一种实时测量管桩贯入度的系统和方法与流程

本发明涉及管桩施工中相关参数测量，具体涉及一种实时测量管桩贯入度的系统和方法，属于管桩施工。

背景技术：

1、桩基础是一种承载能力高、适用范围广、历史久远的基础形式，广泛应用于高层建筑、港口、桥梁等工程中，其主要用于提高地基与基础的承载力，是应用最广泛的深基础形式。桩基础按施工方法可分为灌注桩和预制桩两大类。预制桩因其质量可视可控、成本低、工期短、现场清洁等优点，在市场应用越来越广泛。

2、预制桩包括木桩、钢桩、管桩等，其中又以管桩应用最为广泛，施工方式一般为锤击和静压。锤击即通过打桩机将管桩打入地下。锤击施工中，确保承载力符合要求的主要控制参数为贯入度，贯入度达到设计和规范要求，才能确保后续承载力检验合格。贯入度是指在地基土中用重力击打管桩时，管桩进入土中的深度。贯入度一般是指锤击桩每10击进入的深度，用mm/10击表示。进行贯入测试的目的，是通过贯入度判断地基土层状态，并通过试桩时确定的贯入度和承载力的关系，确保桩基的承载能力。

3、在实际施工中，贯入度测量没有专门的测量仪器，一般是在锤击过程中，每打10锤测量人员在相对地面固定的高度在锤架或管桩上画线，然后用卷尺测量相邻两条线之间的间距，即为贯入度，然后记录上报到管理单位，该方法存在如下问题：1）测量过程存在人机交互，存在安全风险。2）存在因人为误差和主观故意导致与实际要求出现较大偏差的可能。3）需要监管人员确保数据的真实有效，增加人力成本。另外，在管桩施工过程中，依赖人工经验来决定是否接桩、送桩或收锤，主观性较强，容易出现欠打或过打，影响施工质量，留下安全隐患。

4、鉴于人工测量存在的上述不足，故自动测量贯入度便有了强烈的现实需求。由于管桩底部位于地层中，无法直接测量其入土深度，故问题自然就转化为测量管桩顶部的下沉量。为了测量管桩顶部下沉量，一个方法就是实时测量管桩桩顶标高，通过锤击前后桩顶标高的变化，即可得到每锤管桩的入土深度。统计十锤的入土深度，即得到贯入度。

5、虽然通过gnss接收机测量标高已经比较成熟，理论上通过gnss接收机测量桩顶标高变化量也可以得到每锤的入土深度。但却存在以下问题：1、对于gnss接收机来讲，要求接收机和卫星之间不能有遮挡，即旁边不能有较高的金属装置。如果直接在锤架上设置gnss接收机来测量桩顶标高，会受到桩机上桩架和锤的影响干扰，导致测量不准确。2、由于贯入度测量精度需要达到0.1mm，精密仪器如果直接安装在锤上，受到锤的强烈震动冲击，会显著影响测量精度和耐久性。3、gnss接收机的数据容易出现波动，用于锤击过程中的高频率的标高测量，数据精度进一步下降。而且gnss接收机本身的测量精度为厘米级，也满足不了贯入度测量要求，再加上震动的影响，精度会进一步降低，更难以符合要求。因此，在实际施工中，如何准确地实时测量贯入度，对于准确收锤、施工质量把控和施工信息的全面准确采集，具有重要的意义，也是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种实时测量管桩贯入度的系统和方法，本发明能够实时地测量管桩贯入度，且测量准确，有助于准确把控收锤时机，提高施工质量，实现施工过程信息全面准确采集。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种实时测量管桩贯入度的系统，包括桩机，桩机包括桩机平台和在桩机平台前端中部设置的桩架，桩架前侧通过锤抱箍设有锤架，锤架在驱动机构的驱动下可通过锤抱箍沿桩架上下升降；还包括解算单元、显示屏、锤架位移测量机构和锤击检测机构；

4、所述锤架位移测量机构用于测量锤击前后锤架在竖直方向上的位移变化量；锤架位移测量机构包括拉绳、减速机构和位移传感器，所述减速机构包括若干定滑轮组成的定滑轮组和若干动滑轮组成的动滑轮组，定滑轮组位于动滑轮组正上方，所有定滑轮水平并排间隔固定在滑轮支架上，所有动滑轮水平并排间隔固定在配重上；拉绳的一端固定在滑轮支架上，拉绳的另一端按定滑轮、动滑轮的顺序从一侧开始依次交替绕过所有定滑轮和动滑轮后从定滑轮向下引出，向下引出的拉绳通过变向定滑轮变向后竖直向上并与锤抱箍固定连接；滑轮支架固定在桩机平台上并位于桩架后方；位移传感器与配重连接用于检测锤架下行过程中配重产生的位移量；减速机构用于将拉绳另一端的位移减速后传递给配重；

5、锤击检测机构设置在锤架上并位于锤芯每次锤击前提升经过路径的侧边，用于检测锤击信息；

6、位移传感器检测的位移量和锤击检测机构检测到的锤击信息分别传输给解算单元，解算单元通过接收的位移量并结合减速比得到锤架位移变化量，通过锤击信息得到锤击数，每锤锤架位移变化量即为该锤管桩入土深度，从而自动实时解算出贯入度并通过显示屏显示。

7、进一步地，所述位移传感器为编码器，编码器通过滑轮轴与测速定滑轮连接；测速绳一端与配重固定连接，另一端绕测速定滑轮一周后向下与收线装置连接。

8、进一步地，所述变向定滑轮为两个，分别固定安装在桩架前侧和后侧，位于桩架后侧的变向定滑轮用于将拉绳由竖直向下变向为向前；位于桩架前侧的变向定滑轮用于将拉绳由向前变向为竖直向上。

9、进一步地，在锤抱箍上固定安装有竖直朝上的拉绳支架，所述拉绳的另一端固定在拉绳支架的顶部。

10、进一步地，所述滑轮支架为上端封闭、下端敞口的管状结构，定滑轮组、动滑轮组、配重、位移传感器、测速定滑轮和收线装置均位于管状空腔中；拉绳另一端通过下端敞口穿出。

11、更进一步地，在管状空腔内位于配重两侧分别设有滚轮，配重通过滚轮与管状空腔内壁贴合。

12、本发明还提供了一种实时测量管桩贯入度的方法，采用前述的一种实时测量管桩贯入度的系统进行；测量时，通过锤芯锤击锤架，锤架将锤击力传递给与锤架接触的管桩顶部，使管桩下行；通过锤击检测机构检测每次的锤击信息；通过所述锤架位移测量机构测量每锤击打时锤架在竖直方向上的位移变化量，每锤击打时锤架在竖直方向上的位移变化量即为该锤管桩入土深度；

13、解算单元实时获取位移传感器的读数和锤击检测机构检测到的锤击信息，解算单元通过接收到的位移传感器的读数并结合减速比得到锤架位移变化量，通过锤击信息得到锤击数，解算单元记录每锤管桩入土深度，实时计算并更新最近十锤的管桩入土深度，从而实时得到管桩贯入度。

14、进一步地，所述锤击检测机构为接近开关；锤芯每次锤击前需要往上提升到一定高度并通过接近开关，接近开关一旦检测到锤芯往上运动便输出检测信号给解算单元，解算单元即识别为一次锤击。

15、所述位移传感器为编码器，编码器通过滑轮轴与测速定滑轮连接；测速绳一端与配重固定连接，另一端绕测速定滑轮一周后向下与收线装置连接；配重下移时，收线装置收线使测速绳绷紧的同时将带动测速定滑轮转动，进而带动滑轮轴转动，编码器检测滑轮轴转动角度并结合测速定滑轮的直径得到配重的下移量；配重的下移量即为解算单元获取到的位移传感器的读数。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、1.本发明不直接测量管桩桩顶标高，而是直接测量每锤击打下锤架高度变化，该高度变化即为桩顶高度变化，也即该锤管桩入土深度，再结合锤击数即容易得到贯入度。本发明构思巧妙，实现了自动测量，测量装置也较为简单，易于在现有桩机上改造实现。

18、2.由于贯入度测量精度需要达到0.1mm，精密仪器如果直接安装在锤架上，受到锤架工作过程中的强烈震动冲击，会显著影响测量精度和耐久性，所以本发明用钢绳加滑轮组的方式先将锤架的位移转化到远离锤架的位置（桩机平台）再去测量，可以避免锤架震动影响，提高测量精度和耐久性。

19、3.由于管桩在锤击前期和后期每锤入土深度差异很大，前期一锤可能下落几米，而后期只有数毫米，所以对位移传感器提出了很高的要求。如果直接通过编码器测量，很可能因为速度太快出现检测失灵的状况。本发明通过减速机构，将锤架的下落速度减速后再传递给编码器，确保编码器能够可靠检测，锤架实际下落位移就是编码器检测到的位移乘以减速比。

20、本发明能够实时地测量管桩贯入度，且测量准确，有助于准确把控收锤时机，提高施工质量，实现施工过程信息全面准确采集，及时发现施工中的异常。