基于物联网技术的搅拌桩施工质量自适应监控方法及系统与流程

本发明涉及一种搅拌桩地基加固工程施工质量管理方法，特别是公开一种基于物联网技术的搅拌桩施工质量自适应监控方法及系统。

背景技术

搅拌桩是适用于处理淤泥质土、粉土、饱和黄土等地基的一种地基处理方法，尤其适用于对正常固结淤泥及淤泥质土地基的处理。它利用水泥作为固化剂，通过搅拌机械在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，从而产生一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基，从而提高地基承载力，减少地基沉降量。

用搅拌桩进行软土地基的加固具有施工周期短、污染少、噪音低、振动少、施工设备和施工工艺成熟等优点，已经被广泛应用于软土区地基加固中。但搅拌桩施工需要工人24小时不间断的工作，由于工程量大、施工速度快等因素，监理人员无法全程监管搅拌桩施工，也没有施工过程可以追溯，使得部分不良施工方往往加快施工速度减少施工时间，或者减少水泥掺量来节约成施工成本，这种不良的施工现象经常发生，从而导致搅拌桩的施工质量不达标，包括桩长不足，桩身强度不够，桩身间断不连续等，最终影响搅拌桩施工质量。

搅拌桩的施工质量对建造于其上部的结构物的安全稳定至关重要，若施工质量不合格会造成严重的工程事故。且搅拌桩的施工属于地下工程，具有隐蔽性，事后难以加固补强，施工质量检测手段有限，因此必须对搅拌桩施工进行实时监控。

虽然目前市场上存在一些搅拌桩施工质量监测系统，但普遍监测参数不够全面，没有实现监测数据的无线传输和远程监控，只有自动监测，并无自动控制，未形成工作闭环，无法远程对搅拌桩的施工质量进行全面的自动化监测和控制，因此非常有必要提出一种能够在搅拌桩施工的过程中实时监控各项施工参数的自动化系统，来杜绝搅拌桩施工质量不合格的工程现象。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种基于物联网技术的搅拌桩施工质量自适应监控方法及系统，解决现有技术中搅拌桩施工参数监测不全面，无法远程实时监测，只监测，不控制，系统无交互性等技术问题。

本发明是这样实现的：一种基于物联网技术的搅拌桩施工质量自适应监控方法及系统，所述的自适应监控方法采用的监控系统包括搅拌桩施工设备，所述的搅拌桩施工设备包括搅拌桩机，所述的搅拌桩机主要包括通过浆液管顺序连接的制浆机、储浆桶、泵和搅拌杆，所述的搅拌杆安装于搅拌桩机三角架顶端，所述的制浆机制好的浆液储存在储浆桶中，所述的泵开始工作，将储浆桶中储存的浆液传输至搅拌杆，所述的搅拌杆在搅拌桩施工的钻进和提升过程中边喷浆边搅拌，其特征在于：所述的自适应监控方法采用的监控系统还包括搅拌桩施工设备的施工参数的采集仪器和软件平台。

所述的施工参数的采集仪器包括密度传感器、流量传感器、压力传感器、转速传感器、深度传感器和用于数据交流的集成控制网关，所述的软件平台为安装于计算机上的程序算法和监控平台，通过计算机展示数据结果和修正施工参数、控制施工质量。

所述的施工参数的采集仪器安装在搅拌桩机的相应位置，所述的密度传感器安装在搅拌桩机的储浆桶内，用于测量储浆桶内的浆液密度，所述的流量传感器和压力传感器安装在搅拌桩机的浆液管壁上，分别用于测量浆液管中的浆液流量和浆液压力，所述的转速传感器和深度传感器安装在搅拌桩机的搅拌杆上，分别用于测量搅拌杆的转动速度和钻进深度，所述的集成控制网关安装在所述搅拌桩机三角架上，并与所述的密度传感器、流量传感器、压力传感器、转速传感器及深度传感器通过线缆连接。

所述的软件平台为安装于计算机上的程序算法和监控平台，通过计算机展示数据结果和修正施工参数、控制施工质量。

所述的自适应监控方法具体步骤为：

1、数据采集：在成桩施工的过程中，通过安装在搅拌桩机的储浆桶内的密度传感器实时对储浆桶内的浆液密度进行测量，测得的密度数据为浆液的质量，用于判定当前浆液的水泥用量，安装在搅拌桩机的浆液管壁上的流量传感器实时对浆液管中的浆液流量进行测量，测得的流量数据用来反映一定压力下的喷浆量，安装在搅拌桩机的浆液管壁上的压力传感器实时测量浆液管的喷浆压力，测得的压力数据用以反映喷浆力度，同时结合所述的流量数据来综合反映实际喷浆量，安装在搅拌桩机的搅拌杆上的转速传感器实时测量搅拌杆的转动速度，测得的转速反映搅拌桩桩身强度的均匀性，安装在搅拌桩机的搅拌杆上的所述深度传感器实时测量搅拌杆的钻进深度，通过钻进深度数据反映桩身的长度。

2、数据传输：步骤1中5个传感器测得的5项数据指标分别为浆液密度、浆液流量、喷浆压力、搅拌速度和钻进深度，经数据处理后顺序通过线缆、集成控制网关，经无线网络传输至计算机；所述的集成控制网关与所述的计算机通过无线网络进行通讯，并基于物联网技术进行数据交互。

3、计算机数据处理：由计算机上安装的搅拌桩施工质量自适应监控软件平台对测得的数据结果进行展示，同时与预先输入的设计值进行比对，根据比对结果修正施工参数，来实现对施工质量的控制，所述的自适应监控软件平台由程序算法和监控平台组成；

所述的展示是将集到的数据以数据报表、曲线、列表的形式展现在监控平台的显示界面上，供管理人员随时查看，进行搅拌桩施工的全过程监控；

所述的计算机在对测得的数据结果进行展示的同时对接收到的数据指标与预先输入的设计值进行对比，若超出设计值范围，所述自适应监控软件平台将发出停止打桩指令，并发出报警信号，还同步发送报警信息到自适应监控软件平台中预先设定的指定手机上，提示管理人员进行干预。

本发明的搅拌桩施工质量自适应监控系统中集成控制网关实时将5个传感器的5项测量指标的数据经处理后通过无线网络发送至计算机，与计算机中输入的设计值进行对比，若超出设计值范围，系统将发出指令停止成桩施工，并发出报警信号，同时发送报警信息到预先设定的指定手机上，提示管理人员进行干预。所有采集到的数据还将以数据报表、曲线、列表等形式展现在搅拌桩施工质量监控管理平台的显示界面上，供管理人员随时查看，进行搅拌桩施工的全过程监控。

本发明系统测得的5项指标是从多方面来反映搅拌桩的施工质量的，密度用来判定浆液的水泥用量，压力反映喷浆力度，流量反映一定时间内的喷浆量，转速反映搅拌桩的桩身均匀性，钻进深度反映桩身的长度。

影响搅拌桩施工质量的三个重要指标是喷浆量、搅拌速度、钻进深度。喷浆量不够，搅拌桩的桩身强度则不够；搅拌速度不均匀，搅拌桩的桩身强度则不均匀，甚至断裂；钻进深度不够，桩身长度则不够。以上三个指标不合格均会严重影响搅拌桩的施工质量。

很显然，搅拌速度和钻进深度这两项指标可以直接通过相应的传感器测得，而喷浆量m无法直接测出，该数据指标是由浆液流量q、浆液密度ρ、喷浆长度h、钻进与提升速度v共同决定的，而浆液流量q又由浆液管截面积a、喷浆压力p和浆液密度ρ来控制。

其中，m：喷浆量（kg）；

q：浆液流量（m³/s）；

ρ：浆液密度（kg/m³）；

h：喷浆长度（m）；

v：钻进与提升速度（m/s）；

p：喷浆压力（pa）；

a：浆液管的截面积（m²）；

β：密度系数；

μ：流量系数，与浆液管形状有关。

因此，喷浆量m的关系式可以表达为：

式中，浆液密度一定时，ρ、β为定值；浆液管一定时，μ、a均为定值；喷浆长度（即喷浆的距离）h按设计取某一定值，因此，

可令线性系数

，

则有：

，

式中，对某一特定工程桩，系数α为定值，喷浆压力p会随搅拌杆钻进的深度变化而变化，钻进提升速度v会随地层情况的变化而变化，因此在打桩的过程中可通过对喷浆压力p和钻进提升速度v按钻进深度和地层的变化实时做出相应的改变来保证喷浆量m符合设计要求。

所述修正施工参数的具体步骤为：

由于不同区域不同地层深度的地质条件有差异，所以需要用统计学的方法在试桩阶段确定修正系数，使各区域各深度的喷浆量达到设计值。因此根据钻进深度和地层的变化具体情况对任意i时刻的喷浆压力pi和钻进提升速度vi进行修正，从而控制喷浆量m满足设计要求。

其中，k1：深度修正系数，

k2：地质修正系数。

本发明搅拌桩施工质量自适应监控系统在试桩阶段，自适应监控系统根据钻进深度和地质情况初步确定修正系数k1和k2的变化范围，在进入工程桩施工阶段，自适应监控系统实时采集各项参数的指标，进行数据分析，对修正系数k1和k2按不同深度和不同地质情况进行二次微调，从而对喷浆压力p和钻进提升速度v进行修正，最终控制喷浆量m符合设计要求。

本发明的有益效果是：本发明解决了搅拌桩施工质量监测参数不全面，且数据掌握不及时，人机交互性差，只监测不控制等技术问题，通过该监控系统可以实时对施工全过程的参数自动监控、实时报警并迅速进行参数调整控制，在搅拌桩施工质量得到保证的同时，也给施工监控带来了很大的便捷性。

附图说明

图1是本发明搅拌桩施工质量自适应监控系统组成结构的连接关系示意图。

图中：10、搅拌桩机；11、搅拌杆；12、制浆机；13、储浆桶；14、泵；15、浆液管；16、搅拌桩机三角架；21、密度传感器；22、流量传感器；23、压力传感器；24、转速传感器；25、深度传感器；26、集成控制网关；27、线缆；28、计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的基于物联网技术的搅拌桩施工质量自适应监控系统包括硬件设备和软件平台共同组成的。

根据附图1，所述的硬件设备除施工设备外还包括各类施工参数的采集仪器，主要有：密度传感器21、流量传感器22、压力传感器23、转速传感器24、深度传感器25和用于数据交流的集成控制网关26。所述的施工设备主要为搅拌桩机10。所述的软件平台由程序算法和监控平台组成，并通过计算机28展示数据结果和修正施工参数、控制施工质量。

搅拌桩机10主要包括制浆机12、储浆桶13、泵14、搅拌杆11、浆液管15和搅拌桩机三角架16，其中制浆机12、储浆桶13和搅拌杆11通过浆液管顺序连通。制浆机12制好的浆液储存在储浆桶13中，泵14开始工作，将储浆桶13中储存的浆液传输至搅拌杆11。搅拌杆11在搅拌桩施工的钻进和提升过程中边喷浆边搅拌。

搅拌桩施工质量自适应监控系统的各施工参数的采集仪器安装在搅拌桩机10的相应位置。所述的密度传感器21安装在搅拌桩机的储浆桶13内，用于测量储浆桶内的浆液密度；所述的流量传感器22和压力传感器23安装在搅拌桩机10的浆液管壁上，分别用于测量浆液管中的浆液流量和浆液压力；所述的转速传感器24和深度传感器25安装在搅拌桩机的搅拌杆11上，分别用于测量搅拌杆11的转动速度和钻进深度。所述的集成控制网关26安装在搅拌桩机三角架16上，并与所述的密度传感器21、流量传感器22、压力传感器23、转速传感器24及深度传感器25通过线缆连接。所述的集成控制网关26与所述计算机28通过无线网络进行通讯，基于物联网技术进行数据交互。所述计算机25上安装有搅拌桩施工质量自适应监控软件平台。

本发明中在成桩施工的过程中，安装在搅拌桩机10的储浆桶13内的所述密度传感器21实时对储浆桶13内的浆液密度进行测量，测得的密度数据用于判定当前浆液的水泥用量，即浆液的质量；安装在搅拌桩机10的浆液管壁15上的所述流量传感器22实时对浆液管15中的浆液流量进行测量，测得的流量数据用来反映一定压力下的喷浆量；安装在搅拌桩机10的浆液管壁15上的所述压力传感器23实时测量浆液管15的喷浆压力，测得的压力数据用以反映喷浆力度，同时结合所述的流量数据来综合反映实际喷浆量；安装在搅拌桩机10的搅拌杆11上的所述转速传感器24实时测量搅拌杆11的转动速度，测得的转速反映搅拌桩桩身强度的均匀性；安装在搅拌桩机10的搅拌杆11上的所述深度传感器25实时测量搅拌杆11的钻进深度，通过钻进深度数据反映桩身的长度。

5个传感器测得的5项数据指标：浆液密度、浆液流量、喷浆压力、搅拌速度和钻进深度经数据处理后顺序经线缆、集成控制网关26、无线网络传输至计算机28，由计算机28上安装的搅拌桩施工质量自适应监控软件平台对测得的数据结果进行展示，同时根据需要修正施工参数，来实现对施工质量的控制。所述的计算机28将接收到的数据指标与输入的设计值进行对比，若超出设计值范围，所述搅拌桩施工质量自适应监控软件平台将发出指令停止打桩，并发出报警信号，同时发送报警信息到软件预先设定的指定手机上，提示管理人员进行干预。所有采集到的数据还将以数据报表、曲线、列表等形式展现在搅拌桩施工质量监控管理平台的显示界面上，供管理人员随时查看，进行搅拌桩施工的全过程监控。

在试桩阶段，所述搅拌桩施工质量自适应监控软件平台根据钻进深度和地质情况初步确定喷浆压力值和钻进速度的修正系数k1和k2的变化范围。在工程桩施工阶段，所述搅拌桩施工质量自适应监控软件平台通过各施工参数的采集仪器实时采集各项参数的指标，进行数据分析，若超出设计值范围，即发出指令停止打桩，然后对修正系数k1和k2按不同深度和不同地质情况进行二次微调，并由集成控制网关26来控制泵14的出浆压力和搅拌桩钻机的转速，从而对喷浆压力和钻进速度进一步修正，最终控制喷浆量符合设计要求。

本发明可以在搅拌桩施工过程中对影响其质量的相关指标：密度、流量、压力、转速和深度进行实时远程监控，并且在不同的土质条件下对喷浆压力进行自动修正，是具有良好人机交互性的自适应监控系统，实现了搅拌桩施工参数的全面自动化监测与控制。