基桩成孔质量检测系统及其检测方法与流程

本发明涉及基桩成孔检测领域，尤其是涉及基桩成孔质量检测系统，本发明还涉及该基桩成孔质量检测系统的检测方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，建筑施工技术也得到了快速的发展。桩基已经成为了当前建筑体的主要基础形式，而在桩基施工过程中，钻孔灌注桩属于地下隐蔽工程，有许多地质因素和人为因素影响成桩质量，无法直观的对其整个施工过程进行完全透明监控，成孔质量的好坏直接影响到混凝土浇注后的成桩质量。如：桩孔的孔径偏小则使得成桩的侧摩阻力、桩尖端承载力减少,整桩的承载能力降低;又如：桩孔上部扩径将导致成桩上部侧阻力增大,使得下部侧阻力不能完全发挥作用,同时单桩的混凝土浇注量增加,费用提高;再如：桩孔偏斜在一定程度上改变了桩竖向承载受力特性，削弱了基桩承载力的有效发挥，并且还容易产生钢筋笼吊放困难、塌孔、钢筋保护层厚度不足等问题。因此，配备相应的检测设备对其各个环节进行检测是非常必要的。成孔质量检测能够对钻孔施工给予必要的监督与指导，现已经成为钻孔灌注桩施工过程中不可或缺的一个重要环节。同时，井径资料对于综合判断岩性、解释其他测井曲线和计算固井水泥量都是非常重要的。

现有仪器一般由两部分组成：一部分是反映井径变化的井下机械结构，这部分包括有把机械位移变成电信号的转换装置；常见的井径仪有三或四个臂,在弹簧的作用下末端张开紧贴井壁，随着井径的变化,臂的末端也随着张开或合拢,同时带动电位器滑臂移动，于是井径的变化就变成了电阻值的变化，当通过电缆给电位器供电时,变化的电阻间电位差就反映了井径的变化；另一部分是地面记录部分，记录电位差变化，事先经过井径规刻度，这个变化就是井径大小。上述井径测试仪为接触式，其设备沉重、误差较大，不方便携带，不能满足基桩干孔成孔质量快速检测的要求。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种重量轻、携带方便、检测效率和检测精度高的基桩成孔质量检测系统。本发明另一目的在于提供该基桩成孔质量检测系统的检测方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的基桩成孔质量检测系统，基桩成孔质量检测系统，包括探头、垂直升降装置；

所述探头包括：用于吊装在所述基桩成孔内的壳体，水平设置在所述壳体内的承载板，所述承载板上朝着四个方向分别设置有激光测距仪，位于壳体的侧壁上对应于每个所述激光测距仪的激光发射窗位置处分别开设有激光孔；壳体顶壁上沿所述基桩成孔径向水平设置有吊板，所述吊板上水平开设有滑槽，吊板上对称于壳体中垂线间隔设置有两个定滑轮组件；壳体内设置有单片机和无线收发模块，位于壳体的底壁中心位置处设置有蓄电池，所述蓄电池的输出端分别与所述单片机、无线收发模块和激光测距仪的电源输入端连接，四个激光测距仪的控制信号输入端相互并联后与单片机的控制信号输出端连接，每个激光测距仪的数据信号输出端分别与单片机的数据信号输入端连接，单片机通过串行接口与无线收发模块通信连接；

所述垂直升降装置包括：设置在所述基桩成孔孔口处支架上的深度计数器、绞车、数据采集器；所述绞车的卷筒钢丝绳依次绕过所述深度计数器的计数轮、所述两个定滑轮组件的两个定滑轮后与所述支架固定连接；所述数据采集器与设置在壳体内的无线收发模块无线通信连接，数据采集器的长度数据信号输入端与深度计数器的长度数据信号输出端连接，数据采集器的通信接口与移动终端有线通信连接。

所述两个定滑轮组件均由滑轮支座和通过转轴设置在所述滑轮支座顶部的滑轮构成，两个滑轮支座的下部分别通过贯穿所述滑槽的螺栓与所述吊板连接。

所述壳体为正四棱柱形结构，所述激光测距仪为相位式激光测距仪，所述移动终端为手提电脑。

本发明所述基桩成孔质量检测系统的检测方法，按照下述步骤进行：

第一步、测量时保证所述探头在所述基桩成孔中铅垂度升降，同时保证四个所述相位式激光测距仪的指向不变，通过所述深度计数器得到测试点的深度值；探头采集的数据为某时刻四个相位式激光测距仪零基点到孔壁的距离，所述移动终端分别将该时刻采集的数据记录为对应的四个相位式激光测距仪的零基点到探头中心点距离,得到探头中心点到孔壁的四个距离d1、d2、d3、d4；

第二步、基桩成孔平均半径的检测分析与计算方法为：

四个相位式激光测距仪顺时针朝着四个方向布置在尼龙承载板上，在零深度处设定以探头中心点为坐标原点0，第一相位式激光测距仪指向设为y轴正向，第二相位式激光测距仪指向设为x轴正向，第三相位式激光测距仪指向设为y轴负向，第四相位式激光测距仪指向设为x轴负向，竖直铅垂线为z轴建立三维直角坐标系（x，y，z），因为探头沿铅垂线升降，所以不同深度处探头的中心点坐标为（0，0，z）；根据三维直角坐标系的巧妙设定，四个相位式激光测距仪测定的坐标值具有确定性，在某一深度处，四个相位式激光测距仪所测定的坐标分别为，每一点满足公式，r为基桩成孔该深度处的半径，x、y为基桩成孔圆上任一点的坐标，x0、y0为基桩成孔圆的中心坐标；

选第一相位式激光测距仪、第二相位式激光测距仪、第三相位式激光测距仪组成下列方程组：

将第一个方程式与第三个方程式相减得到：，由于探头在孔内探测，在不移动所述坐标原点0且探头保持垂直的情况下，第二个方程式中x0一定小于d2，所以（d2-x0）一定大于零，将y0代入第二个方程式中得到唯一的解x0，进而可求得大于零的半径r，得到中心坐标（x0,y0,z）与半径r；

第三步、根据4点选3点的组合，选第一、第二、第三相位式激光测距仪，第一、第二、第四相位式激光测距仪，第二、第三、第四相位式激光测距仪的测量数据按照第二步所述方法组成三个不同的方程组，并利用第二步所述的计算分析方法即可求得孔的3个中心坐标（x0,y0,z）与半径r；

第四步、将3次求得的中心坐标（x0,y0,z）与半径r取平均值得出平均中心点（xp,yp,z）与平均半径rp作为孔的中心坐标与半径；平均半径rp分析与计算方法流程框图如图5所示；

第五步、基桩成孔倾斜测量分析与计算方法是：

在基桩成孔零深度处求得的中心坐标与半径记作（xp0,yp0,z0），以零深度为基准，按公式计算孔的倾斜值，所有倾斜值即可以绘成一条深度-倾斜曲线；xp0、yp0为在深度z为零位置计算得到的基桩成孔圆的圆心坐标。

当所述基桩成孔某一深度偏心较大时（如800mm孔径的桩，偏心距离达到250mm时需要调整，计算公式为d/2-d/2，其中d为桩直径，d为本探头等效直径300mm），由于所述探头具有一定的尺寸，探头将贴到某一侧孔壁，在探头贴到该孔壁之前，调整垂吊所述探头的设备，使探头平移至位于这一深度孔的中心点，再以第二步所述方法建立新的三维直角坐标系；新求得的孔中心坐标校正到原坐标系的公式为：

从而完成探头在基桩成孔该深度处的偏心校正。

本发明优点在于采取非机械式探测竖井倾斜数据，重量轻，携带方便，检测效率和检测精度高，尤其适用于现场测试的基桩干孔成孔质量检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明所述探头的结构示意图。

图3.1是本发明四个所述相位式激光测距仪的平面布置示意图。

图3.2是图3.1的a-a向结构示意图。

图4是本发明所述探头的仰视结构示意图。

图5是本发明所述平均半径检测分析与计算方法的程序框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1-4所示，本发明所述的基桩成孔质量检测系统，包括探头、垂直升降装置；

所述探头包括：用于吊装在所述基桩成孔1内的正四棱柱形结构的壳体2，水平设置在壳体2内的尼龙承载板3，尼龙承载板3上朝着四个方向分别设置有相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4，位于壳体2的侧壁上对应于每个相位式激光测距仪的激光发射窗位置处分别开设有激光孔5；壳体2顶壁上沿基桩成孔1径向水平设置有吊板6，吊板6上水平开设有滑槽7，吊板6上对称于壳体中垂线间隔设置有两个定滑轮组件，两个定滑轮组件均由滑轮支座8和通过转轴设置在滑轮支座8顶部的滑轮9构成，两个滑轮支座8的下部分别通过贯穿滑槽7的锁紧螺栓10与吊板6连接；壳体2内设置有单片机11和无线收发模块，位于壳体2底壁下表面凹腔内的中心位置处通过金属拉条12固定有蓄电池13，蓄电池13的输出端分别与单片机11、无线收发模块和四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4的电源输入端连接，四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4的控制信号输入端相互并联后与单片机11的控制信号输出端连接，四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4的数据信号输出端分别与单片机11的数据信号输入端连接，单片机11通过串行接口与无线收发模块通信连接；

所述垂直升降装置包括：设置在基桩成孔1孔口处支架14上的深度计数器（品牌：天仪海波；型号：ty-26；产品名称：带深度计数滑轮绞车显示器；规格：专用收线放线滑轮绞车）、绞车15、数据采集器16；绞车15的卷筒钢丝绳17依次绕过深度计数器的计数轮18、两个定滑轮组件的两个定滑轮9后与支架14固定连接；数据采集器16与设置在壳体2内的无线收发模块无线通信连接，数据采集器16的长度数据信号输入端与深度计数器的长度数据信号输出端连接，数据采集器16的通信接口与手提电脑19有线通信连接。

本发明所述的探头采取非接触的相位激光测量，因此探头磨损小，测量可靠，精度高。探头顶部两端设置两个定滑轮组件，与底部中心位置处固定的蓄电池，使得探头的重心位于下部中心位置，解决了探头的方向性与垂直度的难题。探头数据采取无线传输模式，不仅给测量操作带来了便捷，还消除了在操作中有线传输线对探头方向性与垂直度的干扰问题。深度计数器无请求快速自动发送数据，使连续变化的深度数据离散化成高密度的数字深度数据。虚拟主机的设计思路，采集软件安装在移动电脑中，大大提高了设备的通用性，有利于推广应用。

如图1、图3.1、图5所示，本发明所述基桩成孔质量检测系统的检测方法，按照下述步骤进行：

第一步、测量时保证探头在基桩成孔中铅垂度升降，同时保证四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4的指向不变，通过深度计数器得到测试点的深度值；探头采集的数据为某时刻四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4零基点到孔壁的距离，手提电脑分别将该时刻采集的数据记录为对应的四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4的零基点到探头中心点距离,得到探头中心点到孔壁的四个距离d1、d2、d3、d4；

第二步、基桩成孔平均半径的检测分析与计算方法为：

四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4顺时针朝着四个方向布置在尼龙承载板3上，在零深度处设定以探头中心点为坐标原点0，第一相位式激光测距仪4.1的指向设为y轴正向，第二相位式激光测距仪4.2的指向设为x轴正向，第三相位式激光测距仪4.3的指向设为y轴负向，第四相位式激光测距仪4.4的指向设为x轴负向，竖直铅垂线为z轴建立三维直角坐标系（x，y，z），因为探头沿铅垂线升降，所以不同深度处探头的中心点坐标为（0，0，z）；根据三维直角坐标系的巧妙设定，四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4测定的坐标值具有确定性，在某一深度处，四个相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3、4.4所测定的坐标分别为，每一点满足公式，r为基桩成孔该深度处的半径，x、y为基桩成孔圆上任一点的坐标，x0、y0为基桩成孔圆的圆中心坐标；

选第一相位式激光测距仪4.1、第二相位式激光测距仪4.2、第三相位式激光测距仪4.3组成下列方程组：

将第一个方程式与第三个方程式相减得到：，由于探头在孔内探测，在不移动所述坐标原点0且探头保持垂直的情况下，第二个方程式中x0一定小于d2，所以（d2-x0）一定大于零，将y0代入第二个方程式中得到唯一的解x0，进而可求得大于零的半径r，得到中心坐标（x0,y0,z）与半径r；

第三步、根据4点选3点的组合，选第一、第二、第三相位式激光测距仪4.1、4.2、4.3，第一、第二、第四相位式激光测距仪4.1、4.2、4.4，第二、第三、第四相位式激光测距仪4.2、4.3、4.4的测量数据，按照第二步所述方法组成三个不同的方程组，并利用第二步所述的计算分析方法即可求得孔的3个中心坐标（x0,y0,z）与半径r；

第四步、将3次求得的中心坐标（x0,y0,z）与半径r取平均值得出平均中心点（xp,yp,z）与平均半径rp作为孔的中心坐标与半径；平均半径rp分析与计算方法流程框图如图5所示；

第五步、基桩成孔倾斜分析与计算方法是：

在基桩成孔零深度处求得的中心坐标（xp0,yp0,z0）与半径r，以零深度为基准，按公式计算孔的倾斜值，所有倾斜值即可以绘成一条深度-倾斜曲线；xp0、yp0为在深度z为零位置计算得到的基桩成孔圆的圆心坐标。

当基桩成孔某一深度偏心较大时（如800mm孔径的桩，偏心距离达到250mm时需要调整，计算公式为d/2-d/2，其中d为桩直径，d为本探头等效直径300mm），由于探头具有一定的尺寸，探头将贴到某一侧孔壁，在探头贴到该孔壁之前，调整垂吊探头的设备，使探头平移至位于这一深度孔的中心点，再以第二步所述方法建立新的三维直角坐标系；新求得的孔中心坐标校正到原坐标系的公式为:

从而完成探头在基桩成孔该深度处的偏心校正。

由以上分析计算可知本发明的优势在于：

1、采用三维直角坐标系的巧妙设定，使得相位式激光测距仪测定的坐标值具有确定性，求解得到唯一的中心坐标（x0,y0,z）与半径r，具有计算速度快，达到实时计算显示的目的。

2、孔径中心点与半径严密科学的数学推导，保证了孔倾斜计算的精确度。

3、对钻孔的大偏心的调整，解决了大偏心钻孔测试的难题。

本发明工作时动作关系为：主机（手提电脑19）根据不同深度，间隔通过无线收发模块给四个相位式激光测距仪发送同时测量命令，同时记录深度计数器此时发送的深度数据；四个相位式激光测距仪测量完毕后，主机（手提电脑19）接收数据时，采用轮录的数据请求模式，首先按地址请求相位式激光测距仪4.1的测量数据，收到数据后再依次顺序请求其它相位式激光测距仪的测量数据，然后保存计算显示，完成一次测量，重复以上步骤直到测量完毕。