一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测装置和方法与流程

本发明涉及混凝土灌注桩钻芯检测领域，尤其是一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测装置和方法。

背景技术：

混凝土灌注桩基础作为工程结构最主要的基础形式之一，已广泛应用于市政工程、建筑、交通工程等领域。桩底沉渣厚度是成桩质量的重要因素，直接影响桩基承载力的高低。

目前桩底沉渣厚度的检测，主要有自检及第三方检测两种方式。自检一般可采用两种方法，均在成桩以前进行：一种是浇筑混凝土前，由建设方、监理方及施工方组织的对成孔质量进行验收，即通过泵吸，正、反循环清孔后，采用吊锤法测量沉渣厚度，通常做法是用一块重物绑到测绳的起点然后慢慢下放，到孔底后慢慢用手上提下放，幅度不要大，然后靠手感得到沉渣的大致厚度，这种方法精度不高，主要靠施工人员的经验估计；另一种是通过设备测出贯入度，从而测出沉渣厚度，但操作比较繁琐，一般很少采用。第三方检测沉渣厚度，混凝土桩浇筑成型后，由第三方检测单位通过钻芯法检测出沉渣厚度。

近些年出现的水下电视，可以作为钻芯检测的辅助手段查看沉渣厚度问题。但水下电视受制于孔底水体能见度；另外，采用水下电视查看沉渣前，需要用清水反复洗孔，粉尘完全沉淀后才能检测，整个过程往往需要两三天时间，而且设备笨重，使用不方便，如果每个孔都采用水下电视查看沉渣厚度成本极高。

目前钻芯法检测混凝土桩底沉渣厚度主要通过钻杆进尺长度与钻取芯样长度的差值，结合钻头在钻取沉渣时进尺速度、是否存在掉钻等情况综合确定，完全取决于钻机机长的经验及职业素养，无法准确确定沉渣厚度一直是钻芯法检测的诟病。

术语解释：

(1)桩基

桩基是指由设置于岩土中的桩和桩顶连接的承台共同组成的基础或由柱与桩直接连接的单桩基础。

(2)桩基质量检测

桩基质量检测包括单桩承载力检测和桩身完整性检测。其中承载力检测分为单桩竖向抗压承载力检验、竖向抗拔承载力检验和水平承载力检验。工程桩的预期使用功能通过单桩承载力实现，完整性检测目的是发现某些影响单桩承载力的缺陷，确保桩基的耐久性，有利于可靠判定桩基承载力并减少安全隐患。

(3)钻芯法

钻芯法适用于检测混凝土灌注桩的桩长、桩身混凝土强度、桩身缺陷及其位置、桩底沉渣厚度，判定或鉴别桩底持力层岩土性状、判定桩身完整性类别。也可检测地下连续墙墙深、墙体混凝土强度、墙身缺陷及其位置、墙底沉渣厚度，判定或鉴别墙底岩土性状。

(4)桩身缺陷

在一定程度上引起桩身结构强度和耐久性降低的桩身断裂、裂缝、缩颈、夹泥(杂物)、空洞、蜂窝、松散等现象的统称。

(5)沉渣厚度

沉渣指钻孔和清孔过程中沉淀或塌孔留下的，未被循环泥浆带走的沉淀物；一般是较粗颗粒，沉渣厚度即这层沉渣的层高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测方法。

钻机钻头在通过桩身混凝土及桩底岩石持力层时，由于介质不同或介质存在疏密变化，振动频率和振动幅值发生变化，在传统的钻芯机上安装振动传感器及位移传感器，监测这些变化，并通过处理电路进行定性定量的分析，来实现对混凝土桩身质量及桩底持力层的检测和监控，减小人为主观因素的影响，从而准确测定桩底沉渣厚度。

本发明所采用的技术方案是：一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测装置，包括有钻芯机和钻杆，所述钻杆上设置有振动传感器和位移传感器，还包括有处理电路，所述振动传感器和位移传感器均连接至处理电路。

进一步，所述处理电路还连接有无线数据传输模块。

进一步，所述处理电路还连接有数据存储模块。

进一步，所述处理电路包括有谐波计算模块、加速度计算模块和突变检测模块，所述振动传感器通过谐波计算模块连接至突变检测模块，所述位移传感器通过加速度计算模块连接至突变检测模块。

进一步，所述突变检测模块用于对谐波计算模块的结果进行滤波处理。

本发明所采用的另一技术方案是：一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测方法，包括有以下步骤：

启动钻芯机，实时同步采集记录钻头的振动频率与位移数据；

根据上述数据计算钻头振动频率的谐波成分和钻头的位置；

根据上述谐波成分计算突变的起止时间和钻头的起止位置，并判断钻芯机取芯的沉渣厚度。

进一步，所述谐波成分通过fft变换进行计算。

进一步，若钻头振动频率的谐波成分中低频成分突变增多，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度增大；若钻头振动频率的谐波成分中高频成分突变增多，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度减小。

进一步，若钻头位移的加速度出现正向突变，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度减小；若钻头位移的加速度出现负向突变，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度增大。

本发明的有益效果是：本发明装置通过分别在钻机设置振动传感器和位移传感器，并由处理电路对上述传感器的数据进行计算处理，通过对处理数据中的突变情况进行分析，从而实现对桩底沉渣厚度进行检测。

本发明的另一有益效果是：本发明方法通过分别在钻机设置振动传感器和位移传感器，并由处理电路对上述传感器的数据进行计算处理，通过对处理数据中的突变情况进行分析，从而实现对桩底沉渣厚度进行检测。

附图说明

图1为本发明钻头结构示意图；

图2为本发明装置电路结构框图；

图3为本发明装置进一步实施例的电路结构框图；

图4为本发明方法的步骤流程图；

图5为本发明实施例中振动传感器输出波形图；

图6为本发明实施例中正常情况下振动频率谐波成分图；

图7为本发明实施例中一种异常情况下振动频率谐波成分图；

图8为本发明实施例中另一种异常情况下振动频率谐波成分图；

图9为本发明实施例中正常情况下位移加速度图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测装置，参照图1，包括有钻芯机和钻杆1，所述钻杆1上设置有振动传感器3和位移传感器2，参照图2，还包括有处理电路，所述振动传感器和位移传感器均连接至处理电路。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述处理电路还连接有无线数据传输模块。

通过无线数据传输模块，处理电路获取的数据和/或分析结果可发送至云端服务器，云端服务器可对数据进行分析或直接获取处理电路的分析结果。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述处理电路还连接有数据存储模块，用于存储处理电路的数据，尤其是能在无线数据传输存在故障时缓存数据。

参照图3，进一步作为优选的实施方式，所述处理电路包括有谐波计算模块、加速度计算模块和突变检测模块，所述振动传感器通过谐波计算模块连接至突变检测模块，所述位移传感器通过加速度计算模块连接至突变检测模块。

进一步作为优选的实施方式，所述突变检测模块用于对谐波计算模块的结果进行滤波处理。

参照图4，一种混凝土灌注桩桩底沉渣厚度检测方法，包括有以下步骤：

启动钻芯机，实时同步采集记录钻头的振动频率与位移数据；

根据上述数据计算钻头振动频率的谐波成分和钻头的位置；

根据上述谐波成分计算突变的起止时间和钻头的起止位置，并判断钻芯机取芯的沉渣厚度。

进一步作为优选的实施方式，所述谐波成分通过fft变换进行计算。

进一步作为优选的实施方式，若钻头振动频率的谐波成分中低频成分突变增多，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度增大；若钻头振动频率的谐波成分中高频成分突变增多，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度减小。

进一步作为优选的实施方式，若钻头位移的加速度出现正向突变，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度减小；若钻头位移的加速度出现负向突变，则判断钻芯机取芯的混凝土中对应位移的位置密度或硬度增大。

钻芯机取样的过程中,当遇到空洞、杂质、蜂窝结构、桩底沉渣等混凝土的性质发生改变时,对应的钻头受到的负载也会产生比较大的变化，从而在振动传感器上面产生比较多的谐波成分,通过分析谐波的成分和判读位移传感器以及位移速率变化,从而可以判读出对应地方的缺陷和相关的性能。

正常情况下振动传感器输出波形如图5所示，通过谐波成分分析可知其频域中存在一个突出的波峰，如图6所示。若振动传感器的谐波成分中低频率部分增加,说明钻头的振动频率降低,钻机的负载增加,说明钻机此刻钻到了比较硬的部分。如图7的谐波成分图所示，相对于图6基波的基础上叠加一个低频的波形,即出现低频突变，通过观察波形可以得出,钻头振动频率降低,说明钻机此刻钻到密度或硬度相对变大诸如钢筋、大石块之类的物体，同时钻头上出现了高频高次谐波,同时高频部分变杂,频率的凸起部分的频率值分别对应钻机钻到了不同的成分，可通过突变检测模块根据上述凸起部分的频率值对可能的成分进行分析。

若振动传感器的谐波成分中低频率部分减少,说明钻头的振动频率增加,钻机的负载减少，相对于图6的基波，图8的谐波成分中低频部分的突出波峰频率右移,即出现高频突变，通过观察波形可以得出,钻头振动频率增加,说明钻机此刻钻到密度或硬度相对变小诸如空洞、蜂窝结构、桩底沉渣等，钻头上出现了高频高次谐波同样分别对应钻机钻到了不同的成分，可通过突变检测模块根据上述凸起部分的频率值对可能的成分进行分析。

同理，钻芯机取样的过程中,下降速率变化保持在一定范围内，当遇到空洞、蜂窝结构、桩底沉渣时速率会增加，当完全通过缺陷时速率会回落，表现速率加速度为当遇到缺陷时速率会有正向突变，当完全通过缺陷时速率加速度会有负向突变，如图9所示，根据位移传感器计算得到的加速度曲线，横坐标为时刻，单位为s，纵坐标为加速度值，单位为m/s²，通过观察波形可以得出，时间561s左右出现一个正向的加速度突变，表明钻头速度增加，说明钻机此刻钻到空洞、蜂窝结构、桩底沉渣等，而时间876s左右出现一个负向的加速度突变，表明钻头速度减小，说明钻机此刻钻到诸如钢筋、大石块之类的物体。

结合上述振动频率和钻头位置，通过对混凝土拟合数据可实现对混凝土不同缺陷的情况进行具体分析。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。