶洞声纳探测装置的桩底溶洞探测方法，其特征在于，它包括 如下步骤：
[0009] 步骤1 :在桩孔的桩底灌入水，使桩底具有10?20cm高的水层，此时声纳探测探 头浸泡在上述水层中；
[0010] 步骤2 :现场主机通过通信电缆向声纳探测探头内的单片机发送声纳应力波控制 指令，单片机根据声纳应力波控制指令向声纳应力波驱动模块发送声纳应力波控制信号， 声纳应力波驱动模块根据声纳应力波控制信号控制声纳应力波发射器向桩底下方发射功 率范围为1KW?7KW，频率范围为1000?10000HZ的声纳应力波，每个声纳应力波接收传感 器接收到一个上述声纳应力波的反射信号，每个声纳应力波信号处理模块对相应的声纳应 力波的反射信号依次进行放大处理、滤波处理和模数转换处理，得到一组处理后的声纳应 力波的反射信号，声纳应力波信号处理模块将一组处理后的声纳应力波的反射信号发送给 单片机，同时，三维电子罗盘感应到声纳探测探头内每个声纳应力波接收传感器此时的方 向，从而得到一组方向数据，并将该组方向数据传输给单片机；
[0011] 步骤3 :单片机将上述一组处理后的声纳应力波的反射信号通过通信电缆传输给 现场主机，同时单片机将上述声纳应力波接收传感器此时的一组方向数据通过通信电缆传 输给现场主机；
[0012] 步骤4 :将声纳探测探头旋转20?30度，并重复进行步骤2和步骤3,使现场主机 得到另一组处理后的声纳应力波的反射信号和所有声纳应力波接收传感器在旋转后的另 一组方向数据，现场主机利用上述两组处理后的声纳应力波的反射信号和两组声纳应力波 接收传感器方向数据根据现有的声纳应力波成像法得到待测面的声纳反射应力波波形剖 面图；
[0013] 步骤5 :对上述待测面的声纳反射应力波波形剖面图进行现有的应力波反射法分 析确定桩底底部下方l〇m以内区域是否存在溶洞或软弱岩体。
[0014] 应用本发明可以实现桩底溶洞或软弱岩体的探测，相比于现有的桩底溶洞探测设 备及方法，本发明的有益效果主要表现在：
[0015] (1)采用本发明，将声纳探测探头放置于桩底中，可实现桩底溶洞和软弱岩层的探 测，它适用于所有桩孔施工方式，探测速度快、探测结果准确，没有人为因素影响，不会耽误 施工进度。
[0016] (2)本发明实现了桩底的全面积探测，不会出现钻孔探测的局限性和耽误施工进 度问题，不会出现只有人工挖孔桩才能进行雷达和地震法的全面探测的问题，为桩基施工 质量安全提供更好的保障。
[0017] (3)采用本发明可以实现现场主机探测时实时直观的显示探测结果，并生成探测 分析成果图，无需复杂的人工数据分析和处理阶段。因此，本发明的装置具备可操作性、准 确性、实用性等优点。
[0018] (4)本发明得到的测量结果相比传统的钻孔溶洞探测方式得到的结果，具有更高 的准确性，不会遗漏桩底的任何死角。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为现有钻孔溶洞探测法的示意图；
[0020] 图2为本发明的结构示意图；
[0021] 图3为本发明中现场主机的结构框图；
[0022] 图4为本发明中声纳探测探头的结构框图；
[0023] 图5为本发明中声纳应力波接收传感器在声纳探测探头底部的分布图。
[0024] 其中，1 一现场主机、1. 1 一系统总线、1.2 -中央处理器、1.3-存储器、1.4 一人机 交互设备、1. 5- USB通信接口、2-声纳探测探头、2. 1-声纳应力波驱动模块、2. 2-三维 电子罗盘、2. 3-声纳应力波发射器、2. 4-声纳应力波接收传感器、2. 5-声纳应力波信号 处理模块、2. 6-单片机、3-通信电缆、4一桩底、5-桩孔、6-孔口支架、7-水层、8-钻孔、 9-溶洞。
【具体实施方式】
[0025] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
[0026] 本发明的基本原理为：桩底溶洞和软弱岩层与桩底的岩体形成一个变化明显的界 面，这个界面主要表现在岩石或土的密度对应力波波速的影响，因此，这个界面对声纳应力 波的传递会产生较强的反射回波，当声纳发射探头在桩底4的泥浆液中发射声纳时，声纳 会由桩底4的岩体向下传播，在传播过程中若遇到溶洞或软弱岩体时会产生反射回波，回 波会被声纳应力波接收传感器2. 4接收，根据接收的回波信号就可以很好地探测桩底是否 存在溶洞或软弱岩层。
[0027] 如图2?5所示的桩底溶洞声纳探测装置，它包括设置在桩外的现场主机1和设 置在桩底4的声纳探测探头2,所述声纳探测探头2包括声纳应力波驱动模块2. 1、声纳应 力波发射器2. 3、声纳应力波接收传感器2. 4、声纳应力波信号处理模块2. 5、单片机2. 6和 三维电子罗盘2. 2,其中，所述三维电子罗盘2. 2的信号输出端连接单片机2. 6的罗盘信号 输入端，声纳应力波驱动模块2. 1的信号输入端连接单片机2. 6的应力波信号输出端，声纳 应力波驱动模块2. 1的应力波驱动信号输出端连接声纳应力波发射器2. 3,所述声纳应力 波接收传感器2. 4通过声纳应力波信号处理模块2. 5连接单片机2. 6的声纳信号输入端， 所述单片机2. 6的通信端通过通信电缆3连接现场主机1，所述声纳探测探头2垂直与桩底 4。
[0028] 上述技术方案中，所述现场主机1包括系统总线1. 1、中央处理器1. 2、存储器 1. 3 (用于将得到声纳探测探头2的方向和倾角数据以及探测接收的声纳数据进行存储）、 人机交互设备1.4、USB (Universal Serial Bus,通用串行总线）通信接口 1.5 (用于实现本 发明的现场主机1与外围设备之间的数据通信），其中，所述中央处理器1.2、存储器1.3、人 机交互设备1. 4(包括触摸屏、显示屏和光电旋钮（相当于电脑鼠标））、USB通信接口 1. 5 均与系统总线1. 1连接。
[0029] 上述技术方案中，它还包括架设在桩孔5顶部的孔口支架6,所述孔口支架6在桩 口托起通信电缆3。
[0030] 上述技术方案中，所述声纳应力波接收传感器2. 4和声纳应力波信号处理模块 2. 5均有4?8个，所述每个声纳应力波接收传感器2. 4均通过对应的声纳应力波信号处理 模块2. 5连接单片机2. 6的声纳信号输入端。所述4?8个声纳应力波接收传感器2. 4沿 声纳探测探头2底部的周向均匀布置。
[0031] 上述技术方案中，所述声纳探测探头2内的声纳应力波发射器2. 3、声纳应力波接 收传感器2. 4和三维电子罗盘2. 2均垂直与桩底4。
[0032] 上述技术方案中所述的各个设备本身均为成熟的现有设备。
[0033] -种利用上述桩底溶洞声纳探测装置的桩底溶洞探测方法，它包括如下步骤：
[0034] 步骤1 :在桩孔5的桩底4灌入水，使桩底4具有10?20cm高的水层7,此时声纳 探测探头2浸泡在上述水层7中（在水中传播的应力波就叫声纳，其中水又是应力波最好 的耦合剂，用水可以使桩底界面上的应力波通过水传递到接收传感器中，被接收传感器接 收）；
[0035] 步骤2 :现场主机1通过通信电缆3向声纳探测探头2内的单片机2. 6发送声纳应 力波控制指令，单片机2. 6根据声纳应力波控制指令向声纳应力波驱动模块2. 1发送声纳 应力波控制信号，声纳应力波驱动模块2. 1根据声纳应力波控制信号控制声纳应力波发射 器2. 3向桩底4下方发射功率范围为1KW?7KW，频率范围为1000?10000HZ的声纳应力 波，每个声纳应力波接收传感器2. 4接收到一个上述声纳应力波的反射信号，每个声纳应 力波信号处理模块2. 5对相应的声纳应力波的反射信号依次进行放大处理、滤波处理和模 数转换处理，得到一组处理后的声纳应力波的反射信号，声纳应力波信号处理模块2. 5将 一组处理后的声纳应力波的反射信号发送给单片机2. 6,同时，三维电子罗盘2. 2感应到声 纳探测探头2内每个声纳应力波接收传感器2. 4此时的方向，从而得到一组方向数据，并将 该组方向数据传输给单片机2. 6 ;
[0036] 步骤3 :单片机2. 6将上述一组处理后的声纳应力波的反射信号通过通信电缆3 传输给现场主机1，同时单片机2. 6将上述声纳应力波接收传感器2. 4此时的一组方向数据 通过通信电缆3传输给现场主机1 ;
[0037] 步骤4 :将声纳探测探头2旋转20?30度（选择该旋转度数能提高桩底4底部 下方检测结果的准确性），并重复进行步骤2和步骤3,使现场主机1得到另一组处理后的 声纳应力波的反射信号和所有声纳应力波接收传感器2. 4在旋转后的另一组方向数据，现 场主机1利用上述两组处理后的声纳应力波的反射信号和两组声纳应力波接收传感器2. 4 方向数据根据现有的声纳应力波成像法得到待测面的声纳反射应力波波形剖面图；这样的 处理形式能更加精确的确定桩底4底部下方是否存在溶洞或软弱岩体）；
[0038] 步骤5 :对上述待测面的声纳反射应力波波形剖面图进行现有的应力波反射法分 析确定（参考文献《地震勘探原理和方法》P304页，地质出版社，1986年）桩底4底部下方 l〇m(桩底4底部下方10m以下区域为功率范围为1KW?7KW，频率范围为1000?10000HZ 的应力波的有效辐射区域）以内区域是否存在溶洞或软弱岩体。
[0039] 技术人员根据上述测试的结果来确认桩底是否需要进行桩底地基处理。
[0040] 上述技术方案的步骤2中，三维电子罗盘2. 2将声纳探测探头2此时的声纳探测 探头倾角数据也传输给单片机2. 6 ;步骤3中，单片机2. 6将声纳探测探头倾角数据通过通 信电缆3传输给现场主机1的中央处理器1. 2,现场主机1的中央处理器1. 2根据声纳探测 探头倾角数据确认此时的声纳探测探头2是否与桩底4垂直，如果声纳探测探头2不与桩 底4垂直，需要将声纳探测探头2调整成与桩底4垂直。
[0041] 本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1. 一种桩底溶洞声纳探测装置，它包括设置在桩外的现场主机（1)和设置在桩底（4) 的声纳探测探头（2)，所述声纳探测探头（2)包括声纳应力波驱动模块（2. 1)、声纳应力 波发射器（2. 3)、声纳应力波接收传感器（2. 4)、声纳应力波信号处理模块（2. 5)、单片机 (2.6)和三维电子罗盘（2. 2)，其中，所述三维电子罗盘（2.2)的信号输出端连接单片机 (2. 6)的罗盘信号输入端，声纳应力波驱动模块（2. 1)的信号输入端连接单片机（2. 6)的应 力波信号输出端，声纳应力波驱动模块（2.1)的应力波驱动信号输出端连接声纳应力波发 射器（2. 3)，所述声纳应力波接收传感器（2. 4)通过声纳应力波信号处理模块（2. 5)连接单 片机（2.6)的声纳信号输入端，所述单片机（2.6)的通信端通过通信电缆（3)连接现场主 机（1)，所述声纳探测探头（2)垂直与桩底（4)。
2. 根据权利要求1所述的桩底溶洞声纳探测装置，其特征在于：所述现场主机（1) 包括系统总线（1. 1)、中央处理器（1.2)、存储器（1.3)、人机交互设备（1.4)、USB通信接 口（1.5)，其中，所述中央处理器（1.2)、存储器（1.3)、人机交互设备（1.4)、USB通信接口 (1. 5)均与系统总线（1. 1)连接。
3. 根据权利要求1所述的桩底溶洞声纳探测装置，其特征在于：它还包括架设在桩孔 (5)顶部的孔口支架（6)，所述孔口支架（6)在桩口托起通信电缆（3)。
4. 根据权利要求1所述的桩底溶洞声纳探测装置，其特征在于：所述声纳应力波接收 传感器（2.4)和声纳应力波信号处理模块（2.5)均有多个，所述每个声纳应力波接收传感 器（2. 4)均通过对应的声纳应力波信号处理模块（2. 5)连接单片机（2. 6)的声纳信号输入 端，所述多个声纳应力波接收传感器（2.4)沿声纳探测探头（2)底部的周向均匀布置。
5. 根据权利要求1所述的桩底溶洞声纳探测装置，其特征在于：所述声纳探测探头（2) 内的声纳应力波发射器（2. 3)、声纳应力波接收传感器（2. 4)和三维电子罗盘（2. 2)均垂直 与桩底（4)。
6. -种利用权利要求1?5中任意一项所述桩底溶洞声纳探测装置的桩底溶洞探测方 法，其特征在于，它包括如下步骤： 步骤1 :在桩孔（5)的桩底（4)灌入水，使桩底（4)具有10?20cm高的水层（7)，此时 声纳探测探头（2)浸泡在上述水层（7)中； 步骤2 :现场主机（1)通过通信电缆（3)向声纳探测探头（2)内的单片机（2. 6)发送声 纳应力波控制指令，单片机（2.6)根据声纳应力波控制指令向声纳应力波驱动模块（2. 1) 发送声纳应力波控制信号，声纳应力波驱动模块（2. 1)根据声纳应力波控制信号控制声 纳应力波发射器（2. 3)向桩底（4)下方发射功率范围为1KW?7KW，频率范围为1000? 10000HZ的声纳应力波，每个声纳应力波接收传感器（2.4)接收到一个上述声纳应力波的 反射信号，每个声纳应力波信号处理模块（2. 5)对相应的声纳应力波的反射信号依次进行 放大处理、滤波处理和模数转换处理，得到一组处理后的声纳应力波的反射信号，声纳应力 波信号处理模块（2. 5)将一组处理后的声纳应力波的反射信号发送给单片机（2. 6)，同时， 三维电子罗盘（2. 2)感应到声纳探测探头（2)内每个声纳应力波接收传感器（2. 4)此时的 方向，从而得到一组方向数据，并将该组方向数据传输给单片机（2.6); 步骤3 :单片机（2.6)将上述一组处理后的声纳应力波的反射信号通过通信电缆（3) 传输给现场主机（1)，同时单片机（2. 6)将上述声纳应力波接收传感器（2. 4)此时的一组方 向数据通过通信电缆（3)传输给现场主机（1); 步骤4 :将声纳探测探头（2)旋转20?30度，并重复进行步骤2和步骤3,使现场主机 (1)得到另一组处理后的声纳应力波的反射信号和所有声纳应力波接收传感器（2.4)在旋 转后的另一组方向数据，现场主机（1)利用上述两组处理后的声纳应力波的反射信号和两 组声纳应力波接收传感器（2.4)方向数据根据现有的声纳应力波成像法得到待测面的声 纳反射应力波波形剖面图； 步骤5 :对上述待测面的声纳反射应力波波形剖面图进行现有的应力波反射法分析确 定桩底（4)底部下方10m以内区域是否存在溶洞或软弱岩体。
7.根据权利要求6所述的桩底溶洞探测方法，其特征在于：所述步骤2中，三维电子罗 盘（2. 2)将声纳探测探头（2)此时的声纳探测探头倾角数据也传输给单片机（2. 6);步骤3 中，单片机（2.6)将声纳探测探头倾角数据通过通信电缆（3)传输给现场主机（1)，现场主 机（1)根据声纳探测探头倾角数据确认此时的声纳探测探头（2)是否与桩底（4)垂直，如 果声纳探测探头（2)不与桩底（4)垂直，需要将声纳探测探头（2)调整成与桩底（4)垂直。
【文档编号】G01V1/00GK104101896SQ201410276785
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】刘鎏, 陶凤娟, 刘春生 申请人:武汉长盛工程检测技术开发有限公司