一种水下钻孔灌注桩施工监测装置的制作方法

本实用新型涉及桩基施工领域，具体是一种可以监测灌注桩混凝土浇筑高度的水下钻孔灌注桩施工监测装置。

背景技术：

随着建筑行业的快速发展，水下混凝土灌注桩的使用也逐渐增大，比如一些高层建筑物基础、地下洞室、地下隧道、桥梁、港口、码头基础等，特别是一些高层建筑的基础设计，为充分利用城市地下空间，几乎大部分高层与超高层建筑均设计有1-3层地下室，往往采用钻孔灌注桩进行水下混凝土灌注。

目前水下混凝土灌注采用较多的方法是导管法和泵压法，其中导管法使用最为广泛，具体是将密封连接的钢管(或强度较高的硬质非金属管)作为水下混凝土的灌注通道，其底部以适当的深度埋在灌入的混凝土搅拌物内，在一定的落差压力作用下，形成连续密实的混凝土桩身。一般地下混凝土灌注桩桩顶的设计标高往往在底面以下3-20m左右，混凝土灌注过程中因泥浆混合物的存在，混凝土面的真实标高很难正确定位控制。在进行混凝土浇灌时没有灌注桩浇灌停浆监测手段，经常会造成灌注桩普遍超高1-5米，甚致超过5米，造成了大量的建筑材料的浪费。而且在基坑开挖时还需要截桩，既增加了施工难度，又消耗了大量的人工成本，同时制造了大量的建筑垃圾。

技术实现要素：

本实用新型根据现有技术的不足提供一种能实时监测桩顶是否到达预定标高的监测装置，该监测装置可以确保桩顶标高在规定的合理超高范围内，避免因为灌注桩超高而导致的材料浪费和人工成本。

本实用新型提供的技术方案：所述一种水下钻孔灌注桩施工监测装置，其特征在于：所述监测装置包括监测探头和显示器，所述监测探头从至下依次包括测量记录密封舱、浮力球滑动舱和浮力球，所述浮力球滑动舱与测量记录密封舱通过丝扣密封连接，浮力球通过导向杆嵌入浮力球滑动舱内，并可在浮力球滑动舱内上下移动；在浮力球与浮力球滑动舱之间的导向杆上设有浮力球的浮力传感器，在测量记录密封舱的上端设有第一压力传感器，在浮力球滑动舱的下端设有第二压力传感器；在测量记录密封舱内设有测量电路和供电电池，所述力传感器、第一压力传感器和第二压力传感器的信号输出端均通过信号线与测量电路的信号输入端连接，测量电路的信号输出端与显示器的信号输入端连接。

本实用新型进一步的技术方案：所述测量记录密封舱采用外径55-60mm、长550-600mm的不锈钢管制成，顶端采用可拆装式密封帽密封，在密封帽的中央位置设有直径为6-8mm的高压尼龙管密封接头，不锈钢管的底面直接焊封，并在其密封端面上设有浮力传感器信号线穿孔和第二压力传感器信号线穿孔A，浮力传感器的信号线和第二压力传感器的信号线分别从对应的信号线穿孔伸入测量记录密封舱内，并在穿入之后，信号线的外缘与信号线穿孔之间呈密封状；在测量记录密封舱的下端设有与浮力球滑动舱刚性联接的丝扣。

本实用新型进一步的技术方案：所述浮力球滑动舱采用长550-600mm的双层同心不锈钢管制作,外管的外径为55-60mm,内管的内径为18-25mm；所述内、外管的之间的间隙在两端密封,形成密封腔，外管上端通过钢性丝扣与测量记录密封舱刚性联接，在密封腔靠近测量记录密封舱的端面上开设有第二压力传感器信号线穿孔B；所述导向杆上端通过滑动导向装置安装在内管内，并在滑动导向装置的作用下沿着内管上下自由滑动，其滑动的高度为0.3m。

本实用新型较优的技术方案：所述浮力球采用硬质工程塑料制作的直径不大于70mm的空心球或空心圆柱，导向杆设在浮力球的一端，所述导向杆采用不锈钢制作，其直径15-20mm，长550-600mm。

本实用新型较优的技术方案：所述浮力传感器为高精度小量程拉压力传感器，浮力传感器与浮力球之间的间距为30-50mm,两端与导向杆刚性联接。

本实用新型较优的技术方案：所述第一压力传感器和第二压力传感器之间的间距为1000mm。

本实用新型较优的技术方案：所述传感器的信号线均通过密封的高压尼龙管连接到测量记录密封舱内的测量电路上。

本实用新型较优的技术方案：所述第一压力传感器和第二压力传感器均设有测压保护装置，所述测压保护装置为微型压力转换模块，在转换模块内充满纯水，通过弹性膜与泥浆接触，第一压力传感器和第二压力传感器分别联接在对应的转换模块压力腔内。

本实用新型较优的技术方案：所述显示器为显示屏、智能手机或平板电脑，置于地面，所述测量电路的数字信号通过密封在高压尼龙管内的信号线送到地面与显示器连接，并将信号在显示器上显示出来，在高压尼龙管上设有刻度值。

本实用新型的工作原理：钻孔灌注桩在浇注前，钻孔中均注满了护壁泥浆，浇注时是用导管将混凝土从孔底向上浇注，并排除泥浆。监测装置的第一、第二压力传感器是用来测量监测点深度，浮力球及与其相连的浮力传感器是用来测量监测点的泥浆密度。

本实用新型结构简单、操作方便、监控准确，并可以重复利用，能够有效的监测水下灌注桩的浇筑过程，并能通过监测判断出混凝土浇筑高度，避免混凝土浇筑超高，有效降低建设项目生产成本，可获得了良好的经济效益。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的测量记录密封舱的结构示意图；

图3是本实用新型的浮力球滑动舱的结构示意图；

图4是本实用新型的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。如图1所示的一种水下钻孔灌注桩施工监测装置，其特征在于：所述监测装置包括监测探头1和显示器2，所述监测探头1从至下依次包括测量记录密封舱3、浮力球滑动舱4和浮力球5。所述浮力球滑动舱4与测量记录密封舱3通过丝扣密封连接，浮力球5通过导向杆6嵌入浮力球滑动舱4内，并可在浮力球滑动舱4内上下移动；所述浮力球5采用硬质工程塑料制作的直径不大于70mm的空心球或空心圆柱，导向杆6设在浮力球5的一端，所述导向杆6采用不锈钢制作，其直径15-20mm，长550-600mm。

如图1所示，在浮力球5与浮力球滑动舱4之间的导向杆6上设有浮力球的浮力传感器7，所述浮力传感器7为高精度小量程拉压力传感器，浮力传感器7与浮力球5之间的间距为30-50mm,两端与导向杆6刚性联接。在测量记录密封舱3的上端设有第一压力传感器8，在浮力球滑动舱4的下端设有第二压力传感器9，所述第一压力传感器8和第二压力传感器9之间的间距为1000mm。在测量记录密封舱3内设有测量电路10和供电电池11，所述力传感器7、第一压力传感器8和第二压力传感器9的信号输出端均通过信号线12与测量电路10的信号输入端连接，测量电路10的信号输出端与显示器2的信号输入端连接。所述传感器的信号线12均通过密封的高压尼龙管连接到测量记录密封舱3内的测量电路10上。

如图2所示，所述测量记录密封舱3采用外径55-60mm、长550-600mm的不锈钢管制成，顶端采用可拆装式密封帽3-1密封，在密封帽3-1的中央位置设有直径为6-8mm的高压尼龙管密封接头3-2，不锈钢管的底面直接焊封，并在其密封端面上设有浮力传感器信号线穿孔3-3和第二压力传感器信号线穿孔A，在测量记录密封舱3的下端设有与浮力球滑动舱4刚性联接的丝扣3-4。如图3所示，所述浮力球滑动舱4采用长550-600mm的双层同心不锈钢管制作,外管4-1的外径为55-60mm,内管4-2的内径为18-25mm；所述内、外管4-2、4-1的之间的间隙在两端密封,形成密封腔4-3，外管4-1上端通过钢性丝扣与测量记录密封舱3刚性联接，在密封腔4-3靠近测量记录密封舱3的端面上开设有第二压力传感器信号线穿孔B；所述导向杆6上端通过滑动导向装置13安装在内管4-2内，并在滑动导向装置13的作用下沿着内管4-2上下自由滑动。所述滑动导向装置13可以是普通的轴承导向装置，也可以是在内管4-1内壁的两侧对称开设有滑槽，在导向杆6上设有滑块，滑块嵌入滑槽内，并可在推力的作用下向上滑动，其滑动的高度为0.3m。所述浮力传感器的信号线和第二压力传感器的信号线分别从对应的信号线穿孔伸入测量记录密封舱3内，并在穿入之后，信号线的外缘与信号线穿孔之间呈密封状。

为保护侧压传感器，所述第一压力传感器8和第二压力传感器9均设有测压保护装置，所述测压保护装置为微型压力转换模块，在转换模块内充满纯水，通过弹性膜与泥浆接触，第一压力传感器8和第二压力传感器9分别联接在对应的转换模块压力腔内。

本实用新型的显示器2为显示屏、智能手机或平板电脑，置于地面，所述测量电路10的数字信号通过密封在高压尼龙管内的信号线送到地面与显示器2连接，并将信号在显示器上显示出来，在高压尼龙管上设有刻度值，可以确定探头下方的深度。

本实用新型使用时，所述第一压力传感器8和第二压力传感器9根据最大测试深度选用合适量程的0.1级压力传感器；浮力传感器7选用0-5kg0.1级拉压传感器。使用前，应分别对三支传感器进行标定，侧压感器通道标定为压力单位kpa，浮力传感器7通道采用不同密度的流体标定为流体密度单位g/cm³。

本实用新型具体监测时，如图4所示，将本实用新型的检测探头置于灌注桩孔内，按照连接探头与地面显示终端的高压尼龙管上标识的刻度使探头浮力球5底端处在距设计的桩顶标高0.3m处，显示器2置于灌注桩孔外，此时通过显示器观察浮力球5所在深度的泥浆14密度及深度，同时测量记录密封舱3中采集电路按预先设置的要求记录动态数据。当通过导管浇灌混凝土时，随着混凝土15顶面的升高，监测到的泥浆14密度逐渐增大，当达到某一设定值ρ时(ρ值按工程经验确定),地面终端发出语音提示桩顶浮浆到达预定深度，此时可根据工程类比经验估算尚需的混凝土方量。当混凝土面接触到浮力球5时，浮力球5开始有向上运动趋势，此时地面终端第二次发出语音提示，桩顶距设计标高还有0.3m。当浮力球5滑动到上限位时，地面终端第三次发出语音提示，桩顶到达设计标高。此时应及时提起探头，结束浇灌。

本实用新型的浮力传感器7应采用高精度小量程拉压传感器,当孔内泥浆密度发变化时，浮力球所受浮力发生改变，浮力传感器7感受到的力亦发生改变，采用直接配制密度分别为1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5的标准流体进行率定，使在显示终端读数为实际的泥浆密度。浮力传感器7及其以上导向杆的总质量要略大于浮力球5在纯水中2倍的浮力。

本实用新型液面深度测量过程如下：

假设:第一压力传感器8距孔内泥浆液面高度为h₁、侧压值为σ₁，第二压力传感器9距孔内泥浆液面高度为h₂、侧压值为σ₂，浮力球5 中心距第而压力传感器9孔口中心距离为L，浮力球5中心位置距离孔内泥浆液面高度为h。

则有:Δσ＝σ₂-σ₁ ①

Δh＝h₂-h₁＝1000(mm) ②

h＝1/2(h1+h2)+500+L(mm) ③

σ₁＝γ×h₁ ④

σ2＝γ×h₂ ⑤

上述公式中σ₁、σ2为均为测点处液体的实际压力，压力＝ρgh；

γ为相应测点处液体的平均重力密度，γ＝ρg；

由上述公式④可以直接推导出：h₁＝σ₁/γ ⑥

由上述公式⑤可以直接推导出：h₂＝σ₂/γ ⑦

将公式④、⑤和②代入公式①可以得到：

Δσ＝σ₂-σ₁＝γ×h₂-γ×h₁

Δσ＝γ(h₂-h₁)＝γ1000

γ＝Δσ/1000 ⑧

将公式⑧分别代入公式⑥和公式⑦得到：

h₁＝σ₁*(1000/Δσ) ⑨

h₂＝σ₂*(1000/Δσ) ⑩

最后将公式⑨和公式⑩代入公式3得到以下结果：

h＝1/2(1000σ₁/Δσ+1000σ₂/Δσ)+500+L

即得到以下公式：h＝500(σ₁+σ₂)/(σ₂-σ₁)+500+L(mm)；

将第一压力传感器8测的压力值σ₁和第二压力传感器9测的压力值σ₂，浮力球5中心距第而压力传感器9孔口中心距离为L代入最后推导的公式中便可以计算出浮力球5中心位置距离孔内泥浆液面高度为h，并能准确判断浮力球5所在液面深度。