专利名称：静压桩施工自动记录仪及静压桩施工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种静压桩施工装置以及记录仪表，记录仪表用于静压桩施工过程中 压桩力数据的显示和记录。
背景技术：
静压桩施工过程中一般采用静压桩机对静压预制桩进行液压沉桩操作，静压桩机 一般包括支架和压桩平台，压桩平台带有抱紧装置用于抱紧静压预制桩，压桩平台通过安 装在支架上的液压缸驱动，可以将静压预制桩压入地层。在当今“楼歪”、“楼裂”、“楼倒”等建筑基础桩基(地下隐蔽工程)安全问题，已经 成为社会各界普遍关注的焦点，根据市场调查，桩基施工过程监测信息化程度仍然非常落 后，在施工过程中静压预制桩受到的压力一般可以通过液压缸油路上的仪表来显示，但精 度不高。另外，静压预制桩下沉深度也仅仅靠简单的仪表来显示。在数据的记录方面现行的《静压桩施工规范》中，要求采用填写“人工记录表”方 式，记录每根桩压入地层“每米”时的“液压压力值”，由于是人工记录，存在很大的人为性， 且不能完全真实反映在沉桩过程中桩身所受的压力情况，及地层对沉桩产生的阻力，无法 保证数据的真实性、可靠性、精确性。依次现行的《工程勘察规范》，不能实现对每根桩的桩位地层进行地层软硬变化的 详细勘察，由于地层软硬深度变化和厚度变化的不确定性，进而无法保证每根桩都能压入 到设计要求的“持力地层”。
发明内容
本发明提供一种精度高、实时性好的静压桩施工自动记录仪。可以自动跟踪记录 静压预制桩下沉深度(即压桩深度)以及静压预制桩受到的压力(即压桩力)。—种静压桩施工自动记录仪，包括测量单元和数据采集处理单元，所述的测量单 元包括压桩深度传感器和用于采集驱动压桩平台的液压力的压桩力传感器，所述的数据采 集处理单元带有主控模块以及分别接入主控模块的数据采集模块和输入输出模块；所述的压桩深度传感器包括a)用于感应压桩平台运动的摩擦轮、b)与摩擦轮同轴布置的计数盘、c)用于摩擦轮和计数盘之间传动的单向离合器、d)用于感应计数盘转动角度的光耦；所述的压桩力传感器的信号输出端，以及压桩深度传感器中的光耦均通过电路接 入所述的数据采集处理单元中的数据采集模块。数据采集处理单元用于采集、处理测量单元信号，所述的测量单元信号是指压桩 力传感器和压桩深度传感器从施工现场采集的数据，本发明静压桩施工自动记录仪主要采 集压桩力和压桩深度。
主控模块与数据采集模块和输入输出模块之间的连接，以及压桩力传感器和压桩 深度传感器与数据采集模块之间的连接均通过电路连接。为了便于存储、记录数据，设有与主控模块连接的数据存储模块，可以采用现有的 具有存储记忆数据功能的存储介质或芯片等。所述的输入输出模块包括显示模块、输入控制模块和数据输出接口模块，所述的 显示模块可以采用液晶显示屏等，所述的输入控制模块可以是若干操作按键，也可以采用 触摸屏，用于向主控模块输入指令、设置参数等。所述的数据输出接口模块可以采用通用的 各类数据接口，例如USB接口等。为了便于操作，所述的输入输出模块也可以采用无线方式，进行指令的输入或数 据的输出和显示。为了保证主控模块和数据采集模块之间数据发送与接收的速率一致，避免数据丢 失，作为优选，所述的主控模块和数据采集模块之间采用应答模式的通讯协议，该通讯协议 中设置错误校验位。只有当校验通过时，一次数据传输才宣告结束，可以避免由于电信号的 干扰而导致的乱码等问题，保证数据的准确性。在使用时，所述的压桩力传感器接入静压桩施工中用于驱动压桩平台的液压系 统，即直接采集液压系统的液压油的压力，这样可以及时、准确的得到压桩力数据。就压桩 力传感器本身而言，可以采用现有技术，其感应压力的部件装入液压系统的液压油管路中。所述的压桩深度传感器中a)用于感应压桩平台运动的摩擦轮，使用时摩擦轮的转轴通过轴承安装在静压桩 机的支架上，摩擦轮的外缘与压桩平台接触配合，压桩平台相对静压桩机的支架运动时，可 以带动摩擦轮正转或反转。当然，摩擦轮的外缘也可以是间接的与压桩平台上的某些固定部件相接触，同样 能感应压桩平台运动的距离。b)与摩擦轮同轴布置的计数盘，计数盘与摩擦轮同轴布置，既可以是与摩擦轮安 装在同一转轴上，也可以各自具有独立的转轴，仅仅是轴线相互重合。计数盘的转轴通过轴 承安装在静压桩机的支架上。c)用于摩擦轮和计数盘之间传动的单向离合器，设置在摩擦轮和计数盘之间，就 单向离合器本身而言可以采用现有技术。假定压桩平台相对静压桩机的支架下降时摩擦轮正转，此时可以通过单向离合器 带动计数盘转动，可以记录压桩平台下降深度。而压桩平台相对静压桩机的支架上升时，摩擦轮反转，此时计数盘并不转动，只有 摩擦轮再次正转时，计数盘才会转动，累加统计压桩平台下降深度。d)用于感应计数盘转动角度的光耦，通过计数盘转动角度以及计数盘和摩擦轮 的直径关系，可以换算出压桩平台下降的距离，光耦在空间位置上并没有严格要求，只要可 以感应计数盘转动角度即可，光耦通过电路向数据采集处理单元中的数据采集模块传递数 据。作为优选，所述的压桩深度传感器中设有贯穿摩擦轮和计数盘的中心轴，所述的 摩擦轮与中心轴间隙配合，所述的计数盘固定安装在中心轴上，所述的单向离合器包括棘 轮和仅能沿单向与棘轮卡合的棘爪，其中所述的棘爪安装在摩擦轮上，所述的棘轮固定在计数盘或中心轴上。为了保证摩擦轮贴紧压桩平台，准确的感应压桩平台的运动，所述的中心轴的两 端通过轴承连接有张力装置，张力装置推动中心轴两端的轴承，使摩擦轮的外周缘具有靠 紧压桩平台的趋势。张力装置另一端安装在静压桩机的支架上，这样通过摩擦轮的转动可以反应出静 压桩机的支架与压桩平台之间的相对运动。本发明静压桩施工自动记录仪通过压桩力传感器和压桩深度传感器可以自动跟 踪记录每根桩压入地层每厘米的“压桩力数据”(压桩深度和压桩力)，数据采集处理单元 采集数据后利用相关软件处理“压桩力数据”可以自动生成《静压预制桩施工记录》、《静 压桩施工自动监测数据曲线图》、《静压桩施工原始数据表》，并对各种图表实现了信息化管理。为了配合使用本发明静压桩施工自动记录仪，本发明提供了 一种静压桩施工装 置，包括静压桩机和静压桩施工自动记录仪，所述的静压桩机可以采用现有技术，例如包括 支架和压桩平台，压桩平台带有用于抱紧静压预制桩的抱紧装置，压桩平台通过安装在支 架上的液压缸驱动，静压桩施工自动记录仪中压桩力传感器安装在所述的液压缸的液压油 路中，所述的压桩深度传感器安装在静压桩机的支架上，且摩擦轮的外周缘与压桩平台接 触配合。本发明静压桩施工自动记录仪方便安装，安装位置合理不影响静压桩机转场拆 解；测量单元以及数据采集处理单元采用全密封设计，适应现场粉尘浓度高，油污污染等工 作环境；压桩深度传感器中采用滚轮转动位移测量方式，结构结实耐用，适合现场长期M 小时连续作业；信号脉冲宽度适宜，保证了有足够的脉冲间隔，又有很好的抗干扰性。利用本发明静压桩施工自动记录仪进行实时监测，可在桩基施工中对单桩承载力 进行对比和控制并及时发现问题，便于工程监理及设计人员根据问题及时进行调整，以减 少因地基承载力不均勻而产生建筑物结构开裂的问题。通过原始数据做进一步分析，结合 岩土工程勘察成果，在统计回归的基础上，可以总结出沉桩可行性分析的定量经验公式，以 此反过来进一步指导施工，避免出现工程事故和不必要的损失。
图1为本发明一种静压桩施工自动记录仪的结构框图；图2为压桩深度传感器的结构示意图；图3为本发明静压桩施工装置的结构示意图。
具体实施例方式参见图1(图中各部件之间的箭头仅是示意性的，并不严格的表示数据流向)，本 发明一种静压桩施工自动记录仪，包括测量单元和数据采集处理单元，测量单元包括压桩 力传感器和压桩深度传感器，而数据采集处理单元包括相互连接的数据采集模块和主控模 块，其中压桩力传感器和压桩深度传感器均接入数据采集模块。在数据采集处理单元中，主控模块采用ARM9处理器(中央处理器(MCU) S3C2440-40)，数据采集模块采用PIC系列单片机，主控模块和数据采集模块之间有匹配的通讯协议，为了保证主控模块和数据采集模块之间数据发送与接收的速率一致，避免数据 丢失，通讯协议采用应答模式，为了避免由于电信号的干扰而导致的乱码等问题，保证数据 的准确性，通讯协议设置错误校验位，只有当校验通过时，一次数据传输才宣告结束。测量单元中，为了连续跟踪监测压桩力值，压桩力传感器安装在选择静压桩机操 作台下面的油路管道上，此管道一端是提供压桩力的液压缸，另一端是监测压桩力的压力 表，在此管道中用三通管连接加入了一个电子压力传感器(压桩力传感器)，实现把液压压 力转换成电子模拟信号。数据采集处理单元与压桩力传感器用电缆线相连接，连续跟踪监 测记录压力传感器所反馈的压力值。为了适应一年四季的施工作业环境，选用宽温型、高精 度、全密封的压桩力传感器，工作温度范围是-15°C +50°C，测量误差是彡士 (FS)。参见图2，压桩深度传感器包括中心轴6，依次安装在中心轴6上的计数盘7、单向离合器8和摩擦轮9，还设有用 于感应计数盘7转动角度的光耦11，其中摩擦轮9与中心轴6间隙配合，摩擦轮9转动时并 不会直接带动中心轴6。为了保证摩擦轮9贴紧压桩平台，准确的感应压桩平台的运动，中心轴6的两端通 过轴承连接有张力装置12，张力装置12包括固定在静压桩机的支架上的支撑杆，和套在支 撑杆外部的滑套，中心轴6两端的轴承固定在滑套上，支撑杆上位于滑套和静压桩机支架 之间的部分套有弹簧，弹簧推动滑套，使中心轴6带动摩擦轮9贴紧压桩平台。计数盘是一个按规定行程计算好的齿形圆盘，每间隔一厘米位移距离，光耦通过 计数盘上的齿孔透光，向数据采集处理单元发出电子脉冲信号，从而记录压桩机压桩深度 信息；当压桩平台向上移动，即进行压桩回程动作时计数盘静止不动，此时光耦不能向数据 采集处理单元发出电子脉冲信号，故没有记录压桩深度信息。离合器采用棘轮棘爪装置，计数盘和棘轮都固定在中心轴上，棘爪固定在摩擦轮 上，当压桩平台相对静压桩机的支架向下移动时，即压桩作业时，摩擦轮转动，带动棘爪转 动，棘爪和棘轮卡和，带动棘轮转动，棘轮带动中心轴转动，从而带动计数盘转动，发出深度 信号；反之，当压桩平台向上移动时，即压桩回程时，棘爪在棘轮上划过，没有卡和，棘轮、中 心轴、计数盘，静止不动，从而不发出深度信号。另外为了进一步扩展功能，还设有若干外围模块或接口，其中为了便于存储、记录 数据，还设有与主控模块连接的数据存储模块，本实施例中采用内存为128MB的FLASH作为 压桩力数据的一级存储区，可存大约10万米的压桩力数据。另外还设有接入主控模块的 USB接口、LED液晶显示屏、触摸屏，以及用于向这些用电部件供电的供电模块。其中利用 USB接口可以导出数据采集处理单元内部存储数据，从而可以使用计算机硬盘作为二级存 储区。参见图3，本发明静压桩施工装置包括支架(图中省略)和压桩平台4，压桩平台 4带有用于抱紧静压预制桩的抱紧装置，压桩平台4通过安装在支架上的液压缸3驱动，利 用液压缸3可以将桩压入地下，压桩力传感器1安装在液压缸3的液压油路管道2上，压桩 深度传感器5安装在静压桩机支架上，其中的摩擦轮与压桩平台4接触配合。每次压桩行程约2m，当一次压桩行程压完后，放松压桩平台，用液压缸提起压桩平 台，当压桩平台升到指定位置后，再次抱紧桩柱，如此循环，直到沉桩标高。本发明静压桩施工装置以及静压桩施工自动记录仪使用时，当压桩平台向下移
6动，产生压桩位移时，压桩深度传感器输出电子脉冲信号，数据采集模块接收到该信号后进 入中断响应模式，发出指令采集这一时刻压桩力传感器反馈的“4 20mA”模拟信号，再 通过A/D转换模块，将模拟信号转换成数字信号，然后采用RS232串口通讯方式，呼叫主控 模块，按照通讯协议，将此深度值所对应的压力值传输给主控模块。主控模块接收到压力 值后，记录压力值，并将深度值累加“ 1cm”，保证了准确记录每厘米深度的压桩力值，并且深 度、压力数值做到一一对应关系。LED液晶显示屏可以实时监测显示每根桩压入地层每厘米的压桩力数据，通过软 件系统，对压桩力数据即时显示存储。把以“Mpa”为单位的液压压力值自动换算成以“KN” 为单位的“压桩力值”，比现有记录显示方式可读性更强，精确度更高，实时显示格式如下 (1)压桩深度值00. OOM(2)压桩力值00000ΚΝC3)液压压力值00. OOMpa0测量精度要求是每次连续行程误差控制在士 Icm以内，且具备自动误差修正功 能，即如果上一行程误差是负误差，少记1cm，下一行程开始时，自动增加1cm，反之，上一行 程多记1cm，下一行程开始时，自动减少1cm，这种自动修正功能，彻底消除了累积误差，保 证了每根桩全程深度记录误差控制在士 Icm范围内。采集数据后利用动态、静态曲线描述每根桩压入地层每厘米的压桩力数据，利用 软件绘制压桩深度数据、压桩力值动态曲线，可以透过该曲线了解到整个压桩过程的实时 走向和趋势。实现该功能必须要在一定的间隔内不停的刷新曲线界面(约1秒/次)，这种 高频率的界面刷新必定会带来性能上的负担，为此数据采集处理单元内部使用了类似于双 缓冲技术来动态地绘制数据曲线，从而解决了该问题，使得数据曲线界面控件在达到了动 态显示效果的同时，性能上也有了较大改进。另外，为了保证数据曲线的完整性，还可以导 出数据，利用计算机将已完成压桩作业的桩位数据重新在计算机屏幕上静态显示曲线，并 且支持打印，可以把曲线图打印出来，方便管理存档。也可以将数据自动生成EXCEL报表功能，该报表格式完全依据现行的《静压桩施 工规范》，从而可以替代现有人工记录的方式。整个报表填写过程全部由系统后处理软件根 据前期所记录的数据自动完成，保证了报表内容的准确性、可靠性。数据采集处理单元所产 生的所有数据文件均支持电子化存档和纸质文件存档两种方式，前期工程参数支持批量输 入，后期压桩力数据文件支持批量输出，并且输入输出过程全部设有密码授权操作功能， 只有得到密码授权的工程管理人员才可进行此项操作，压桩力数据文件中设有专门的保护 措施，使得数据只能读取无法修改，避免人为篡改数据等问题，保证了数据的真实性、可靠 性、精确性。由于本项创新技术能准确采集到每厘米“压桩力数据”，并且能够以曲线图的形 式描述桩体压入地层的施工状况，所以能精确获得单桩压入地层深度和硬层厚度等数据， 可以及时反映“单桩承载力，，和“持力层”选择的合理性，并对岩土工程勘察报告进行补充 和校核。
权利要求
1.一种静压桩施工自动记录仪，包括测量单元和数据采集处理单元，其特征在于，所述 的测量单元包括压桩深度传感器和用于采集驱动压桩平台的液压力的压桩力传感器，所述 的数据采集处理单元带有主控模块以及分别接入主控模块的数据采集模块和输入输出模 块；所述的压桩深度传感器包括a)用于感应压桩平台运动的摩擦轮、b)与摩擦轮同轴布置的计数盘、c)用于摩擦轮和计数盘之间传动的单向离合器、d)用于感应计数盘转动角度的光耦；所述的压桩力传感器的信号输出端，以及压桩深度传感器中的光耦均通过电路接入所 述的数据采集处理单元中的数据采集模块。
2.如权利要求1所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的压桩深度传感器 中设有贯穿摩擦轮和计数盘的中心轴，所述的摩擦轮与中心轴间隙配合，所述的计数盘固 定安装在中心轴上，所述的单向离合器包括棘轮和仅能沿单向与棘轮卡合的棘爪，其中所 述的棘爪安装在摩擦轮上，所述的棘轮固定在计数盘或中心轴上。
3.如权利要求2所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的中心轴的两端通 过轴承连接有张力装置，张力装置推动中心轴两端的轴承，使摩擦轮的外周缘具有靠紧压 桩平台的趋势。
4.如权利要求3所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，设有与主控模块连接的 数据存储模块。
5.如权利要求4所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的输入输出模块包 括显示模块、输入控制模块和数据输出接口模块。
6.如权利要求5所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的显示模块为液晶显示屏。
7.如权利要求6所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的输入控制模块是 若干操作按键或触摸屏。
8.如权利要求7所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的数据输出接口模 块为USB接口。
9.如权利要求1 8任一项所述的静压桩施工自动记录仪，其特征在于，所述的主控模 块和数据采集模块之间采用应答模式的通讯协议，该通讯协议中设置错误校验位。
10.一种静压桩施工装置，包括静压桩机，所述的静压桩机包括支架和压桩平台，压桩 平台带有用于抱紧静压预制桩的抱紧装置，压桩平台通过安装在支架上的液压缸驱动，其 特征在于，设有如权利要求1 9任一项所述的静压桩施工自动记录仪，其中压桩力传感器 安装在所述的液压缸的液压油路中，所述的压桩深度传感器安装在静压桩机的支架上，其 中摩擦轮的外周缘与压桩平台接触配合。
全文摘要
本发明公开了一种静压桩施工自动记录仪以及静压桩施工装置，自动记录仪包括测量单元和数据采集处理单元，测量单元包括压桩力传感器和压桩深度传感器，所述的数据采集处理单元带有主控模块以及分别接入主控模块的数据采集模块和输入输出模块，所述的压桩力传感器和压桩深度传感器均接入所述的数据采集模块。其中压桩力传感器安装在静压桩机液压缸的液压油路中，压桩深度传感器安装在静压桩机的支架上，且摩擦轮的外周缘与压桩平台接触配合。本发明静压桩施工自动记录仪方便安装，适应现场粉尘浓度高，油污污染等工作环境，采用滚轮转动位移测量方式，结构结实耐用，适合连续作业，信号脉冲宽度适宜，保证了有足够的脉冲间隔和抗干扰性。
文档编号E02D7/20GK102134851SQ20111003948
公开日2011年7月27日 申请日期2011年2月17日 优先权日2011年2月17日
发明者王利全 申请人:天津市隆安达建筑仪器科技发展有限公司