一种钻孔灌注桩深层泥浆取样器及取样方法与流程

本发明涉及建筑施工领域，尤其涉及一种钻孔灌注桩深层泥浆取样器及取样方法。

背景技术：

钻孔灌注桩已普遍应用于建筑、市政、公路、铁路、港口等基础设施建设领域，作为关键基础工程，钻孔灌注桩自身质量决定了整个工程的优劣，而钻孔灌注桩的成桩质量，受成孔期间(尤其是混凝土灌注前，即清孔后)的泥浆性能(比重、粘度及含砂率)影响很大。

考虑到钻孔灌注桩成空期间的泥浆为悬浊液，土层内的砂粒以固体悬浮物的形式存在，粘土矿物以胶体的形式存在，前者比例直接决定的泥浆砂率，两者总量的和值决定了泥浆的比重。当钻孔灌注桩孔内泥浆处于静置状态时(钻进设备撤离，钢筋笼、导管安装及混凝土灌注期间)，固体形式的砂粒及胶体形式的粘土矿物均会在孔底沉积，导致孔底沉渣厚度增加，严重影响钻孔灌注桩的质量。

为控制钻孔灌注桩成桩质量，我国《建筑桩基技术规范》(jgj94-2008)、《公路桥涵施工技术规范》(jtg/tf50-2011)、《城市桥梁工程施工与质量验收规范》(cjj2-2008)、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(gb50202-2002)、《港口工程灌注桩设计与施工规程》(jtj248-2001)均对清孔后泥浆指标提出建议性或强制性要求，主要可归结为2类：

钻孔灌注桩孔口泥浆指标：泥浆比重≤1.1，含砂率≤2％，粘度保持在18～22pa·s；

钻孔灌注桩孔底泥浆指标：泥浆比重≤1.1，含砂率≤2％，粘度≤28pa·s。

其中，桩底泥浆指标可直接评估泥浆的沉积状态，而孔口泥浆指标是依旧孔底泥浆参数的推算值。后者受地质条件、钻孔灌注桩桩长、施工等待时间、泥浆泵功率及扬程等因素影响，变化幅度显著(钻孔灌注桩长度越短、泥浆泵功率越大、等待时间越短，孔口泥浆的砂率及比重越高)，采用单一的、严格的控制标准，在工程实践中的执行效果易被人为操控：一方面，人为的降低水泵功率及扬尘，同时在孔口区域灌注清水，可掩盖孔内泥浆的真实情况；另一方面，正循环作业的长桩、超长桩，泥浆泵扬程与桩长的差值较小，孔口泥浆的比重及砂率均较显著小于短桩。

因此，通过孔底泥浆性能指标(比重、含砂率及粘度)评价钻孔灌注桩清孔状态更真实、可靠。为确保钻孔灌注桩孔底泥浆取样的有效性，取样设备需具备以下几个功能：

一、具备仅摄取目标区域的泥浆——即在取样设备下放、起吊阶段，不混入其他区段的泥浆——其本质在于，取样器需具备仅在指定位置开启，其余位置关闭的功能；

二、单次取样容积较大，单次取样数量不小于1000ml，满足《公路桥涵施工技术规范》(jtg/tf50-2011)要求的泥浆3大指标(比重、粘度、含砂率)一次性试验要求；

三、操作简单，样品摄取的稳定性高，取样结果受作业人员技能水平幅度影响极小——即1cm²承担20kg压力且设备位于平台数十米深度的状态下，普通人的简易操作可实现设备的运转；

四、取样设备承担高压强状态下的作业能力，即150m深度(泥浆比重按1.25计，需承担1875kpa压强)范围内正常作业(①全有构件具备在该压强作用下的强度、刚度及稳定性；②取样口的开启及关闭)；

五、取样设备便于检修、清理，避免重复使用后内部泥浆淤积对后续作业的影响；

六、整套设备重量适中，既需满足自由下沉的要求，又需满足普通单人独立作业要求(15kg～20kg)。

考虑到国内尚无类似产品，研发一种钻孔灌注桩深层泥浆取样器。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于针对上述问题提供一种钻孔灌注桩深层泥浆取样器及取样方法的方案。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：一种钻孔灌注桩深层泥浆取样器，包括操作平台、取样设备、吊装构件及输电构件，所述取样设备包括电磁控制器、连通管和存储器；所述电磁控制器包括控制器基座和连通器，所述控制器基座包括电磁设备、制动构件、启闭构件和通道构件；所述连通器的侧面上固定由控制器基座且设有连通缺口，所述连通器上固定有位于连通缺口中间的阻水构件；所述启闭构件包括橡胶定位架、低弹模橡胶片和两个l型限位架，所述l型限位架外圈均包覆有低弹模橡胶片，所述低弹模橡胶片固定到连通缺口上下两端，两个所述l型限位架中间靠近连通器的一侧设有橡胶定位架，且所述橡胶定位架位于阻水构件下方，所述橡胶定位架与阻水构件、连通器可密封配合。

优选地，所述电磁设备包括铁块、电磁线圈和密封电线接入口，所述铁块位于控制器基座的最左侧，所述铁块上环绕有电磁线圈，所述电磁线圈上连接有密封电线接入口。

优选地，所述制动构件包括控制弹簧、铁质制动块和高弹模橡胶，所述控制弹簧一端固定在铁块上、另一端固定在铁质制动块上，所述铁质制动块在远离控制弹簧的一端固定有高弹模橡胶。

优选地，所述通道构件包括内腔、中腔、孔道a、孔道b和孔道c，所述内腔位于部分铁质制动块的外圈，所述低弹模橡胶片在远离橡胶定位架的一侧与控制器基座形成一个中腔，所述中腔的上端设有穿透低弹模橡胶片的孔道a，所述中腔的底部设有连通到内腔的孔道b，所述内腔设有连通到连通器的孔道c，所述孔道c位置低于孔道b且位于连通缺口的下方。

优选地，所述阻水构件在连通缺口的对侧设有加强块，所述加强块左侧设有支撑点a，所述连通缺口底部的连通器上设有支撑点b，所述连通器的底部设有螺纹丝口，所述螺纹丝口连接下方的连通管。

优选地，所述连通管下方连接有存储器，所述存储器和连通管之间设有固定用的连通管螺栓，所述存储器和连通管之间设有密封用的橡胶垫圈。所述存储器的外圈设有均匀分布的吊耳。

在上述的基础上有一种利用钻孔灌注桩深层泥浆取样器的取样方法，所述取样方法包括室内状态标定、室外数据采集及数据修正；

所述取样方法包括以下步骤：

步骤一：所述室内状态标定的方法，在断电状态下，将清水灌满连通器的敞口区域(30)，然后将该部分液体收集，用量筒确定其体积v0；接通电源，将清水灌满整个取样设备；关闭电源，将敞口区域的液体清除；接通电源，收集存储器、连通管及控制器基座非敞口区域内的液体，用量筒确定其体积v；然后计算出修正系数ξ；

步骤二：进行室外数据采集，先取钻孔灌注桩孔口泥浆进行检测，测定钻孔灌注桩孔口泥浆参数，包括比重γ1，砂率sr1，粘度v1；然后将吊装设备的钢丝绳一端固定于作业平台的装载轴上，一端通过分散夹与取样设备的存储器连接，再将作业平台搁置于钻机平台上，同时将与取样设备的电磁控制器相连的输电线接通电路，并将开关开启，使取样设备处于关闭状态；通过手动控制手摇杆，匀速将取样设备放至预期位置，期间输电线跟随取样设备一起下落，且其下落长度多于钢丝绳，确保电缆线免于承担受拉作用；然后开启电源，使取样设备处于贯通状态，静置处理后，关闭电源，使取样设备恢复关闭状态；通过手动控制手摇杆，将取样设备提至作业平台；将控制器敞口区域液体清除后，开启电源，使取样设备处于贯通状态，将内部泥浆取出，测定取样设备内泥浆的比重γ2、砂率sr2及粘度v2；

步骤三：进行数据修正，计算并确定钻孔灌注桩孔底泥浆的参数：

泥浆的比重γ＝γ1*ξ+γ2*(1-ξ)；

砂率sr＝sr1*ξ+sr2*(1-ξ)；

粘度v＝v1*ξ+v2*(1-ξ)；

所述计算出来的泥浆的比重γ、砂率sr和粘度v即为钻孔灌注桩孔底泥浆的参数。

优选地，所述室内状态标定的修正系数ξ为：ξ＝v0/v。

优选地，所述室外数据采集的静置处理为：把取样设备静止一分钟。

优选地，所述步骤一和步骤二进行的顺序可以互换。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、具备仅摄取目标区域的泥浆——即在取样设备下放、起吊阶段，不混入其他区段的泥浆——其本质在于，取样器需具备仅在指定位置开启，其余位置关闭的功能；

二、单次取样容积较大，单次取样数量不小于1000ml，满足《公路桥涵施工技术规范》(jtg/tf50-2011)要求的泥浆3大指标(比重、粘度、含砂率)一次性试验要求；

三、操作简单，样品摄取的稳定性高，取样结果受作业人员技能水平幅度影响极小——即1cm²承担20kg压力且设备位于平台数十米深度的状态下，普通人的简易操作可实现设备的运转；

四、取样设备承担高压强状态下的作业能力，即150m深度(泥浆比重按1.25计，需承担1875kpa压强)范围内正常作业(①全有构件具备在该压强作用下的强度、刚度及稳定性；②取样口的开启及关闭)；

五、取样设备便于检修、清理，避免重复使用后内部泥浆淤积对后续作业的影响；

六、整套设备重量适中，既需满足自由下沉的要求，又需满足普通单人独立作业要求(15kg～20kg)。

附图说明

图1是泥浆取样器工作示意图；

图2是取样设备的正视剖面图；

图3是图2的局部a的放大视图(为了便于区分控制器基座和连通器本图的剖面线和其他视图的剖面线不一致)；

图4是图2的b-b向剖视图；

图5是电磁线圈通电时电磁控制器的正视剖视图；

图6是电磁线圈未通电时电磁控制器的正视剖视图；

图7是是分散夹的正视图；

图8是联动轴和装载轴间采用的环状钢板加劲的构造截面图；

图9是操作平台的立体视图。

部分各个附图标记对应的名称是：电磁控制器1；控制器基座2；连通缺口203；电磁设备21：铁块211；电磁线圈212；密封电线接入口213；制动构件22：控制弹簧221；铁质制动块222；高弹模橡胶223；启闭构件：橡胶定位架231；低弹模橡胶片232；l型限位架233；通道构件：内腔241；中腔242；孔道a243；孔道b244；孔道c245；连通器3；敞口区域30；阻水构件31；螺纹丝口32；加强块33；支撑点a34；支撑点b35；连通管4；存储器5；橡胶垫圈51；吊耳52；连通管螺栓53；流体贯通道6；流体压力方向61；分散夹7；操作平台100；取样设备101；吊装构件102。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明具体内容以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。

本发明的实施例为一种钻孔灌注桩深层泥浆取样器及取样方法，为达到以上目的，本产品主要由操作平台、取样设备、吊装构件及输电构件等4部分构成。

1.1、取样设备

取样设备功能划分为三个部分电磁控制器1、连通管4及存储器5。其中，电磁控制器1与连通管4间采用螺纹丝口32连接(仅电磁控制器1维修时分离)，连通管4与存储器5间采用螺栓连接(仅存储器5清洗时开启)，存储器5与连接管4间的连接螺栓上均设置有密封的橡胶垫圈51，通过螺栓的紧固作用密封。

1.1.1、电磁控制器

钻孔灌注桩孔底区域外部压强极大。每平方厘米承受20kg作用力。取样设备距离孔口较远，采用机械方式开启阀门的难度太高，不适用于现场的常规操作。故以“电流控制”为基准，以“橡胶膜模拟启闭构件”，设计高压强状态下的开关阀。

(1)、构造组成：

电磁控制器1的核心部件包括控制器基座2与连通器3部分。其中，控制器基座2底部与连通器3侧壁贯通，两者间采用螺栓连接。

控制器基座1主要包括以下4部分：

1)电磁设备21：包括铁块211、电磁线圈212及密封电线接入口213。电线接入口213需确保水密封性，电磁线圈212需在额定电压作用下提供足够的磁场。

2)制动构件22：包括控制弹簧221、铁质制动块222及高弹模橡胶223。其中，高弹模橡胶223主要用于封闭孔道；铁质制动块222主要与电磁线圈控制的铁块211构成耦合体，在通电状态下，两者间产生磁力相互吸引；控制弹簧221需具备一定的线刚度，并始终处于压缩状态——当断电状态下，其提供铁质制动块222以推力，将孔道b244封堵；在通电状态下，铁质制动块222和铁块211间吸引而压缩控制弹簧221，将孔道b244打开(注：考虑到2mpa左右的流体压力，控制弹簧221能确保高摩阻橡胶在高压强状态下的稳定封堵)。

3)启闭构件：启闭构件以金属材质为核心的橡胶定位架231，周边布置低弹模橡胶片232，低弹模橡胶片232中间设置l型限位架233。低弹模橡胶片232外侧固定于连通缺口203上下端，无外力作用时呈平直状态；当承担单向压强作用时，低弹模橡胶片232随压强方向变形，最大变形受l型限位架233控制。此外，橡胶片上设有开设孔道a243；

4)通道构件：控制器基座2分别有内腔241与中腔242，内腔241里连接到电磁设备21及制动构件22，中腔242安置启闭构件。中腔242与内腔241间设置孔道b244，内腔241与连通器3的通道间设置孔道c245。

连通器3的通道为管状，侧壁开口与控制器基座2的启闭构件相通，相连部分通过细节构造设置2个支撑点，分别为支撑点a34和支撑点b35，作为启闭构件的反向支撑。连通器3的通道顶部附近设置阻水构件31，使连通器3的直通式流体通道转换为与受启闭构件控制的折线式通道。控制器底部设有螺纹丝口32，与连通管4连接。

(2)、电磁控制器的工作机理：

通电状态下，电磁线圈212产生磁场，使铁块211带磁性，吸引铁质制动块222，导致控制弹簧221压缩，孔道b244全部开启，连通器3的通道上、下口间的内通道(孔道a—中腔—内腔—孔道c)贯通，低弹模橡胶片232两侧压强相同，取样设备外面的流体流动的流体贯通道6和流体压力方向61如图4所示，恢复原状态，连通器3的通道上、下口连通。

断电状态下，电磁线圈212无磁场，铁块211吸引力撤销，铁质制动块222在控制弹簧221的作用下使得高弹模橡胶223将孔道c245封堵，连通器3通道上、下口间的内通道关闭，低弹模橡胶片232受中腔242的流体压强作用，取样设备外面的流体流动的流体贯通道6和流体压力方向61如图5所示，往连通器3方向移动，直至被连通器3通道的支撑点a34和支撑点b35挡住。此时，连通器3的通道的上、下口不连通。

1.1.2、连通管及存储器

存储器与连通器一道构成了本设备泥浆的储存装置。

(1)连通管

连通管4的功能，在于连接存储器5与电磁控制器1，其上端口通过螺纹丝口32与电磁控制器1连接，下端通过螺栓与存储器5连接。整个连通管4设有四个检修螺栓，仅在存储器清理阶段拧开。

(2)存储器

存储器5的容积不小于800ml，采用圆柱形金属铣削而成，底板厚度仅满足2mpa压强的要求即可，侧壁厚度除满足承载力要求外，还需满足螺栓孔径的要求——壁厚不小于螺栓孔径+10mm。

存储器5外壁沿120°角设置3个吊耳52，作为取样设备吊装的固定点。

1.2、操作平台

操作平台主要由固定架、转轴体系8及旋转式制动杆等三部分组成。

1.2.1、固定架

固定架包括基座91、y型支承92、轴承93等三部分。

基座采用型钢构成框架体系，在两侧设置y型支承，支承顶部设置轴承，作为转轴体系的基础。

固定架设置与钻机平台上，是整套设备作业的基础。

1.2.2、转轴体系

转轴体系包括联动轴81(含两端圆盘)、装载轴82(含两端圆盘)及l型手摇杆、手摇杆外套等4部分。转轴体系通过手摇杆的转动，实现钢丝绳的收、放，将取样设备下放、抬升。

联动轴为传力构件，其支承于固定架的轴承上，将手摇杆的转动作用传递至装载轴；

装载轴为钢丝绳的缠绕构件，其直径约为联动轴的2倍，其间采用环状钢板加劲80连接；装载轴两端设有2个圆盘，作为钢丝绳的侧向限位构件，圆盘直径为装载轴半径的2倍；

l型手摇杆包括箱型截面的连接杆与管状截面的手摇杆，手摇杆外设置外套，减少作业人员与杆件间的摩擦。

1.2.3、旋转式制动杆

旋转式制动杆主要用于取样设备静置期间的固定，即不需要人为固定控制摇杆。旋转式制动杆包括制动橡胶、制动杆及手柄等3部分组成。制动杆整体穿过y型支承，即支承于y型通道构件(开孔式)上。

非制动状态时，制动橡胶与装载轴圆盘间脱开；制动状态时，旋转手柄使制动杆前进，直至制动橡胶与装载轴圆盘紧密接触，并通过增加正接触力以提高摩擦力，使装载轴在取样设备的重力及制动橡胶间的摩擦力间平衡，处于静止状态。

1.3、吊装构件

吊装构件包括钢丝绳、分散夹及钢丝绳卡扣等3部分。

钢丝绳强度需满足国家标准《一般用途钢丝绳》(gb/t20118-2006)要求，考虑钻孔灌注桩内的泥浆腐蚀作用，安全系数k取10。

分散夹7的核心功能有2点：

1)将单股钢丝绳70平均地分散成多股钢丝绳78，单股钢丝绳70的那端直接与操作平台的装载轴连接，多股钢丝绳78端每根钢丝绳与取样设备的吊耳连接；

2)分散夹内设置360°旋转轴，可有效避免取样设备转动导致上部钢丝绳打结。

为实现上述功能，分散夹采用下述构造：

1)分散夹成圆柱状，自上而下分2节，上节71、中节72、下节73均设有u型槽75及栓销74，上节的栓销上套单股钢丝绳70，其与操作平台的装载轴相连，下节的栓销上套多股钢丝绳78，与取样设备的各个吊耳相连；

2)分散夹下节端口附近设置栓销74，将多股钢丝绳78固定于一点，避免下端多股钢丝绳搅在一起；

3)中节72设置t型螺杆77，中节72开设与t型螺杆相匹配的t型内腔室76，使t型螺杆77悬挂与腔室内，使上、下节在竖向连接且可以自由转动。

1.4、输电构件

输电设备为电缆线，直径满足取样设备功率及输送线路要求。电缆线外采用绝缘材料防护。

2、钻孔灌注桩深层泥浆取样器的取样方法

取样方法主要包括三个步骤分别为：室内状态标定、室外数据采集及数据修正。所述室内状态标定是为了检测在连通器的敞口区域灌满水后，需要落到存储器内多大体积的水后才使得启闭构件闭合通道；所述室外数据采集及数据修正是为了采集钻孔灌注桩孔口的泥浆参数；所述数据修正是因为取样设备内部的泥浆是由钻孔灌注桩孔口的泥浆和钻孔灌注桩孔底的泥浆混合而成的，通过数据修正得到钻孔灌注桩孔底的泥浆参数。

2.1、室内状态标定

1)在断电状态下，将清水灌满连通器的敞口区域，然后将该部分液体收集，用量筒确定其体积v0；

2)接通电源，将清水灌满整个取样设备；

3)关闭电源，将敞口区域的液体清除；

4)接通电源，采集存储器、连通管及控制器非敞口区域的液体，用量筒确定其体积v；

5)取修正系数ζ＝v0/v。

2.2、室外数据采集

1)测定钻孔灌注桩孔口泥浆参数，包括比重γ1，砂率sr1，粘度v1；

2)将吊装设备的钢丝绳一端固定于作业平台的装载轴上，一端通过分散夹与取样设备的存储器连接。然后将作业平台搁置于钻机平台上；同时将与取样设备的电磁控制器相连的输电线接通电路，并将开关开启，使取样设备处于关闭状态；

3)通过手动控制手摇杆，匀速将取样设备放至预期位置，期间输电线跟随取样设备一起下落，且其下落长度多于钢丝绳1～2m，确保电缆线免于承担受拉作用；

4)开启电源，使取样设备处于贯通状态，静置1min后，关闭电源，使取样设备恢复关闭状态；

5)通过手动控制手摇杆，将取样设备提至作业平台；

6)将控制器敞口区域液体清除后，开启电源，使取样设备处于贯通状态，将内部泥浆取出，测定取样设备内泥浆的比重γ2、砂率sr2及粘度v2。

2.3、实测数据修正

依据室内标定参数及现场实测参数，即钻孔灌注桩孔口的泥浆参数和钻孔灌注桩孔底的泥浆参数，确定孔底泥浆的参数：

泥浆的比重γ＝γ1*ξ+γ2*(1-ξ)；

砂率sr＝sr1*ξ+sr2*(1-ξ)；

粘度v＝v1*ξ+v2*(1-ξ)；

所述计算出来的泥浆的比重γ、砂率sr和粘度v即为钻孔灌注桩孔底泥浆的参数。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。