CFG桩钻孔施工深度检测及施工控制系统和方法与流程

本发明属于建筑施工技术领域，涉及建筑打桩技术，具体为cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统和方法。

背景技术：

cfg桩英文是cementfly-ashgravel的缩写，意为水泥粉煤灰碎石桩，由碎石、石屑、砂、粉煤灰掺水泥加水拌和，用各种成桩机械设备制成的可变强度桩。通过调整水泥掺量及配比，可使强度等级在c5-c25之间变化，其是介于刚性桩与柔性桩之间的一种桩型。cfg桩和桩间土一起，通过褥垫层形成cfg桩复合地基共同工作，故可根据复合地基性状和计算进行工程设计。cfg桩一般采用长臂螺旋钻进行钻孔，利用混凝土注浆管内的泵压灌注混凝土、凝固后成桩。施工工艺先进；施工速度很快；成桩过程中使用的机械设备无噪音污染；成桩质量可靠；受地质影响程度相对较小；施工速度较快；可满足单桩承载力较高的高层建筑设计要求。

现有技术中采用长臂螺旋钻进行cfg桩施工的不足之处在于无法精确控制cfg桩的钻孔深度，经常出现超钻超灌的现象，使混凝土的灌注量增加，增加了施工成本。其主要原因是使用的钻孔深度监测控制措施比较落后，现有技术在孔深控制主要是在钻杆平行的机体上用尺子测量并标注好尺寸线，操作人员根据事先标注好的尺寸通过人工手动控制钻进深度，其操作误差大。

技术实现要素：

针对上述现有的长臂螺旋钻进行cfg桩施工时，人工手动控制钻进深度，操作误差大，经常出现超钻超灌的现象，本发明提出了cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统和方法。

其具体技术方案如下：

cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统，包括旁压试验系统、数据监测单元、数据转换单元、控制器和终端伺服；

所述旁压试验系统用于测量cfg桩桩孔内对应土层的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系，并将该桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系传输给控制器；

所述数据监测单元用于实时检测终端伺服的工作参数，并将检测的工作参数传输给数据转换单元；

所述数据转换单元用于接收数据监测单元传输的工作参数，并将工作参数进行模/数转换，形成转化后数据，将转化后数据传输给控制器；

所述控制器用于接收数据转换单元传输的转化后数据和旁压试验系统传输的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系，并对接收的转化后数据和桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系之间进行对比分析、汇总和储存，根据对比分析结果实时对终端伺服发送工作指令；

所述终端伺服用于根据控制器发送的工作指令对cfg桩进行钻孔作业和灌桩作业。

进一步限定，所述cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统还包括显示单元，所述数据转换单元将转换后数据传输给显示单元，所述显示单元用于接收转换后数据并进行显示。

进一步限定，所述工作参数包括cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力。

进一步限定，所述数据监测单元包括红外位移传感器、用于红外位移传感器的电磁波反射装置和位于cfg桩钻杆底部的压力检测传感器。

进一步限定，所述终端伺服包括卷扬机、钻杆钻进驱动装置或压力控制装置。

基于上述cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统实现cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制方法，包括以下步骤：

1)对cfg桩土层进行原位测试旁压试验：

在cfg桩对应土层钻取试验桩孔，试验桩孔的规格与实际cfg桩桩孔的规格相同，在试验桩孔内自上而下依次选取多个试验样点，通过囊袋加压法，测试每个试验样点对应的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积，并绘制每个试验样点对应的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图；

2)根据原位测试旁压试验计算cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充；

3)钻取cfg桩桩孔；

4)进行灌桩作业。

进一步限定，所述根据原位测试旁压试验计算cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充具体步骤为：利用压力检测传感器测量cfg桩钻杆底部出料口压力p，该cfg桩钻杆底部出料口压力p对应于试验桩孔的桩孔孔壁压力，根据试验桩孔对应土层的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图得出在cfg桩钻杆底部出料口压力p下对应的cfg桩的桩孔扩张体积v，根据公式v＝πd充²/4，计算cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充。

进一步限定，所述钻取cfg桩桩孔具体步骤为：确定基准面，将红外位移传感器固定连接在cfg桩钻杆的顶部，将用于红外位移传感器的电磁波反射装置以及cfg桩钻杆的底部均置于基准面上，测量红外位移传感器发出的光脉冲往返时间t1，得出在开始钻cfg桩桩孔时红外位移传感器距基准面的距离a＝t1*c/2，启动卷扬机和钻杆钻进驱动装置开始钻进工作，cfg桩钻杆的钻进深度y＝a-t*c/2，当cfg桩钻杆钻至桩孔底端时y＝a-t2*c/2；其中，t为cfg桩钻杆在钻孔过程中红外位移传感器发出的光脉冲往返时间，t2为cfg桩钻杆钻至桩孔底端时红外位移传感器发出的光脉冲往返时间，c为光的传播速度；红外位移传感器将测量的钻孔深度值传输给数据转换单元；

数据转换单元接收数据监测单元传输的深度值，对该深度值进行模/数转换，形成转化后深度值，并将转化后深度值传输给显示单元；

显示单元接收数据转换单元传输的转化后深度值，并对转化后深度值进行显示。

进一步限定，所述进行灌桩作业具体步骤为：当cfg桩钻杆钻至桩孔底端时，钻杆钻进驱动装置开始工作，开始向cfg桩桩孔内灌浇cfg桩材料，在cfg桩材料灌浇过程中红外位移传感器距基准面的距离z＝a-t’*c/2，t’为cfg桩钻杆在灌浇过程中红外位移传感器发出的光脉冲往返时间，当cfg桩材料的灌浇高度达到l时，即cfg桩钻杆的底端到达灌浇最高点时红外位移传感器发出的光脉冲往返时间t’3＝2(a-h)/c，其中，h为基坑开挖高度，l为灌桩高度，z小于等于h+l且大于等于h；将红外位移传感器测量的钻孔深度值以及压力检测传感器测量的压力值传输给数据转换单元；

数据转换单元接收数据监测单元传输的深度值以及压力值，对该深度值以及压力值进行模/数转换，形成转化后深度值和压力值，并将转化后深度值以及压力值传输给控制器和显示单元；

显示单元接收数据转换单元传输的转化后深度值以及压力值，并对转化后深度值以及压力值进行显示；

控制器接收数据转换单元传输的转化后深度值以及压力值，并对转化后深度值以及压力值进行对比分析、汇总和储存，并根据对比分析结果实时对终端伺服发送cfg桩钻杆的提钻速度工作指令；

终端伺服根据控制器发送的提钻速度工作指令进行cfg桩桩孔钻取工作。

进一步限定，所述对比分析的具体步骤为：根据每个试验样点对应的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图获取每个试验样点对应的极限压力pl，若压力检测传感器检测的对应土层的cfg桩钻杆底部出料口压力p≤pl，则按照cfg桩钻杆的提钻速度进行灌浇；若对应土层的cfg桩钻杆底部出料口压力p＞pl，则通过压力控制装置降低单位时间内cfg桩材料的泵送量，控制cfg桩钻杆底部出料口压力，使p＝pl，即桩孔扩张体积为vl，vl为对应土层在的极限压力pl下的极限桩孔扩张体积；当灌桩高度达到l时，停止灌浇；

cfg桩钻杆的提钻速度计算公式为：u＝4q/(πd充²)，u为cfg桩钻杆的提钻速度，q为单位时间内cfg桩材料的泵送量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统，其包括旁压试验系统、数据监测单元、数据转换单元、控制器和终端伺服，旁压试验系统用于测量cfg桩桩孔内对应土层的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系，并将该桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系传输给控制器；数据监测单元用于实时检测终端伺服的工作参数，并将检测的工作参数传输给数据转换单元；数据转换单元用于接收数据监测单元传输的工作参数，并将工作参数进行模/数转换，形成转化后数据，将转化后数据传输给控制器；控制器用于接收数据转换单元传输的转化后数据和旁压试验系统传输的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系，并对接收的转化后数据和桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系之间进行对比分析、汇总和储存，根据对比分析结果实时对终端伺服发送工作指令；终端伺服用于根据控制器发送的工作指令对cfg桩进行钻孔作业和灌桩作业。通过本发明cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统可以实现对cfg桩桩孔的钻取深度进行实时监测和控制，实现对cfg桩桩孔的钻取深度和钻取速度进行精确控制，降低cfg桩桩孔的钻取误差，有效避免了超钻超灌的现象发生，避免了灌桩时浪费混凝土，节约了成本。本发明cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统，其能够适用适用于长臂螺旋钻进行钻孔施工的各种工作场所，也可安装到利用固定钻杆进行施工的各种施工机械上，其应用范围非常广。

2、本发明cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统，其还包括显示单元，显示单元用于对转换后数据进行实时显示，使施工现场人员能够及时获取并观察到cfg桩桩孔的钻取深度以及cfg桩钻杆底部出料口压力值，以便对cfg桩桩孔的钻取情况进行人为判断和分析。

3、本发明cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制方法，其需要在cfg桩土层进行原位测试旁压试验，绘制试验桩孔的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图；cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充；钻取过程通过数据监测单元、数据转换单元、控制器、终端伺服以及显示单元实现了cfg桩桩孔的数字化、可视化以及自动化施工、检测和控制，降低了操作人员的工作量，使整个cfg桩桩孔钻取过程可控化程度高，钻取的cfg桩桩孔规格以及灌浇的桩柱规格更精确。

附图说明

图1为本发明cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统的示意图；

图2为实施例3中第一个试验样点测试的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化图；

图3为实施例3中第二个试验样点测试的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化图；

图4为实施例3中第三个试验样点测试的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化图

其中，1-数据转换单元，2-控制器，3-终端伺服，4-显示单元，5-红外位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案进行进一步地解释说明，但本发明并不限于以下说明的实施方式。

实施例1

参见图1，本实施例旁压试验系统、数据监测单元、数据转换单元1、控制器2、显示单元4和终端伺服3，旁压试验系统与控制器2电连接，旁压试验系统包括与cfg桩直径相同的旁压器、三维变形测量系统和加压稳定装置组成，数据监测单元与数据转换单元1电连接，控制器2和显示单元4分别与数据转换单元1电连接，控制器2与终端伺服3电连接，终端伺服3包括卷扬机、钻杆钻进驱动装置或压力控制装置，数据监测单元包括红外位移传感器5、用于红外位移传感器的电磁波反射装置和位于cfg桩钻杆底部的压力检测传感器，红外位移传感器5固定连接在长臂螺旋钻机顶机架上，用于红外位移传感器的电磁波反射装置固定在基准面上，压力检测传感器固定连接在长臂螺旋钻机顶机架的底部出料口处；显示单元4设置在施工现场施工人员能够观察到的地方；旁压试验系统用于测量cfg桩桩孔内对应土层的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系，并将该桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系传输给控制器2；数据转换单元1用于实时监测cfg桩桩孔钻取的深度值，并将该深度值传输给数据转换单元1；数据监测单元实时检测cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力并将检测的cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力传输给数据转换单元1；数据转换单元1接收数据监测单元传输的cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力，并对该cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力形成模/数转换，形成转化后cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力，并将转化后cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力传输给控制器2和显示单元4；显示单元4接收数据转换单元1传输的转化后cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力，并对转化后cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度以及cfg桩钻杆底部出料口压力进行显示；

控制器2接收数据转换单元1传输的转化后cfg桩的钻孔深度、cfg桩的灌桩高度、cfg桩钻杆底部出料口压力以及旁压试验系统传输的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系，并对转化后cfg桩的钻孔深度和cfg桩的灌桩高度与设定的cfg桩钻孔深度和设定的cfg桩灌桩高度进行对比分析、汇总和储存，将cfg桩钻杆底部出料口压力与旁压试验系统传输的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化关系中的参数进行对比分析、汇总和储存，并根据对比分析结果实时对卷扬机、钻杆钻进驱动装置或压力控制装置发送工作指令；卷扬机、钻杆钻进驱动装置或压力控制装置根据控制器2发送的工作指令进行工作。

本实施例中红外位移传感器5为红外线红外位移传感器，卷扬机为cfg桩钻杆提供上下运动的驱动力，钻杆钻进驱动装置为cfg桩钻杆的钻进提供驱动力，压力控制装置用于控制cfg桩钻杆底部出料口的压力；数据转换单元1为模数转换器；控制器2电脑，且控制器2实现数据对比分析、数据汇总和数据储存等功能的应用软件为：forcecontrol，该应用软件是行业类常用的，其版本及型号为v7.0，属于市售产品；显示单元4为显示屏，cfg桩钻杆底部出料口压力处于旁压系统试验压力范围区间内。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制系统，其红外位移传感器5为数字激光红外位移传感器，其与均与实施例1相同。

实施例3

本实施例cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制方法，其步骤包括：

1)对cfg桩土层进行原位测试旁压试验

在cfg桩对应土层钻取试验桩孔，试验桩孔的规格与实际cfg桩桩孔的规格相同，试验桩孔的孔径为400㎜，试验桩孔的深度为8000㎜，在试验桩孔内自上而下依次选取三个试验样点，试验样点具体根据试验桩孔内土层分布进行选取，第一个试验样点的深度为1200㎜，第二个试验样点的深度为3800㎜，第三个试验样点的深度为7200㎜，通过囊袋加压法，测试每个试验样点对应的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积；

2)根据原位测试旁压试验计算cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充；

利用压力检测传感器测量cfg桩钻杆底部出料口压力p，cfg桩钻杆底部出料口压力p与试验桩孔的桩孔孔壁压力对应，根据试验桩孔对应土层的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图得出在cfg桩钻杆底部出料口压力p下对应的cfg桩的桩孔扩张体积v，根据公式v＝πd充²/4，计算cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充；

3)钻取cfg桩桩孔

确定cfg桩桩孔的地平面为基准面，将红外位移传感器5固定连接在cfg桩钻杆的顶部，将用于红外位移传感器的电磁波反射装置以及cfg桩钻杆的底部均置于基准面上，测量红外位移传感器5发出的光脉冲往返时间t1为10^-7秒，得出在开始钻cfg桩桩孔时红外位移传感器(5)距基准面的距离a＝t1*c/2＝15米，启动卷扬机和钻杆钻进驱动装置开始钻cfg桩桩孔，在钻桩孔的过程中cfg桩钻杆的钻进深度y＝a-t*c/2，当cfg桩钻杆钻至桩孔底端时y＝a-t2*c/2＝8000㎜时，t2为4.66x10^-8秒，其中，t为cfg桩钻杆在钻孔过程中红外位移传感器5发出的光脉冲往返时间，t2为cfg桩钻杆钻至桩孔底端时红外位移传感器5发出的光脉冲往返时间，c为光的传播速度；

4)进行灌桩作业

当cfg桩钻杆钻至桩孔底端时，开始向cfg桩桩孔内灌浇cfg桩材料，cfg桩材料为混凝土，在cfg桩材料灌浇过程中红外位移传感器5距基准面的距离z＝a-t’*c/2，t’为cfg桩钻杆在灌浇过程中红外位移传感器5发出的光脉冲往返时间，当cfg桩材料的灌浇高度达到l时，表明已经达到灌桩顶端，即cfg桩钻杆的底端到达灌浇最高点时红外位移传感器5发出的光脉冲往返时间t’3＝2(a-h)/c，其中，h＝1000㎜，为基坑开挖高度，l＝7000㎜，为灌桩高度，z值介于h+l与h之间；

在施工过程中红外位移传感器5测量的钻孔深度值、红外位移传感器5测量的灌浇高度值以及压力检测传感器测量的钻杆底部出料口压力值均传输给数据转换单元1；

数据转换单元1接收红外位移传感器5测量的钻孔深度值、红外位移传感器5测量的灌浇高度值以及压力检测传感器测量的钻杆底部出料口压力值并对该钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值进行模/数转换，形成转化后钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值，并将该钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值传输给控制器2和显示单元4；

显示单元4接收数据转换单元1传输的转化后钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值，并对钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值进行显示；

控制器2接收数据转换单元1传输的转化后钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值，并对该钻孔深度值、灌浇高度值以及钻杆底部出料口压力值进行对比分析、汇总和储存，对比分析过程为：根据步骤3)的过程，当控制器2判断cfg桩桩孔的深度达到设计要求时，向卷扬机和钻杆钻进驱动装置发送停止下方钻杆和停止钻进工作指令；同时分别通过三个试验样点对应的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图分别获取三个试验样点的极限压力pl1＝1150kpa、pl2＝1250kpa和pl3＝1300kpa，之后向卷扬机发送启动工作指令，控制cfg桩钻杆开始灌浇工作，在灌浇过程中，并判断若对应土层的cfg桩钻杆底部出料口压力p小于等于该对应土层的极限压力，则按照原有的cfg桩钻杆的提钻速度进行灌浇，若对应土层的cfg桩钻杆底部出料口压力p大于该对应土层的极限压力，则通过控制器2向压力控制装置发送降低单位时间内cfg桩材料的泵送量工作指令，降低cfg桩钻杆底部出料口压力，使p＝pl，此时桩孔扩张体积为vl，vl为对应土层在的极限压力pl下的极限桩孔扩张体积；判断当灌桩高度达到l时，控制器2向卷扬机发送停止工作指令，灌桩完成；cfg桩钻杆的提钻速度计算公式为：u＝4q/(πd充²)，u为cfg桩钻杆的提钻速度，q为单位时间内cfg桩材料的泵送量；

卷扬机、钻杆钻进驱动装置和压力控制装置均根据控制器2发送的工作指令进行工作。

在控制器2工作之前需要向控制器2内提前输入原位测试旁压试验得到的每个试验样点对应的桩孔孔壁压力与桩孔扩张体积变化曲线图，以及对应的cfg桩桩孔充盈后对应的直径d充、桩孔的孔径、桩孔的深度、基坑开挖高度和灌桩高度等参数。

实施例4

与实施例3不同的是，本实施例cfg桩钻孔施工深度检测及施工控制方法，其试验桩孔的孔径和实际cfg桩桩孔的孔径均为500㎜，试验桩孔的深度为15000㎜，在试验桩孔内自上而下依次选取四个试验样点，第一试验样点的深度为500㎜，第二个试验样点的深度为6500㎜，第三个试验样点的深度为10000㎜，第四个试验样点的深度为14000㎜，其余均与实施例1相同。

本发明的红外位移传感器5并不限于上述实施例中描述的红外线红外位移传感器和数字激光红外位移传感器，其他非接触式红外位移传感器均可。