专利名称：基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置及其方法
技术领域：
本发明涉及建筑工程检测技术，尤其涉及一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣 厚度检测装置及其方法。
背景技术：
钻孔灌注桩是建筑工程中常见的基桩形式之一，它的作用是将上部建筑结构的荷 载传递到深层稳定土层中或岩石层上。钻孔灌注桩的施工分为“钻孔”和向钻孔内“灌注混 凝土”两个阶段。钻孔质量的好坏直接关系到灌注混凝土后形成的基桩质量。如果钻孔底 部沉渣过厚，会使基桩桩长减小；尤其是对以底部端承力为主的基桩，其承载能力将受到直 接的影响，有可能导致基桩之间产生不均匀沉降，进而带来上部建筑结构的安全隐患。《建筑桩基技术规范》(中华人民共和国行业标准JGJ94_2008)6.3. 9条规定钻孔 的施工完成后，在灌注混凝土以前应对钻孔底部沉渣的厚度进行检测，其结果应符合以下 要求，否则应进行清孔处理。1、对端承型桩，不应大于50mm ；2、对磨擦型桩，不应大于100mm ；3、对抗拔、抗水平力桩，不应大于200mm。钻孔底部沉渣主要由施工引起。如图1所示，施工后在钻孔6底部通常存在泥浆 层3、》几潘层2和原土层1。目前使用的沉渣厚度检测方法主要有落锤法、电参数法(电阻率或电容)和声波 法。一、测锤法其检测原理见图2。检测工具为一个锥形测锤8，其顶端连接测绳7。测锤8由人 工放入钻孔6内，并凭人的手感判断测锤8是否到达沉渣2的表面；此时根据测绳7上的刻 度确定图2中的深度值h ;然后依靠测锤8的自重使其到达钻孔6的底部，再确定图2中钻 孔深度值H ;计算(H-h)即为沉渣2的厚度值。该方法简单易行，成本低廉；但是沉渣表面位置的确定全凭主观感觉，误差较大。二、电参数法该方法是利用不同介质存在的电性能差异检测沉渣厚度，例如水、泥浆和沉渣有 不同的电阻率和电容值。具体方法是安装有测量电极的井下传感器首先被放到钻孔底部， 此时确定钻孔深度值H ;然后向上提升井下传感器，此过程中同时检测井下传感器的测量 电极旁介质的电参数，其结果记录在地面上的检测仪器中。当井下传感器向上穿过沉渣表 面而进入泥浆层时，电参数值呈现变化。图3所示范的曲线是一种较理想的情况，电参数值 (例如电阻率)急剧变化时所对应的深度值h即为沉渣表面的位置。同样计算(H-h)即为沉 渣厚度值。通常钻孔施工需配合注水才能作业，沉渣层的含水率通常较高，而水对介质的电 性能影响较大，这使得在沉渣表面位置处，电参数值呈现急剧变化的现象并不易出现。此外，当井下传感器位于某一深度时，测量电极旁的一定区域范围内的介质都将影响测量结 果理论上介质离电极越近则影响越大，越远则影响越小；因此所得到的电参数值应是该 区域范围内全部介质的电参数值经过加权平均后的结果。这种平均效应弱化了沉渣表面位 置处的电参数值的变化，从而增加了确定沉渣表面位置的困难。三、声波法声波在传播中遇到不同介质形成的界面会产生反射，反射强度取决于界面两端介 质的波阻抗差异，差异愈大则反射愈强。声波法使用一对声波发射和接收传感器，并安装在 充满水的钻孔顶部。声波传感器和地面上的信号记录仪通过电缆连接。发射传感器向钻孔 底部发射声波；当声波向下传播至沉渣表面时，一部分声波产生反射并被安装在钻孔顶部 的接收传感器拾取，余下声波继续向下传播至钻孔底部的原土层，并产生二次反射，同样被 接收传感器拾取。在信号记录仪上计算两次声波反射的时间差t，如果已知声波在沉渣层中 传播的速度为V，则计算乘积Vt即为沉渣厚度值。此方法的应用受到较大局限。首先钻孔中的水质较混，充斥泥浆颗粒，声波传播时 易发生散射、绕射等现象，造成声波转播能量的过度衰减；其次，沉渣层上方的泥浆比重较 高，模糊了沉渣表面位置的波阻抗界面。在钻孔底部，沉渣和原土介质的波阻抗差异也并不 大。因此接收传感器拾取的反射波信号非常微弱，不宜识别。另外，声波在沉渣中传播的速 度主要靠人工经验来确定，这也会带来较大误差。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术的局限性，提供一种基于硬度差异传感的钻孔 底部沉渣厚度检测装置及其方法。本发明的目的是这样实现的一、基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置(简称装置)本装置包括地面上的检测仪器和绞车；设置有井下传感器；井下传感器由机械探杆、圆形底盘、长形圆筒、直线步进电机、 连接导线、电路板、电缆插座、多芯电缆和密封圈组成；其位置和连接关系是在长形圆筒的上部设置有密封圈和电缆插座；在长形圆筒的内部设置有机械探杆、直线步进电机、连接导线和电路板；在长形圆筒的下部设置有密封圈和圆形底盘；机械探杆的上端头和直线步进电机相连，机械探杆的下端头穿过密封圈，并可从 圆形底盘的中心孔处伸出；在长形圆筒内部，通过连接导线将电缆插座、电路板和直线步进电机依次连接；多芯电缆的一端连接电缆插座，多芯电缆的另一端通过绞车连接地面上的检测仪器。二、基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测方法(简称方法)本方法利用沉渣、泥浆和原土在硬度上存在较大的差异性来实现的。本方法包括下列步骤①操作检测仪器，确认机械探杆回到原始位置，即机械探杆的下端头缩退至圆形底盘的中心孔内；②井下传感器被放入钻孔内，依靠圆形底盘站立于钻孔底部沉渣表面上；③由检测仪器读出此时的深度值，即为底部沉渣表面的深度位置h ；④操作检测仪器使机械探杆伸出至一个最大距离(例如200mm);在机械探杆伸出 过程中，由检测仪器记录下每个伸出距离所对应的井下传感器的倾斜角，即长形圆筒的轴 线方向相对于重力方向的夹角；⑤在井下传感器的倾斜角随机械探杆伸出距离而变化的曲线上，确定倾斜角开始 急剧变化时所对应的距离值，即为钻孔底部沉渣的底面(或原土层表面)的深度位置H ；⑥计算钻孔底部沉渣厚度为H_h。本发明具有下列优点和积极效果①本发明思路新颖科学在钻孔底部有泥浆、沉渣和原土层，而且它们在硬度上具有较大的差异性；本发明 就是利用这一较大的差异性，提出了本技术方案，从而提高了钻孔底部沉渣厚度检测的准 确性。②本装置易于实现，并且灵活适用依靠圆形底盘，井下传感器站立于钻孔底部沉渣层的表面上，以确定其深度位置； 为适应不同硬度的沉渣层，圆形底盘设计可采用不同的厚度，并且分为实体和虚体区域，以 控制圆形底盘的重量，以及和沉渣层的接触表面积。③本方法简单直观，并且易于理解。④本发明适用于建筑工程中钻孔底部沉渣厚度检测的广泛应用。
图1是钻孔内介质示意图；图2是测锤法原理图；图3是电参数法曲线图；图4. 1是本装置的工作环境示意图；图4. 2是本装置的结构示意图(侧视)；图5是工业控制电脑应用软件的工作流程图；图6是机械探杆结构示意图(侧视)；图7是圆形底盘结构示意图(俯视)；图8是电路板原理方框图。图中1—原土(层)；2—沉渣(层)；3—泥浆(层)；4一混水(层)；5—地面；6—钻孔；7—测绳；8—测锤；00—检测仪器10一机械探杆，11一圆柱形长杆，12—圆维形端头；20一圆形底盘，21—中心孔，22—实体区域,23—虚体区域；30—长形圆筒；40—直线步进电机；
50—连接导线；
60一电路板，61—ARM单片机,62—测量倾斜角的加速度计，
63—串口转换器，64—直流步进电机驱动器；
70—电缆插座；
80—多芯电缆；
90—密封圈；
100—绞车。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明详细说明
一、总体结构
如图4. 1,4. 2，本装置包括地面上的检测仪器00和绞车100设置有井下传感器；井下传感器由机械探杆10、圆形底盘20、长形圆筒30、直线步 进电机40、连接导线50、电路板60、电缆插座70、多芯电缆80和密封圈90组成；其位置和连接关系是在长形圆筒30的上部设置有密封圈90和电缆插座70 ；在长形圆筒30的内部设置有机械探杆10、直线步进电机40、连接导线50和电路 板60 ；在长形圆筒30的下部设置有密封圈90和圆形底盘20 ；机械探杆10的上端头和直线步进电机40相连，机械探杆10的下端头穿过密封圈 90，并可从圆形底盘20的中心孔21处伸出；在长形圆筒30内部，通过连接导线50将电缆插座70、电路板60和直线步进电机 40依次连接；多芯电缆80的一端连接电缆插座70，多芯电缆80的另一端通过绞车100连接地 面上的检测仪器00。二、功能部件1、检测仪器00检测仪器00是一种通用的二次仪表；检测仪器00的内部结构主要包括有通用 触摸显示液晶屏，通用工业控制电脑和通讯电路板。触摸显示液晶屏接受用户输入的指令或参数，显示检测结果；工业控制电脑运行自行开发的应用软件，存储检测结果；通讯电路板完成和井下传感器的通讯功能。检测仪器00通过多芯电缆80与井下传感器进行数据通讯，控制井下传感器在钻 孔内的升降，以及机械探杆10的伸出或缩退；最终记录下井下传感器的倾斜角随机械探杆 10伸出距离而变化的曲线。如图5，所述的工业控制电脑运行自行开发的应用软件的工作流程包括下列步 骤①工作开始A;②初始化参数机械探杆每次向前伸出的步距a，和机械探杆累计伸出的最大行程b B ;③通过连接井下传感器的连接电缆，下放井下传感器C ；④根据连接电缆的松或紧判断井下传感器是否到达沉渣层表面；如果连接电缆变 松，表示“是”，则转到下一步骤；否则转到上一步骤，即继续下放井下传感器D ；⑤停止下放井下传感器E ；⑥判断机械探杆是否在初始位置(圆形底盘中心孔内)？如果为“否”，则转到下一 步骤；如果为“是”，则转到步骤⑧F ；⑦机械探杆回到初始位置G ；⑧机械探杆累计伸出距离计数器清零，x=0 H ；⑨机械探杆向前伸出距离a，并计入机械探杆累计伸出距离计数器X，即x=x+a I ;⑩记录对应的井下传感器倾斜角J ； 判断机械探杆的累计伸出距离是否达到最大行程b，即x > b 如果为“是”，则 转到下一步骤；如果为“否”，则转到步骤⑨K ； 机械探杆停止运动L; ⑩机械探杆回到初始位置M ；⑩绘制机械探杆伸出距离与对应的井下传感器倾斜角之间的变化曲线；在该曲线 上，井下传感器倾斜角急剧变化时所对应的机械探杆伸出距离，即为沉渣层厚度N ； 提升井下传感器到地面0; 工作结束P。2、机械探杆10如图6,机械探杆10由圆柱形长杆11和圆锥形端头12组成。机械探杆10在沉渣层2中向下运动时，圆锥形端头12需克服在沉渣层2中的端 承阻力，该阻力变化不大；同时在圆柱形长杆11侧面，需克服和沉渣层2的侧摩阻力。因为 侧摩阻力的大小与圆柱形长杆11和沉渣层2的接触面积成正比，因此该阻力在机械探杆10 向下运动过程中将逐渐变大。为降低机械探杆10在沉渣层2内所受到的阻力，圆锥形端头 12的设计使得在与圆柱形长杆11连接处的横截面积突然增大，导致侧摩擦系数降低，从而 整个阻力主要集中在圆锥形端头12上。最后，当机械探杆10到达原土层1时，端承阻力突 然增大，机械探杆10的向下运动停止，井下传感器开始倾斜。3、圆形底盘20如图7，圆形底盘20设置有中心孔21、实体区域22和空体区域23。当井下传感器首先被放入钻孔6内时，其依靠圆形底盘20站立于沉渣层2表面 上。实体区域22的大小以及厚度决定整个圆形底盘20的重量和表面积。根据钻孔6底部 沉渣2的硬度不同，可适当选取实体区域22的大小和厚度，以保证圆形底盘20和沉渣层2 表面刚好接触，并且接触面积适当，避免出现圆形底盘20由于太轻而无法到达沉渣层2表 面(仍在泥浆层3中)，或者由于太重而侵入沉渣层2表面以下。4、长形圆筒30长形圆筒30是井下传感器的外护套管，采用不锈钢材料。在钻孔2完全充水的情 况下，如果孔深100米，该外护套管将承受IMPa的水压力，并可保证装置的正常工作。
5、直线步进电机40直线步进电机40是一种通用件，选用直线步进电机40和机械探杆10连接；由电 路板60产生驱动电流，驱动直线步进电机40可完成正转或反转，进而带动机械探杆10伸 出或缩退。6、连接导线50用于连接长形圆筒30内的电缆插座70、电路板60和直线步进电机40。7、电路板 60如图8，电路板60由ARM单片机61、测量倾斜角的加速度计62、串口转换器63和 直流步进电机驱动器64组成；测量倾斜角的加速度计62、串口转换器63和直流步进电机驱动器64分别与ARM 单片机61连接。电路板60的工作原理通过串口转换器63，ARM单片机61接受来自地面上检测仪器00的操作指令或向 检测仪器00发送检测结果；通过测量倾斜角的加速度计62，可检测井下传感器的倾斜角，并被送入ARM单片 机61中；ARM单片机61通过直流步进电机驱动器64驱动直线步进电机60，以控制机械探 杆10的伸出或缩退。(1) ARM 单片机 61选用菲利浦公司的LPC2114。(2)测量倾斜角的加速度计62选用Analog Device公司的ADIS16003，其通过SPI接口的4根信号线(M0SI， MISO, CLK, CS)和ARM单片机61连接；(3)串口转换器63选用MAXM公司的MAX488，其作用是将RS-232串口(TXD, RXD ;或者DI，R0)转换 成RS-488串口(A, B, Z, Y)，以便于长线传输。(4)直流步进电机驱动器64选用上海优爱宝公司的nM24002。由ARM单片机61通过其I/O 口的信号P0、P1和 P2分别控制直流步进电机驱动器64的方向信号(DIR)、频率信号(STP)和使能信号(EN)， 最后产生两相驱动电流(A+，A-, B+, B-)输送至直线步进电机40。8、电缆插座70电缆插座70是一种通用件；连接长形圆筒30内的信号。9、多芯电缆80多芯电缆80是一种通用件；其连接电缆插座70，并将信号送至地面上检测仪器 00。10、密封圈 90密封圈90是一种通用件；用于长形圆筒30的密封。11、绞车 100绞车100是一种通用件；可采用手动或电机驱动。
三、工作原理本装置是通过利用沉渣2、泥浆3和原土 1在硬度上存在较大的差异性来实现的。机械探杆10 —端连接长形圆筒30内部的直线步进电机40，另一端可穿过圆形底 盘20的中心孔21，在电路板60的控制下伸出或缩退。本装置的井下传感器稳定地站立于 沉渣2上之后，沉渣厚度检测即开始。此时地面上的检测仪器00发出指令，通知长形圆筒 30内的电路板60驱动直线步进电机40，以带动机械探杆10从圆形底盘20的中心孔21伸 出，并开始进入沉渣层2 ;此时机械探杆10的位置可定义为原点。井下传感器的自重提供 足够的反力，直线步进电机40提供足够的功率使机械探杆10穿过沉渣层2，到达原土 1持 力层。由于该层的硬度明显较高，使得井下传感器的自重提供的反力，不足以使机械探杆继 续前进；因此井下传感器开始倾斜。当机械探杆10伸出一个最大距离后(例如200mm)，沉 渣1厚度检测过程终止。整个检测过程中，机械探杆10伸出的距离与对应的井下传感器的 倾斜角的变化曲线将被记录在地面上的检测仪器00中。不同于图3所表示的情形，这里的 倾斜角开始急剧变化时所对应的位置为原土层1表面，由此可确定钻孔底部沉渣厚度。
权利要求
1.一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置，包括地面上的检测仪器(OO)和绞车(100);其特征在于 设置有井下传感器；井下传感器由机械探杆(10)、圆形底盘(20)、长形圆筒(30)、直线步进电机(40)、连接导线(50)、电路板(60)、电缆插座(70)、多芯电缆(80)和密封圈(90)组成； 其位置和连接关系是 在长形圆筒(30)的上部设置有密封圈(90)和电缆插座(70)； 在长形圆筒(30 )的内部设置有机械探杆(10 )、直线步进电机(40 )、连接 导线(50)和电路板(60)； 在长形圆筒(30)的下部设置有密封圈(90)和圆形底盘(20)； 机械探杆(10)的上端头和直线步进电机(40)相连，机械探杆10的下端 头穿过密封圈(90),并可从圆形底盘(20)的中心孔(21)处伸出； 在长形圆筒(30)内部，通过连接导线(50)将电缆插座(70)、电路板(60) 和直线步进电机(40)依次连接； 多芯电缆(80 )的一端连接电缆插座(70 )，多芯电缆的另一端通过绞车(100 )连接地面上的检测仪器(00)。
2.按权利要求I所述的一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置，其特征在于 所述的机械探杆(10)由圆柱形长杆(11)和圆锥形端头(12)组成。
3.按权利要求I所述的一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置，其特征在于 所述的圆形底盘(20)设置有中心孔(21)、实体区域(22)和空体区域(23)。
4.按权利要求I所述的一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置，其特征在于 所述的电路板(60 )由ARM单片机(61)、测量倾斜角的加速度计(62 )、串口转换器(63 )和直流步进电机驱动器(64)组成； 测量倾斜角的加速度计(62 )、串口转换器(63 )和直流步进电机驱动器(64 )分别与ARM单片机(61)连接； 通过串口转换器(63 )，ARM单片机(61)接受来自地面上检测仪器(00 ) 的操作指令或向检测仪器(00)发送检测结果； 通过测量倾斜角的加速度计(62)，倾斜角结果被送入ARM单片机(61)中； ARM单片机(61)通过直流步进电机驱动器(64)驱动直线步进电机(40)，以控制机械探杆(10)的伸出或缩退。
5.按权利要求I所述的一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置，其特征在于 所述的检测仪器(00)的应用软件的工作流程包括下列步骤 工作开始(A); 初始化参数机械探杆每次向前伸出的步距a，和机械探杆累计伸出的 最大行程b (B)；通过连接井下传感器的连接电缆，下放井下传感器(C); 根据连接电缆的松或紧判断井下传感器是否到达沉渣层表面；如果连接 电缆变松，表示“是”，则转到下一步骤；否则转到上一步骤，即继续下放井下传感器(D)； 停止下放井下传感器(E); 判断机械探杆是否在初始位置(圆形底盘中心孔内)？如果为“否”，则 转到下一步骤；如果为“是”，则转到步骤⑧(F)； 机械探杆回到初始位置(G); 机械探杆累计伸出距离计数器清零，x = 0 (H); 机械探杆向前伸出距离a，并计入机械探杆累计伸出距离计数器X，即 X = X + a (I)； 记录对应的井下传感器倾斜角(j)； 判断机械探杆的累计伸出距离是否达到最大行程b，即X > b 如果为 “是”，则转到下一步骤；如果为“否”，则转到步骤⑨(K)； 机械探杆停止运动(L); 机械探杆回到初始位置(M); 绘制机械探杆伸出距离与对应的井下传感器倾斜角之间的变化曲线；在该曲线上，井下传感器倾斜角急剧变化时所对应的机械探杆伸出距离，即为沉渣层厚度(N); 提升井下传感器到地面(0); 工作结束(P)。
6.按权利要求I所述的一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置的检测方法，其特征在于包括下列步骤 ①操作检测仪器，确认机械探杆回到原始位置，即机械探杆的下端头缩退至圆形底盘的中心孔内； ②井下传感器被放入钻孔内，并依靠圆形底盘站立于钻孔底部沉渣表面上； ③由检测仪器读出此时的深度值，即为钻孔底部沉渣表面的深度位置h； ④操作检测仪器使机械探杆伸出至一个最大距离；在机械探杆伸出过程中， 由检测仪器记录下每个伸出距离所对应的井下传感器的倾斜角，即长形圆筒的轴线方向相对于重力方向的夹角； ⑤在井下传感器的倾斜角随机械探杆伸出距离而变化的曲线上，确定倾斜角开始急剧变化时所对应的距离值，即为钻孔底部沉渣的底面(或原土层表面)的深度位置H ; ⑥计算钻孔底部沉渣厚度为H-h。
全文摘要
本发明公开了一种基于硬度差异传感的钻孔底部沉渣厚度检测装置及其方法，涉及建筑工程检测技术。本装置包括地面上的检测仪器(00)和绞车(100)；设置有井下传感器；井下传感器由机械探杆(10)、圆形底盘(20)、长形圆筒(30)、直线步进电机(40)、连接导线(50)、电路板(60)、电缆插座(70)、多芯电缆(80)和密封圈(90)组成。本方法是利用沉渣、泥浆和原土在硬度上存在较大的差异性来实现的。本装置简单直观，易于理解，易于实现，并且灵活适用；本发明提高了钻孔底部沉渣厚度检测的准确性，适用于建筑工程中钻孔底部沉渣厚度检测的广泛应用。
文档编号E21B47/04GK102661143SQ20121015824
公开日2012年9月12日 申请日期2012年5月21日 优先权日2012年5月21日
发明者杨光, 杨燕军 申请人:武汉岩海工程技术有限公司