一种沉桩施工地层超前预警装置

1.本发明属于沉桩工程施工过程中的地层探测领域，具体涉及一种沉桩施工地层超前预警装置。


背景技术：

2.目前沉桩施工的地层勘探主要依赖于前期勘察阶段对地层进行以点带面的分析，无法精确实时的对地层进行探测，这就导致了施工时经常会遇到各种问题，非常容易造成施工事故。比如管桩由软弱土层突然进入硬土层或遇到浅部的老基础、大孤石、既有地下建(构)筑物如隧道、管道等，或在没有经过渡层直接进入硬土层的情况下,桩机油压迅速升高,桩身受到瞬间冲击力而引起桩顶开裂无法使用，或者由于施工不规范等原因导致桩身倾斜，破坏复杂脆弱的地下管网。因此对于沉桩施工过程中对地下情况的实时探测十分重要。
3.目前沉桩施工的地下探测手段一般为各种前期勘察方法，主要有静力触探、动力触探、载荷试验等原位测试法、钻探取芯法、物探法等，均无法在沉桩施工时对桩身正下方地层进行实时探测。
4.而沉桩施工过程中的现场监测手段一般只对施工、质量与仪器参数等地面内容进行监测，无法监测施工过程中桩身正下方的地层特性。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种沉桩施工地层超前预警装置，可以在沉桩施工过程中对桩下地层进行实时监测，结合前期勘察数据，可以在接近地层突变(如孤石、溶洞等)或接近既有地下建(构)筑物(如隧道、管道等)等时提前做出预警，完善沉桩施工过程中无法对下部地层突变进行实时监测和预警的不足。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
7.一种沉桩施工地层超前预警装置，包括地层探测组件、无线信号发射组件、无线信号接收组件和数据处理组件，所述地层探测组件包括锥尖探头、侧壁摩擦筒、锥尖压力测量单元、侧壁压力测量单元、孔压测量单元、深度测量单元和固定装置，所述侧壁摩擦筒连接下部的锥尖探头和上部的固定装置；所述锥尖探头与侧壁摩擦筒之间、侧壁摩擦筒与固定装置之间的连接处设有密封装置(侧壁摩擦筒、锥尖探头、固定装置与密封装置一起组成所述地层探测组件的外壳)；所述锥尖压力测量单元、侧壁压力测量单元、孔压测量单元均安装在侧壁摩擦筒内，所述深度测量单元安装在所述锥尖压力测量单元内，所述锥尖探头与锥尖压力测量单元之间、锥尖探头与孔压测量单元之间、锥尖压力测量单元与固定装置之间均通过螺纹拼接；所述固定装置安装在桩靴上，所述无线信号发射组件与地层探测组件的固定装置连接为一体，所述无线信号接收组件布置于预制管桩的桩壁内部，所述无线信号发射组件用于将地层探测组件探测的地层数据的电压信号转换为电磁波信号，发送给所述无线信号接收组件；所述数据处理组件与所述无线信号接收组件连接。
8.按上述方案，所述锥尖探头与侧壁摩擦筒超出桩靴一定的高度(能承受较高的压力)。
9.按上述方案，所述密封装置上还设置有防水结构(防止仪器进水损坏)。
10.按上述方案，所述无线信号发射组件包括电源、数据转换单元和无线信号发射单元，所述电源用于给所述锥尖压力测量单元、侧壁压力测量单元、孔压测量单元、深度测量单元以及所述无线信号发射单元、数据转换单元供电；所述锥尖压力测量单元、侧壁压力测量单元、孔压测量单元与深度测量单元与所述无线信号发射组件的数据转换单元通过圆形连接器电性连接；所述数据转换单元通过导线与所述无线信号发射单元电性连接；所述地层探测组件的锥尖压力测量单元、侧壁压力测量单元、孔压测量单元与深度测量单元分别用于探测地层连续的锥尖压力、侧壁摩阻力、孔隙水压力与深度数据；所述数据转换单元用于将锥尖压力、侧壁摩阻力、孔隙水压力与深度数据转换为电压信号，传输给所述无线信号发射组件。
11.按上述方案，所述无线信号接收组件包括若干个无线信号放大器和一个无线信号接收单元，所述无线信号发射单元与第一个无线信号放大器之间、各个无线信号放大器之间、最后一个无线信号放大器与无线信号接收单元之间通过电磁波无线连接。
12.按上述方案，所述数据处理组件包括信号采集仪和数据分析单元，所述无线信号接收单元与所述信号采集仪之间、所述信号采集仪与所述数据分析单元之间通过导线电性连接，所述信号采集仪用于将无线信号接收单元采集到的信号进行过滤并解码，获得测量数据，输出数据曲线至所述数据分析单元。
13.按上述方案，所述无线信号放大器内置电源(不需要外部供电)。
14.按上述方案，所述无线信号放大器的布置间隔根据信号放大器规格及实际施工情况确定(从而做到放大信号发送给所述无线信号接收单元，从而使其得到稳定连续的电磁波信号)。
15.本发明的工作原理：在沉桩施工时，将地层探测组件与无线信号发射组件安装在桩靴上，锥尖压力测量单元、侧壁压力测量单元、孔压测量单元、深度测量单元利用电源中的电能探测到地层数据，将电压信号经过圆形连接器插座与圆形连接器插头传递给数据转换单元，转换为电磁波信号后，向地面方向发送信号；无线信号经过若干个无线信号放大器进行信号放大后传递给信号接收单元，然后通过导线将信号数据传递给信号采集仪；信号采集仪将信号进行过滤并解码，获得测量数据，输出数据曲线至数据分析单元。数据分析单元结合前期勘察数据与信号采集仪得到的数据，更准确详细的分析当前桩身以下一定距离的地层数据，并在地层将要发生变化时做出提醒或将要遇到异常地层时发出警报。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
17.1、在沉桩施工时，可以利用本发明实时勘测沉桩下部地层情况，可以结合前期勘察数据更详细准确的了解地层情况，弥补了现有技术只能利用前期勘察手段以点带面的方法对地层进行勘测的不足；
18.2、在沉桩施工时，本发明可以提前探测到地层变化，特别可以在接近地层突变(如孤石、溶洞等)或接近既有地下建(构)筑物(如隧道、管道等)等时提前做出预警，防止损坏桩身或地下管网等，克服了现有技术只能在施工出现问题后才能发现的不足，完善了沉桩施工过程中对下部地层突变进行实时监测和预警。
附图说明
19.图1是本发明一种沉桩施工地层超前预警装置的结构示意图；
20.图2是本发明一种沉桩施工地层超前预警装置地层探测组件示意图；
21.图3是本发明一种沉桩施工地层超前预警装置无线信号发射组件示意图；
22.图中：1-地层探测组件，11-锥尖探头，12-侧壁摩擦筒，13-锥尖压力测量单元，14-侧壁压力测量单元，15-孔压测量单元，16-深度测量单元，17-圆形连接器插座，18-固定装置，2-无线信号发射组件，21-电源，22-数据转换单元，23-无线信号发射单元，24-圆形连接器插头，3-无线信号接收组件，31-无线信号放大器，32-无线信号接收单元，4-数据处理组件，41-信号采集仪，42-数据分析单元，5-桩靴，6-预制管桩。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述。
24.如图1～图2所示，本发明所述的一种沉桩施工地层超前预警装置，包括地层探测组件1、无线信号发射组件2、无线信号接收组件3、数据处理组件4四个部分。
25.地层探测组件1包括锥尖探头11、侧壁摩擦筒12、锥尖压力测量单元13、侧壁压力测量单元14、孔压测量单元15、深度测量单元16、圆形连接器插座17和固定装置18，侧壁摩擦筒12连接下部的锥尖探头11和上部的固定装置18，锥尖探头11、侧壁摩擦筒12、固定装置18、圆形连接器插座17互相之间的连接处设有密封装置，组成地层探测组件1的外壳；锥尖压力测量单元13、侧壁压力测量单元14、孔压测量单元15均安装在侧壁摩擦筒12内，深度测量单元16安装在锥尖压力测量单元13内，锥尖探头11与锥尖压力测量单元13之间、锥尖探头11与孔压测量单元15之间、锥尖压力测量单元13与固定装置18之间均通过螺纹拼接；圆形连接器插座17安装在固定装置18内；固定装置18固定在桩靴5上；锥尖压力测量单元13、侧壁压力测量单元14、孔压测量单元15、深度测量单元16通过导线与圆形连接器插座17电性连接；
26.锥尖探头11与侧壁摩擦筒12超出桩靴5一定的高度，能承受较高的压力，密封装置上还设置有防水结构，防止仪器进水损坏。
27.如图3所示，无线信号发射组件2与地层探测组件1的固定装置18连接为一体，包括电源21、数据转换单元22、无线信号发射单元23和圆形连接器插头24，圆形连接器插头24安装在圆形连接器插座17上并实现电性连接；电源21用于将电能流经圆形连接器插头24、圆形连接器插座17给锥尖压力测量单元13、侧壁压力测量单元14、孔压测量单元15、深度测量单元16供电；电源21通过导线给数据转换单元22、无线信号发射单元23供电；圆形连接器插头24通过导线与数据转换单元22电性连接；数据转换单元22通过导线与无线信号发射单元23电性连接；无线信号发射组件2用于将地层探测组件1探测的地层数据的电压信号转换为电磁波信号，发送给无线信号接收组件3。
28.无线信号接收组件3布置于预制管桩6的桩壁内部，包括若干个无线信号放大器31和一个无线信号接收单元32，无线信号发射单元23与第一个无线信号放大器31之间、各个无线信号放大器31之间、最后一个无线信号放大器31与无线信号接收单元32之间通过电磁波无线连接；
29.数据处理组件4包括信号采集仪41和数据分析单元42，无线信号接收单元32与信
号采集仪41之间、信号采集仪41与数据分析单元42之间通过导线电性连接，信号采集仪41用于将无线信号接收单元32采集到的信号进行过滤并解码，获得测量数据，输出数据曲线至数据分析单元42。
30.施工时预制管桩6将动力经过桩靴5传递给固定装置18，再传递给锥尖压力测量单元13与侧壁压力测量单元14，锥尖压力测量单元13再将动力传递给锥尖探头11，锥尖探头11又将受到的地层阻力传递给锥尖压力测量单元13，从而得到锥尖压力，侧壁压力测量单元14将动力传递给侧壁摩擦筒12，侧壁摩擦筒12又将受到的摩擦阻力传递给侧壁压力测量单元14，从而得到侧壁摩擦力，孔压测量单元15可以测量锥尖探头11附近的孔隙水压力，深度测量单元16可以测量位移量，从而得到当前锥尖探头11相对于地面的深度。以上锥尖压力测量单元13、侧壁压力测量单元14、孔压测量单元15、深度测量单元16检测的四种测量数据通过电压信号的方式传递给数据转换单元22，经过转换后无线信号发射单元23发送无线电磁波信号给无线信号放大器31，最终将无线信号传递给无线信号接收单元32，通过导线将信号数据传递给信号采集仪41，输出数据曲线至数据分析单元42，结合前期勘察数据，就可以提前探测到地层变化或桩下是否存在既有建(构)筑物等，从而做出预警，防止损坏桩身或地下管网。
31.地层探测组件1具有超前效应的特性，即当锥尖探头11快要进入但还没有进入下一地层时，锥头阻力等参数会受到下层地层的影响而表现出部分下层地层的特性，且上下地层力学特性差别越大这种效应越明显。
32.无线信号放大器31内置电源，不需要外部供电，根据信号放大器规格及实际施工情况确定布置间隔，做到放大信号发送给无线信号接收单元32，从而使其得到稳定连续的电磁波信号。
33.数据分析单元为计算机，可以结合前勘察阶段得到的地层资料，自动确定当前桩所在位置正下方的地层类别，并在探头接近地层突变(如孤石、溶洞等)或接近既有地下建(构)筑物(如隧道、管道等)等时发出警报，告知施工人员，及时对施工工艺做出调整。
34.本发明并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，对于本领域的技术人员来说，根据本发明作出各种相应的更改和变型，相应的更改和变型都属于本发明权利要求的保护范围。