一种管桩内土芯高度监测装置的制作方法

1.本实用新型属于海洋岩土工程以及桩基工程技术领域，尤其涉及一种管桩内土芯高度监测装置。


背景技术：

2.钢管桩、预应力混凝土管桩等预制管桩是建筑、桥梁、港口码头、海洋风电工程常用的桩基类型。预制管桩通常采用冲击、振动、静压的方式沉入地基土层中。预制管桩桩尖一般为开口或半闭口的形式，贯入土层的过程中，管桩内部将被土芯填充。由于土芯与管桩内壁存在摩擦阻力以及土拱效应等的影响，沉桩过程管桩可能发生闭塞而土芯高度将不继续随桩贯入土层深度的增加而增加，沉桩后管桩桩端的承载特性基本等同于闭口桩。如果沉桩结束时土芯高度仍在增加，沉桩后桩端的承载特性与沉桩结束时土芯的发展高度、发展速率等密切相关。因此，有必要在沉桩过程监测管桩内部土芯高度的发展趋势，为后续管桩桩端的承载特性分析、承载力计算以及研究管桩内土芯对沉桩过程的影响提供数据。
3.目前现有的管桩内部土芯高度实测方法主要分为两种：第一种是在沉桩结束后，在桩顶直接测量土芯顶面的深度，该方法无法获得沉桩过程土芯高度随时间发展的数据；第二种是在管桩侧壁开孔，用绳连接设置于管桩内、外的一对重球，内侧重球放置于管桩内土芯顶面，外侧重球自由悬挂，间接通过测量外侧重球的高度来获得内侧重球及土芯顶面的高度，这种方法的外侧重球在动力打桩过程中随着外侧绳长度的增加易受振动荷载不利影响，且外侧重球位置的测量需要靠近管桩和人工实现，安全风险大，难以实现自动化采集，实际上也很难获得沉桩过程土芯高度随时间发展的实时数据。
4.随着钢管桩、预应力混凝土管桩等预制管桩特别是大直径、超长管桩在工程中越来越多的应用，管桩内土芯的发展规律及其对管桩承载特性、沉桩过程影响等问题的研究愈发必要和关键，亟需提出一种可适用于复杂工程环境、简单便捷易操作，可实时自动监测管桩内土芯高度的管桩内土芯高度监测装置。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种管桩内土芯高度监测装置，可适用于复杂工程环境、简单便捷易操作，可实时自动监测管桩内土芯高度，以解决现有土芯高度测量装置及方法难以采集土芯高度、安全风险高等问题。
6.本实用新型是通过以下技术方案实现的：
7.一种管桩内土芯高度监测装置，包括第一滑轮、第二滑轮、卷筒集成、同心电缆、电阻测试仪、卷筒控制一体机、计算机和重球，第一滑轮和第二滑轮分别设置于待测管桩的预留孔孔壁的内侧和外侧，且两者设置高度相同；
8.卷筒集成包括卷筒、力矩传感器、驱动装置，驱动装置通过力矩传感器与卷筒驱动连接；
9.卷筒控制一体机分别与力矩传感器和驱动装置电连接；
10.重球在待测管桩的桩孔内自然垂放至管内泥面，且其与同心电缆相连；
11.同心电缆依次绕过第一滑轮、第二滑轮后与卷筒连接；
12.同心电缆包括第三电缆和套设于第三电缆外侧的金属软管，第三电缆和重球连接的一端与金属软管和重球连接的一端电连接；
13.金属软管与第一滑轮之间绝缘，与第二滑轮之间电连接；
14.第二滑轮通过第一电缆与电阻测试仪电连接；
15.第三电缆远离重球的一端通过第二电缆与电阻测试仪电连接；
16.计算机分别与卷筒控制一体机和电阻测试仪连接。
17.进一步地，还包括第三滑轮，第三滑轮设置于第二滑轮远离待测管桩的一侧，且其设置高度低于第二滑轮的设置高度，同心电缆绕过第三滑轮下方后与卷筒连接，金属软管与第三滑轮之间绝缘。
18.进一步地，第一滑轮、第二滑轮和第三滑轮均包括轴承和设置在轴承上的轮槽，第一滑轮和第三滑轮的轮槽为绝缘材料制成，第二滑轮的轮槽为导电材料制成。
19.进一步地，第一滑轮通过第一支架安装固定于待测管桩预留孔孔壁，第二滑轮和第三滑轮通过第二支架安装固定于待测管桩预留孔孔壁。
20.进一步地，第一支架和第二支架均设有钢板底座，钢板底座上设有多个螺孔，待测管桩预留孔孔壁上设有相应的多个通孔，第一支架和第二支架通过螺栓依次穿过一钢板底座的螺孔、通孔和另一钢板底座的螺孔而安装固定于待测管桩预留孔孔壁。
21.进一步地，卷筒集成、电阻测试仪、卷筒控制一体机、计算机均架设于待测管桩外侧的地面上。
22.相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：可实时快速监测待测管桩沉桩过程中管桩内土芯高度随沉桩时间的变化情况，可适用于复杂工程环境、简单便捷易操作，可实时自动监测管桩内土芯高度，自动化程度高，安全风险小，以解决现有土芯高度测量装置及方法难以采集土芯高度、安全风险高等问题。
附图说明
23.图1为本实用新型管桩内土芯高度监测装置的结构示意图；
24.图2为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中卷筒集成的结构示意图；
25.图3为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中同心电缆的截面示意图；
26.图4为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中滑轮的结构示意图；
27.图5为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中第一支架和第二支架的钢板底座的结构示意图。
28.图中，1
‑
第一滑轮，2
‑
第二滑轮，3
‑
卷筒集成，31
‑
卷筒，32
‑
力矩传感器，33
‑
驱动装置，4
‑
同心电缆，41
‑
第三电缆，42
‑
金属软管，5
‑
电阻测试仪，6
‑
卷筒控制一体机，7
‑
计算机，8
‑
重球，9
‑
待测管桩，10
‑
第一电缆，11
‑
第二电缆，12
‑
第三滑轮，13
‑
轴承，14
‑
轮槽，15
‑
第一支架，16
‑
第二支架，17
‑
钢板底座，171
‑
螺孔，18
‑
地面，19
‑
土芯。
具体实施方式
29.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新
型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
30.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
33.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
34.请参阅图1至图3,图1为本实用新型管桩内土芯高度监测装置的结构示意图，图2为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中卷筒集成的结构示意图，图3为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中同心电缆的截面示意图。一种管桩内土芯高度监测装置，包括第一滑轮1、第二滑轮2、卷筒集成33、同心电缆4、电阻测试仪5、卷筒控制一体机6、计算机7和重球8，计算机7根据卷筒集成33采集的转动力矩，通过卷筒控制一体机6、卷筒集成33和同心电缆4控制重球8垂放至待测管桩9内的泥面，并通过电阻测试仪5采集的电阻值计算待测管桩9内土芯19高度。
35.具体地，计算机7分别与卷筒控制一体机6和电阻测试仪5连接，第一滑轮1和第二滑轮2分别设置于待测管桩9的预留孔孔壁的内侧和外侧，且两者设置高度相同；卷筒集成33包括卷筒31、力矩传感器32、驱动装置33，驱动装置33通过力矩传感器32与卷筒31驱动连接；卷筒控制一体机6分别与力矩传感器32和驱动装置33电连接；卷筒控制一体机6用于将力矩传感器32采集的驱动装置33传输到卷筒31的转动力矩发送至计算机7，并根据计算机7发送的控制指令控制驱动装置33驱动卷筒31正转、反转或停止。
36.请结合参阅图4，图4为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中滑轮的结构示意图。重球8在待测管桩9的桩孔内自然垂放至管内泥面，且重球8与同心电缆4相连；同心电缆4依次绕过第一滑轮1、第二滑轮2后与卷筒31连接；同心电缆4包括第三电缆41和套设于第
三电缆41外侧的金属软管42，第三电缆41和重球8连接的一端与金属软管42和重球8连接的一端电连接，第三电缆41除了和重球8连接的一端与金属软管42电连接，其余部分与金属软管42通过第三电缆41外表面的绝缘层绝缘隔离；金属软管42与第一滑轮1之间绝缘，与第二滑轮2之间电连接；第二滑轮2通过第一电缆10与电阻测试仪5电连接；第三电缆41远离重球8的一端通过第二电缆11与电阻测试仪5电连接。在一实施例中，卷筒集成33、电阻测试仪5、卷筒控制一体机6、计算机7均架设于待测管桩9外侧的地面18上。在一实施例中，第一滑轮1、第二滑轮2和第三滑轮12均包括轴承13和设置在轴承13上的轮槽14，第一滑轮1和第三滑轮12的轮槽14为绝缘材料制成，第二滑轮2的轮槽14为导电材料制成。以实现金属软管42与第一滑轮1和第三滑轮12之间绝缘，以及金属软管42与第二滑轮2之间电连接。进一步地，第二滑轮2设有用导电材料制成的导电轴，第二滑轮2转动设置在导电轴上，且通过导电轴与第一电缆10电连接。避免第二滑轮2转动时，第一电缆10缠绕在第二滑轮2上。
37.请结合参阅图5，图5为本实用新型管桩内土芯高度监测装置中第一支架和第二支架的钢板底座的结构示意图。考虑到在水域中沉桩时，当待测管桩9沉桩至一定深度，第二滑轮2所处高度将低于卷筒31高度，同心电缆4可能与第二滑轮2分开导致无法测试。在一实施例中，本实用新型管桩内土芯高度监测装置还包括第三滑轮12，第三滑轮12设置于第二滑轮2远离待测管桩9的一侧，且其设置高度低于第二滑轮2的设置高度，同心电缆4绕过第三滑轮12下方后与卷筒31连接，金属软管42与第三滑轮12之间绝缘。设置第三滑轮12，同心电缆4依次绕过第一滑轮1和第二滑轮2后，再从第三滑轮12下方绕过后与卷筒31连接，该设置可以保持同心电缆4与第二滑轮2的持续接触状态，并且通过第三滑轮12能更好保证同心电缆4与第二滑轮2的起始接触点保持不变。在一实施例中，待测管桩9的预留孔孔壁内侧和外侧分别可拆卸固定有第一支架15和第二支架16，第一滑轮1通过第一支架15安装固定于待测管桩9预留孔孔壁，第二滑轮2和第三滑轮12通过第二支架16安装固定于待测管桩9预留孔孔壁。进一步地，第一支架15和第二支架16均设有钢板底座17，钢板底座17上设有多个螺孔171，待测管桩9预留孔孔壁上设有相应的多个通孔，第一支架15和第二支架16通过螺栓依次穿过一钢板底座17的螺孔171、通孔和另一钢板底座17的螺孔171而安装固定于待测管桩9预留孔孔壁。通过螺栓与螺孔171螺纹连接，实现快速拆装第一支架15和第二支架16。
38.本实用新型管桩内土芯高度监测装置的监测方法，包括以下步骤：
39.s1、打桩开始前，由电阻测试仪5直接测得第一电缆10全长电阻r1、第二电路全长电阻r2、第三电缆41全长电阻r3和金属软管42全长电阻r0，通过尺子等长度测量设备分别测量重球8直径d、第一滑轮1半径r1、卷筒31半径r2和同心电缆4长度l，通过称重设备重球8质量m，并根据公式r
m
＝r0/l计算出金属软管42的平均每米电阻值r
m
，并将上述所有数据预先输入到计算机7内，用于后续计算待测管桩9内土芯19高度；
40.s2、组装如上述任一项所述的管桩内土芯高度监测装置：将卷筒集成33、电阻测试仪5、卷筒控制一体机6、计算机7均架设于待测管桩9外侧的地面18上，第一滑轮1和第二滑轮2分别通过第一支架15及第二支架16安装固定于待测管桩9预留孔孔壁，且设置高度相同，第三滑轮12通过第二支架16安装固定于第二滑轮2远离待测管桩9的一侧，且其设置高度低于第二滑轮2的设置高度。将重球8与同心电缆4相连，并将重球8放置在待测管桩9内，同心电缆4依次绕过第一滑轮1和第二滑轮2后，再从第三滑轮12下方绕过后与卷筒31连接，卷筒31的转动轴通过力矩传感器32与驱动装置33的输出端连接，驱动装置33可以采用电
机，通过电机控制卷筒31正转、反转实现同心电缆4的收放。将卷筒控制一体机6通过第四电缆和第五电缆分别与力矩传感器32和驱动装置33电连接，第二滑轮2通过第一电缆10与电阻测试仪5电连接；第三电缆41远离重球8的一端通过第二电缆11与电阻测试仪5电连接，计算机7通过第六电缆和第七电缆分别与卷筒控制一体机6和电阻测试仪5连接。组装完成后，控制卷筒31收放，使得重球8保持悬挂状态，测量第一滑轮1和第二滑轮2中心距离d、第二滑轮2顶点距离桩顶的距离h1和重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4长度l
b
。在本实用新型管桩内土芯高度监测装置中，金属软管42和重球8连接的一端通过第三电缆41、第二电缆11与电阻测试仪5电连接，同时金属软管42与第二滑轮2的接触点通过第二滑轮2、第一电缆10与电阻测试仪5电连接，从而金属软管42、第三电缆41、第二电缆11、电阻测试仪5、第一电缆10和第二滑轮2之间构成回路，电阻测试仪5测量的电阻值为整个回路的电阻值，因此第二滑轮2产生的电阻r4＝r
b
‑
l
b
×
r
m
‑
r1‑
r2‑
r3，并且金属软管42与第二滑轮2起始接触点在沉桩测试过程中始终保持不变，第二滑轮2产生电阻由于轴承13内圈和外圈之间滚珠的移动可能发生一定幅度改变，但采用滚珠直径较小、环向上布置较密的轴承13时，对应的电通路路径长度基本不变，因此可对应的电通路路径基本不变，第二滑轮2产生的电阻值变化较小，并且第二滑轮2产生的电阻远小于金属软管42平均每米电阻值，可将第二滑轮2产生的电阻值看作不变；
41.s3、控制卷筒31收放，使得重球8下降至待测管桩9内土芯19顶面，并使得重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4处于紧绷状态，根据公式l
i0
＝(r
i0
‑
r1‑
r2‑
r3‑
r4)/r
m
计算得到重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4的初始长度l
i0
，其中由于电阻测试仪5测量的是整个回路的电阻值，因此根据电阻测试仪5测量的电阻值r
i0
，由r
i0
‑
r1‑
r2‑
r3‑
r4计算得到重球8至第二滑轮2顶点之间的金属软管42的电阻值，再将计算得到的金属软管42的电阻值除以金属软管42的平均每米电阻值r
m
，即可计算得到重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4的初始长度l
i0
。并根据公式h
i0
＝l
i0
‑
d
‑
πr1/2+h1+r1+d计算得到土芯19顶面距离桩顶的初始高度h
i0
，其中πr1/2为第一滑轮1四分之一的圆周长度，土芯19顶面距离桩顶的初始高度h
i0
即为待测管桩9的长度，将上述数据预先输入计算机7内；
42.s4、开始打桩，待测管桩9打入土中，形成土芯19，重球8被土芯19抬高后，通过力矩传感器32采集驱动装置33传输到卷筒31的转动力矩m
i
。根据转动力矩m
i
控制卷筒31收放同心电缆4，使得重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4处于紧绷状态。具体地，在计算机上预先设置同心电缆拉力区间，同心电缆拉力区间最小值为区间最小值为0.5
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)，区间最大值为0.8
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)，目的在于使得同心电缆4保持紧绷状态而又不至于将重球8提起，此外考虑到卷筒控制一体机6尽管能够较快速通过驱动装置33控制卷筒31正反转，从而较快速控制同心电缆4的收放，但并不能做到弯曲连接的控制，因此将同心电缆4拉力限定在一个区间内，使得同心电缆4拉力可快速达到满足条件而进入计算得到土芯19顶面距离桩顶的高度h
i1
的步骤；而ρ
·
g
·
π
·
d3/6为重球8置于水中所受的浮力，主要考虑待测管桩9在水域打桩时，泥面位于水面以下，因此需要考虑浮力的作用。而在陆域打桩时，计入浮力也不会产生影响。转动轴力矩m
i
＝(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)
×
转筒半径r2，其中(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)为同心电缆4所受拉力。判断重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4处于紧绷状态的步骤包括：判断m
i
/r2是否大于等于0.8
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)，其中，g为重力加速度，ρ为重球8质量密度；若是，则控制卷筒31反转，放松同心电
缆4，直至0.5
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)＜m
i
/r2＜0.8
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)，控制卷筒31停止；若否，则判断m
i
/r2是否小于等于0.5
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)；若是，则控制卷筒31正转，收紧同心电缆4，直至0.5
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)＜m
i
/r2＜0.8
×
(m
·
g
‑
ρ
·
g
·
π
·
d3/6)，控制卷筒31停止；并且在计算机内预先设置自动监测时间，按照设置预设监测时间，每隔预设监测时间获取电阻测试仪5测量的电阻值r
i1
，并根据公式l
i1
＝(r
i0
‑
r1‑
r2‑
r3‑
r4)/r
m
计算得到重球8至第二滑轮2顶点之间的同心电缆4的长度l
i1
，以及根据公式h
i1
＝l
i1
‑
d
‑
πr1/2+h1+r1+d计算得到土芯19顶面距离桩顶的高度h
i1
，计算过程与步骤s3相同，在此不再赘述；
43.s5、计算当前时刻的土芯19高度h
i
：h
i
＝h
i0
‑
h
i1
，由待测管桩9的长度h
i0
减去土芯19顶面距离桩顶的高度h
i1
即可得到待测管桩9内土芯19高度。本实用新型可实时自动监测管桩内土芯19高度，自动化程度高，安全风险小，以解决现有土芯19高度测量装置及方法难以采集土芯19高度、安全风险高等问题。
44.s6、根据当前时刻t
i
和土芯19高度h
i
，绘制土芯19高度h
i
与当前时刻t
i
的关系曲线，其中当前时刻t
i
以打桩开始的时间点为零点开始计时；在获取电阻测试仪5测量的电阻值r
i1
的时候，记录当前时刻t
i
，当前时刻t
i
以打桩开始的时间点为零点开始计时，根据当前时刻t
i
和其对应的土芯19高度h
i
，绘制土芯19高度h
i
与当前时刻t
i
的关系曲线，以实时直观监测待测管桩9沉桩过程中管桩内土芯19高度随沉桩时间的变化情况。
45.相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：可实时快速监测待测管桩9沉桩过程中管桩内土芯19高度随沉桩时间的变化情况，可适用于复杂工程环境、简单便捷易操作，可实时自动监测管桩内土芯19高度，自动化程度高，安全风险小，以解决现有土芯19高度测量装置及方法难以采集土芯19高度、安全风险高等问题。
46.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型做任何形式上的限制，故凡未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。