专利名称：用于分析所打的桩的无线装置和方法
技术领域：
本发明总的涉及到桩，更具体地说，涉及到用于实时分析所打的桩的方法和装置。
背景技术：
桩通常是用来支承诸如桥梁之类的各种负荷承载结构的。因此，必须将桩打到足够的深度以提供所要的负荷承载能力，而在打桩过程中又基本上不损坏桩。通常以诸如所打的试验桩的加速度、应变、桩承载能力、桩内应力、施加在桩上的能量以及每次锤击的平均位移(锤击数)来作为打桩特征参数，用以确定打桩过程参数。打桩过程参数包括打桩锤施加于桩上的力和锤击次数。打桩锤施加于桩上的力对于液压打桩锤来说是以冲程(或桩锤冲程)来表示，而对于柴油机打桩锤来说则以燃油设定量来表示的。随后，在打桩过程中，就将所确定的这些打桩过程参数应用到多根桩上去。
桩参数通常都用安装在试验桩顶部的传感器来测量。这些传感器提供原始桩数据。传感器的数据经过一硬导线的连接而供给到一打桩分析器上，并用于从所提供的原始桩数据推导确定桩参数。每台打桩分析器的价格可高达大约40,000-100,000美元。
加速度计是通常用来测量桩的加速度的传感器，桩的加速度可通过二次积分换算到打桩锤所打的桩(例如打入土中的)的位移。加速度计通常安装在试验桩的靠近顶部处，加速度计用导线与诸如打桩分析器之类的分析器相连。打桩分析器可从原始的桩数据来确定打桩锤的效率、加速度、打入阻力(承载力)、桩内应力以及其他有用的桩参数。对于承载力而言，土壤阻力是由桩的侧面及其前尖端所构成的，土壤阻力是桩深度的函数。
通常用于测量打入阻力和打桩速度(它可通过积分求出位移)的系统采用自生成型加速度计，正如其名称所表明的那样，自己产生直流电信号。有一石英或压电晶体被桩运动时加速度计的质量所产生的力压缩，从而产生与该桩的加速度成正比的电脉冲。将安装在试验桩上的加速度计所产生的加速度信号记录下来，接着再经过导线连接到一分离的装置(例如打桩分析器)中进行电子积分计算，以求得其速度的测量值。随后再对速度值进行第二次电子积分计算，以求得桩位移的测量值。对每个直线位移段确定所记录的锤击次数，用以得到锤击数。
打桩锤施加在桩上的力通常是同时由诸如应变仪之类的独立的装置来感测的。应变仪可安装在试验桩的靠近顶部处，且设置成与加速度计相垂直。应变仪用导线与诸如打桩分析器之类的分析器相连，用来测定应变、应力和力。可通过分析器按照适用于不同土壤状况、桩形状和所要的打入深度的已知公式来将力和平均位移换算成打入阻力。
在将桩打入一材料(例如土)中时，还必须控制锤击的力，以免超出桩材料的弹性限度。否则由于例如因回射波所传递的振动能量，会对诸如桩的类端或桩长度的任何部分造成桩的高代价的损坏。为使这种损坏尽量减小，在桩头上安装锤击帽，以更均匀地传递桩锤击打且有对锤击进行缓冲，同时可通过平行于导向架导向桩头而使桩头与打桩锤对准，且将桩保持在预定的、基本呈直线的通路上。
尽管采用了带有缓冲垫的桩帽(例如钢帽)，并借助于导向件而使打桩锤和桩保持正确的对准，有助于减轻桩的损坏，但在多数情况下所要的锤击力的确定在很大的程度上还是要靠操作人员的经验。在给定的情况下可采用一根或几根试验桩来帮助引导操作人员。通常采用安装在试样桩上的应变仪来确定锤击的力和桩内的动态力。
但是，应变仪无法考虑到发射波的存在。例如，沿着一桩的任何点上两个波可能发生毁坏性的干涉，以在一向前波与一具有等量值的回射波相遇时不产生净应力。具体地说，沿桩向下的一压缩波可整个地或部分地与一沿桩向上的张力波抵消。在两个或多个相抵消的波的情况下，可用诸如加速度计之类的能测量桩位移的装置来确定无应力的动力状态。
通常应将应变仪用螺丝或其他方法固定在桩上并用导线连接到打桩分析器上。这样，正确安设应变仪的过程是一较为费时、费钱的过程。应变仪通常还是一十分脆弱易碎的器件，它在桩所受到的重复性的动力冲击负荷下的可靠性很易受到损害。
即使在一桩已按照试验桩所推导出的数据被打入所要求的深度时，由于诸如土壤状态之类的许多打桩过程参数的变动，通常还要求测量所打的桩所能支承的实际静载荷。这通常是采用对一试验桩施加逐渐增大的重量直到使它发生运动为止来实现的。这就叫做静载承载试验，它是一很费时、费钱的过程。
如前已述，在打桩过程中接在试验桩后所打的桩通常是在打桩过程中不测量其桩参数的。由于在一给定的建筑区不同地区间诸如场地情况之类的参数会有所不同，所以这些桩在与试验桩相同的桩参数(例如锤击数和冲程)下会比试验桩打入少些或多些。这样就会分别造成诸如承载力损失和不必要的开支或者桩损坏之类的不希望有的后果。此外，由于通常在工作现场用的桩上是不装设传感器的，在这些桩的使用寿命中也就无法测量桩的完好性。因此，在桩的工作过程中，通常无法将损坏了的桩检测出来，而由损坏的桩支承的结构可能会发生倒塌。
发明内容
一种用于确定桩参数的系统，它包括至少一个用于测量桩数据的装置，该用于测量桩数据的装置设置在至少一根桩的测量范围之内。设有一适用于发送桩数据的无线发射机，该无线发射机与用于测量桩数据的装置可通讯连接。设置至少一个远程接收机用于接收该所发送的桩数据。
该系统可包括一用于从桩数据中确定至少一个桩参数的装置，该装置与远程无线接收机可通讯连接。用于测量桩数据的装置可包括至少一个应变仪。从无线发射机发出的信息包括识别特定桩位置的信息。
无线发射机可为一宽频发射机，而系统可包括用于将来自多个用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。用于测量桩数据的装置可基本上设置在桩内。
本发明第一方面内容的系统，还可包括一适用于接收触发信号的无线接收机，接收到能发信号就指令用于测量桩数据的装置开始测量桩数据。用于测量桩数据的装置可在桩的底部附近和/或设置在桩的项部附近。至少一个用于测量桩数据的装置可设置在桩的底部附近的用于测量桩数据的装置和桩的顶部附近的用于测量桩数据的装置之间。当至少一个用于测量桩数据的装置设置在桩的底部附近时，桩的底部附近的用于测量桩数据的装置可被定位在地平面以下。在本发明的一较佳实施例中，桩数据可在它们由无线发射机发送之前先作数字编码。
一种用于支承承重结构的设施，它包括至少一根桩和至少一个用于测量桩数据的装置。用于测量桩数据的装置设置在桩的可测量范围之内。有一无线发射机与用于测量桩数据的装置可通讯连接。还设置至少一个远程无线接收机，用于接收所发送的桩数据。该系统还可包括一用于从桩数据中确定至少一个桩参数的装置，该装置与远程无线接收机可通讯连接。用于测量桩数据的装置可包括至少一个应变仪。从无线发射机发送的信息包括识别特定桩位置的信息。
无线发射装置可为一宽频发射机，该装置还可包括用于将来自多个用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。在本发明的一较佳实施例中，桩数据可在它们由无线发射机发送之前先作数字编码。
至少一个用于测量桩数据的装置可基本上设置在桩内。该桩可为至少一个开放的容积，该开放的容积内可适于接纳用于测量桩数据的装置。该桩内容积可包括至少一个纵向定向的容积。
该装置还可包括一适用于接收触发信号的无线接收机，接收到了触发信号就指令用于测量桩数据的装置开始测量桩数据。
至少一个用于测量桩数据的装置可设置在桩的底部附近和/或至少一用于测量桩数据的装置可设置在桩的顶部附近。当在桩的顶部和底部都设置用于测量桩数据的装置时，至少一个用于测量桩数据的装置可设置在该两个用于测量桩数据的装置之间。至少一个用于测量桩数据的装置可设置在桩的底部附近，用于测量桩数据的装置可在地平面以下。
一种用于支承负荷承载结构的设施包括至少一根桩和至少一个用于测量桩数据的装置。至少一个用于测量桩数据的装置基本上安装在桩内。设置有一发射机，它与用于测量桩数据的装置可通讯连接。该发射机可为无线发射机，该无线发射机用于将桩数据发送给至少一个远程接收机。该发射机可为一宽频发射机，而该装置还包括用于将来自多个用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。在本发明的一较佳实施例中，桩数据可在它们由无线发射机发送之前先作数字偏码。
一种用于测量桩参数的系统，它包括一根桩和至少一个用于测量桩数据的装置。至少一用于测量桩数据的装置基本上安装在桩内。一发射机与用于测量桩数据的装置可通讯连接，用以将桩数据发送给至少一远程接收机。该远程接收机与用于从桩数据中确定至少一个桩参数的装置可通讯连接。该发射机可为一无线发射机。
该无射机可为一宽频发射机，而该装置还包括用于将来自多个用于测量桩数据的装置中的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。在本发明的一较佳实施例中，桩数据可在它们由无线发射机发送之前先作数字编码。
至少一个用于测量桩数据的装置可设置在桩的底部。设置在桩的底部的用于测量桩数据的装置可基本上安装在桩内。
一种构成带有基本上安装在桩内的传感器的桩的方法，它包括如下的步骤提供至少一个用于测量桩数据的传感器的步骤，将传感器放置到在施加桩材料后基本上被桩材料包围住的位置上的步骤，以及用桩材料基本上将传感器包围住的步骤。在放置步骤中，传感器可以定位在桩架的内部位置上。
包围步骤可包括一浇注步骤。提供步骤可包括提供一发射机，该发射机与传感器可通讯连接。该发射机可为一宽频发射机，而提供步骤还包括提供用于将来自多个用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。
一种用于无线地确定桩参数的方法，它包括如下的步骤提供至少一用于测量桩数据的装置，该用于测量桩数据的装置设置在离桩的测量范围之内，并提供一与用于测量桩数据的装置可通讯连接的无线发射机；以及通过无线发射机将桩数据无线发送给至少一远程接收机。
该方法还可包括如下步骤将从远程接收机接收到的桩数据提供给一计算装置，以及用计算装置来确定至少一个桩参数。该发送可以是自动的，较佳地是该发送、指令和确定步骤都是自动的。
该确定步骤还可包括采用在确定步骤中所确定的桩参数来确定用于打桩过程中的至少一个打桩过程参数。
打桩过程参数可包括打桩锤施加在桩上的力。
桩可支承一结构，其发送、指令和确定步骤是在安置了桩以后进行的。
该发送、指令和确定步骤可以实时进行，并可以是对所接收的激发信号作出响应的。
所接收的激发信号可具有一高于一预定阈值激发的阈值，用以启动发送、指令和确定步骤。
所接收的激发信号可包括能进行识别以用于特定桩的可选择性处理的信息。
在发送步骤中的发送信息可包括用于确定桩位置的信息，该方法还包括从所接收的桩发送信息中确定桩的位置的步骤。
该方法还包括采用至少一个已确定的桩参数来确定至少一个打桩过程参数的步骤。
一种打桩方法，它包括如下步骤提供至少一个用于测量桩数据的装置，该用于测量桩数据的装置在离桩的测量范围之内，以及提供一与用于测量桩数据的装置可通讯连接的无线发射机。由无线发射机将桩数据无线发送给至少一个远程接收机，并且从桩数据中确定至少一个打桩过程参数。采用该打桩过程参数来打此桩。无线发送和确定步骤可自动地进行。打桩步骤好可自动进行。打桩过程参数可包括一打桩锤施加在桩上的力。该方法包括调整在打桩锤的各次锤击所施加的力。该调整所施加之力的步骤可至少部分地根据已确定的打桩过程参数。
附图简述参照附图阅读了下述有关本发明的详细阐述后就会对本发明的内容及其特点和优点有一个全面的了解，这些附图是
图1表示已有技术的打桩试验系统。
图2表示根据本发明一实施例的、在打桩后在地平面以上具有传感器的桩。
图3表示根据本发明一实施例的、具有基本埋入在桩内的传感器和无线发射机的桩。
图4表示根据本发明一实施例的桩测量装置，它包括基本上处在混凝土桩内、在浇注前就放置在桩壳体内的一应变仪、加速度计、电源和一发射机。
图5表示一根据本发明再一实施例的、用于确定桩参数和打桩过程参数的桩测量系统，且它包含一无线发射机。
具体实施例方式
在传统的打桩中，由训练有素的人员(例如工程师)来打试验桩，对其进行监测，并得出用于打桩过程的桩数据。训练有素的人员确定各种打桩过程参数和施加到多根桩上的锤击次数。打桩过程参数一般是根据通过将传感器安装到试验桩顶部的传感器并将传感器硬连线至昂贵的打桩分析器的试样基础来确定的。传感器将原始应力和加速度数据经由导线传送给分析器。通常传感器不安装在桩的尖端(底)部，这是因为在将桩打入周围材料(例如土)中的过程中，所用的与分析装置和接线几乎总是会损坏掉的缘故。
由于采用上述方法，在打桩过程中，在试验桩之后打的桩在打桩的过程中都是不测量桩参数的。由于诸如给定施工现场内的地区间场地状况之类的某些参数有变动，故采用由试验桩所确定的给定打桩状态就会造成在某些打桩中要比试验桩打入少、而在某些打桩中要比试验桩打入多。这种土质状况的变动的后果是，少打时损失承载力，多打时会导致不必要的开销或者桩会损坏。重要的是，通常打桩锤总在所选桩参数下有一足够的安全系数，以通过采用足够低的桩锤冲程来避免桩的损坏，用以确保在打桩过程中基本上所有的桩都不会损坏。不幸的是，比最佳打桩冲程要小的冲程会引起打桩过程中的低效率(例如需要更大的冲程)。
参见图1，图示的一传统的打桩试验系统100包括一吊车10，其上装有吊杆11，吊杆要装成上端可由打桩锤导向架12转动，而其下端可由底撑杆13转动。试验桩14示为处于准备要打入到土中的位置，它在其下端由土地支承在总地用标号15表示的一位置上，而其上端由打桩帽16支承，打桩帽16与导向架12滑动相连而使打桩帽可将桩14保持与导向架对齐。
打桩帽要设成当桩打入到土中时可向下滑动。一诸如液压打桩锤之类的打桩锤17支承在导向架顶部附近及打桩帽之上，而打桩锤在桩打入土中时与导向架滑动连接和设成跟随同打桩帽16和桩14，如已述的那样。有一转换器18安装在试验桩14的顶部附近。与转换器18电气连接的是一将转换器18所获得的电数据信号(例如电压)传送给一诸如频谱分析器70之类的分析装置的电缆60。一工程师(或技师)80将分析装置70所确定的数据表述成用打桩锤17随后要打的各桩所用的桩参数。在传统的打桩系统中，几乎每十根桩中就要有一试验桩。
在本发明的一实施例中，一桩包括至少一用于测量来自桩的数据的传感器，以及一与该传感器可通讯连接的无线发射机。在此所用的术语“桩”广义地定义为包括诸如墩(例如用于支承桥梁的)、柱(用以支承建筑物的)、轴以及普通的桩在内的所有负荷承载支承件，且不管是预制或现场浇注的。要注意的是，柱和轴通常不是打的，除了对轴进行负载试验的情况以外。因此，涉及到将“桩”打到周围材料中给定深度的本发明的各方面内容普遍地涉及常用的桩和墩。不过，要注意的是，如轴那样是现场浇注的支承件可以在成形以后再打入到周围材料之中。
桩可用任何可支承负荷的材料，诸如水泥、钢材、木材或各种高强度聚合材料来制成。桩材料可包括增强材料或构件，诸如在混凝土情况中的钢筋。
传感器设置在离桩的一“测量范围”之内。在此所用的术语“测量范围”定义为在相对于桩的一个规定的距离之内，该规定的距离等于在其间可获得有用的桩数据的最远的距离，它取决于桩的测量方法和被测量的参数不同而有不同。因此，测量范围可包括在桩内、桩上或者离开桩一给定距离的各位置。尽管机械式传感器一般都要求装在桩上或桩的附近，以能传感所要的数据，但诸如基于光学原理方法(例如激光)之类的方法可远距测量桩的数据(例如应变和加速度数据)。由于桩顶部在打桩时或打桩后都是暴露在外的，故例如，可通过光学方法在桩顶部或附近测得应变和加速度数据。即使桩的尖端部是在地平面以下，也可采用光学技术并与具有一条或多条光通路的桩相结合来从桩尖端(底部)进行远程数据测量。在此所用的术语“光”不仅是指在可见光谱中的光信号，也可指通常用光发射系统处理的全频谱中的信号(例如紫外光、红外光等等)。例如，桩可制成为具有设置在桩内的耦合光通道和光学镜，以能使外界的光束可通到桩尖端并回射到位于桩外的检测器上。
用于本发明的无线实施例中的传感器是与至少一无线发射机可通讯连接的。传感器数据一般是以模拟数据的形式被获取的(例如相当于一力的电压电平值)。尽管桩数据能以模拟信号来进行处理和发送，但模拟信号通常在发送中会产生较大的噪音，这种噪音会在根据所接收的桩数据确定参数时产生误差。
较佳地，如果传感装置得到模拟数据，就通过模拟-数字转换器(A/D转换器)将模拟数据数字化而成为位流，并采用诸如数字信号处理器(DSP)之类的合适的装置来进行数字过滤和数字编码。该处理是与数字蜂窝通讯中对声音信号所施加的信号处理相类似的。可采用一多路复用器将各具有桩数据的一个或多个复用后的数字信号(例如从多个传感器得来的)组合成单个的数字信号中，采用一数字-模拟转换器(D/A转换器)转变为一模拟信号，作高频转换(例如用一局部振荡器)，再提供给一与天线相连接的宽频发射机，以无线发射其中具有数字编码的传感器信息的单个多路复用信号的。在本发明的较佳实施例中，所发射的信号是以频率约为900兆赫兹-2.4吉赫兹的载波频率来发送的。所发射的信号也可利用本技术领域中已知的频谱效率技术，诸如时分复用(TDM)、码分多址(CDMA)，或者其他频谱功效增强方法。
所发射的信号可包括能从所收到的信号来确定桩位置的信息。特定的载波频率可识别特定的桩。发射机也可装备GPS。或者，从各根桩发射来的信号可包括可用来参照一登录表而识别各根桩的独特的音调。发射信号可包括独特的网间协议(IP)型地址，而可参照一登录表来识别。时间多路复用还能提供一种从时间同步信号的接收时间来识别各根桩的方法，此时多根桩的发射机可共用一给定的载波频率。对于熟悉本技术领域的工作人员来说，显而易见的是还可有许多其他的方法能用于从所接收的信号来确定出桩的位置信息。
桩传感器一般包括至少一应变仪和至少一加速度计。但是，如前已述，应变化和加速度计所提供的信息也可用光学方法来形成。假如采用应变仪，可用应变仪数据来确定在桩的竖向(高度方向)轴线上所产生的应变、应力和力。桩的垂向应变、应力和力能沿桩的高度方向的轴向上或向下。虽然一般并不要求，但包括应变仪可用以确定沿一根或二根横向于桩高度方向轴线的轴线方向的应变、应力和力的应力仪也会是很有帮助的。
如果应变仪置于桩的横截面中心附近，则在多数应用场合下一个应变仪就足够了。但是，也可采用两个(或多个)沿同一轴线(例如竖向轴线)传感的应变仪，以可通过诸如将测得的桩数据作平均之类的统计技术来提高测量的可再现性。通常要有一加速度计来提供加速度数据，由此可确定加速度、速度和位移数据。不过，如果设有两个或多个应变仪，则可不必有加速度计来测量加速度数据。例如，位于离开一固定距离的两个应变仪通常在不同的时间接收到一给定的信号。已知两应变仪之间的分开的距离，就能通过已知距离除以在各应变仪上所测得的波的到达时间而计算出速度。
本发明可采用多种应变仪和装置来测量桩的位移、速度和加速度。例如，箔片、振弦、光纤、压力变换器(压电、压阻或压容变换器)、电位计和各种磁阻应变仪、或者本技术领域中已知的其他应变仪。
可用可得到的各种形式的仪器来测量桩内的加速度数据。通常采用加速度计来实现此目的。加速度计包括压电、压阻和压容类型的。或者，也可采用LVDT(线性可变差接变压器)。在本发明的较佳实施例中，采用压电加速度计，这是因为这种加速度计的“G电平”灵敏度处在所要求的200-1000Gs的范围内。
传感器与所提供的发射机可通讯连接。可通讯连接可包括各种形式的数据通讯，诸如光学的(例如激光)、有线电子的、无线电子的和振动的。在其中埋有传感器的混凝土桩的场合，可在桩中加上钢筋，以利于无线电子发送。
在传统的系统中，传感器固定(例如用螺纹旋紧)在试验桩的顶部。由于在传感器和分析装置之间的线路连接的缘故，传统的传感器无法放置在桩的底部。采用本发明，传感器可沿桩的长度放置在任何地方，包括桩的底部处的桩内，而底部是要置于现场的地平面以下的。在桩的底部处或附近设置的传感器(以下简称“底部传感器”)可产生安装在桩的顶部的传感器所无法得到的有价值的数据。
参见图2，图上示出一具有底部传感器的桩，所述底部传感器包括应变仪211和加速度计212，它们基本上设置在诸如一混凝土桩之类的桩210内。应变仪211和加速度计212位于离地面220以下的水平高度处，诸如随着打桩所得到的位置。从应变仪211和加速度计212得到的传感器数据被提供给发射机/放大器240，以通过一诸如天线250之类的合适的发射用装置进行发射。较佳地，用信号处理元件(未图示)来将传感器数据数字化、编码和组合，从而使单一个射频(RF)发射信号可带有来自诸如应变仪211和加速度计212之类的两个或多个传感器的数据。
更具体地说，采用由设置在土中或其它主体材料中的底部传感器所得到的桩数据，就可将承载能力中的表面摩擦和尖端阻力分量区分开来。还能通过一位于桩底部附近的应变仪来随着打桩的过程在桩中测量桩内的剩余应力。在对桩加载之前知道剩余应力就可更精确地确定由所加的负载所引起的表面摩擦和尖端阻力的变化。
在本发明的较佳实施例中，各个桩都设有附着的或永久性的传感装置，从而在打桩的同时和桩在现场应用时，都可取得现场打桩的数据。可分别监测表面摩擦力就可使每根桩在现场工作时所受到的诸如水(冲刷)和地震之类的外部影响作用可量化。结果是，采用永久设置的底部传感器，就可监测诸如桩支承桥梁的冲刷之类的动力削弱作用。如果检测到削弱了，就能在出现潜在的灾难性坍塌之前就将受影响的桩更换掉。
参见图3，图中示出本发明一方面内容的一较佳实施例，它具有一带有埋入的传感器和一无线发射机的桩。应变仪311和加速度计312埋入在诸如一混凝土桩之类的现浇桩310中。从应变仪311和加速度计312得到的传感器数据由发射机/放大器340输出，较佳的是作为已编码的数字化的从应变仪311和加速度计312得到测量数据的单一射频信号的形式输出。天线250发射可被一个或多个远程接收站(未图示)接收的传感器数据，以用来从接收的传感器信号进行参数确定。
图4示出在浇注之前基本上在诸如混凝土桩之类的一桩内的应变仪410、加速度计420、电源430和发射机440。虽然在传感器410、420和发射机440之间示出了线路连接，但本发明决不限于在传感器410、420和发射机440之间有线路连接的情况。例如，传感器410、420与发射机440的通讯可通过桩材料(例如带有钢筋的混凝土)，而不是通过导电电线。或者，在传感器410、420和发射机440间的连接也可是光学的(例如光纤)。
或者，桩可制成为具有可进入的一个或多个没有桩材料的容积空间，以可在桩成形之后放置传感器(和更换传感器)。例如，可制成带有一个或多个纵向开口的圆筒形桩，这样的纵向开口诸如中空的桩中心区，用以放置传感器，且在有必要时更换传感器。
可用电池来给桩测量装置供电。为了节省电能，测量装置应在等待唤醒信号时处于低功率闲置模式。当接收到一合适的触发信号时，就可取得更新的桩数据并发送给一个或多个接收机现场。或者该装置可包括一定时器。当定时器达到一定时间时，可获取更新的桩数据，并将之发送到接收机现场。
可从外部给装置供电。例如，各桩可装备太阳能电池板来产生电能。也能通过空中将能源供应给测量系统并由天线装置来接收。较佳地，可采用一合宜的储存装置(例如电池)来储存外部所供应的电能。
测量系统也能用合适的耐水的(例如聚合材料的)或较佳的是防水的覆层来构成一“封装”式的桩测量装置。在处于腐蚀性的周围环境中，诸如周围是水的情况，最好采用封装式装置。
封装式装置最好还同时将封装式装置基本上置于桩内，例如，封装式装置可在浇注步骤之前就置于桩架内的一预应力筋上。在此实施例中，在浇注步骤中，封装式测量装置基本上被桩材料(例如混凝土)包围住。
图5表示一用于测量桩参数的系统500，它包括至少一个适用于地下测量的用于测量桩数据的装置装置505，该用于测量桩数据的地下装置包括应变仪503和加速度计504。较佳地，桩数据测量装置505是一具有合适覆层材料(未图示)的封装式装置。在桩项部有一第二桩数据测量装置515，它可包括应变仪513和加速度计514。无线发射机510与含有用于测量桩数据的装置装置的传感器可通讯连接，该无线发射机510用于向至少一个远程接收机520发送桩数据。接收机与计算装置525可通讯连接，用于从所接收的桩数据确定至少一个桩数据。计算装置525可为一顶接式计算机或其他任何合适的计算装置。远程接收机520和计算装置525设置在远程设施530中。
利用合适的软件，计算装置525可确定诸如总承载能力、变形、应力、应变、力、加速度、桩中发散的能量、振幅和振动频率之类的桩参数，以及诸如锤击数和打桩冲程之类的打桩过程参数。桩参数和打桩过程参数可由计算装置525计算，打桩过程参数可用一合适的发射机(未图示)从计算装置515发送出去，而该发射机可由一现场工程技术人员、一打桩锤操作人员使用，或较佳地由自动装置在打桩过程中使用。桩参数和打桩过程参数最好用打桩锤每次锤击桩头时所得到的更新的加速度和应变数据来确定，更新的打桩过程参数提供给控制打桩锤(未图示)的一控制装置(未图示)。
采用例如上述同样的装置，如果在桩内的应力在某个给定锤击时低于规定的阈值，则可对其后的锤击提高打桩锤提供给桩的能量。此外，能够测量基于锤击的(by blow basis)一次锤击的承载能力就可使打桩打到所要的承载能力结果值。不过，即使在到达了所要的能力后，如果该桩尚未达到所处的或超过一截止深度的深度时，还可继续打桩。通常采用一加速度计来测量桩所达到的深度。采用最小的截止深度来考虑桩的安全因数，以防诸如洗刷和流化之类的效应。桩参数可用计算装置525从现场所用之桩的发射机510所发送的桩数据来确定。这样，就可在桩支承负荷的现场工作中监测桩的完好情况。
能够得到并处理桩安装好后的桩数据就能在桩的整个使用寿命内监测桩的完好情况。例如，可通过桩数据的测量(例如应力和应变)来检测桩的损坏情况，桩的损坏会导致灾难性的事故。例如，桩会由于飓风、地震或碰撞(例如船只)而遭损坏。此外，本发明还能用来监测由于附近的施工活动而对现有结构造成的损坏情况。
此外，能够确定桩安装好后的参数就可精确测定桩在安设后的一些日子里由于“封结”效应而能增大的承载能力。封结效应主要是由于在打桩后的一些日子里多余的水基本上都从桩周围的土壤中流失而使细孔压力下降的缘故。通常粒状土在一、两天后就封结了，而粘质土通常要较长的时间才封结。
本发明特别适用于基础构件，尤其是深基础构件。如果将本发明的测量装置装在深基础构件中，则就可通过在打桩时对每个构件的实际基础构件参数进行测量、较佳的是基于锤击地对一次锤击进行测量来大幅度地减小在打桩中所用的安全系数。这就能使打桩锤的利用最佳化(较大的冲程)，这是通过在监测该基础构件的损坏情况时提高根据锤击的一次锤击的冲程来使其成为可能的。因此，本发明可使基础设施的成本大大降低。
本发明可用于多种运输部门的地基设施。例如，对高速公路、港口、铁道、机场的支承构件，在打桩中可确定并利用其桩参数。此外，可在其整个使用寿命时间中对所打的支承构件监测其结构完好情况。监测可以是连续监测，或者是定期监测更新。
用于接收并处理打桩测量数据的远程设施530可位于世界上的任何地方，而无需有数据收集人员来到作业现场。还能同时把数据发送到多处。采用在可用的技术，可将数据通过诸如互联网之类的数据通道来传送，这就能把数据在不到一秒钟内传到远处。
远程设施530还可将信息发送给施工现场，这些信息可为诸如根据所接收到的桩测量数据和由计算装置525所确定的桩数据而得到的打桩过程参数。可利用所收到的打桩过程参数来在打桩过程中所用的打桩过程参数。因此，可建成一反馈和控制网络。
为了采用本发明的该实施例，较佳地，该系统还包括一接收机、信号处理器和过滤器(未图示)，用以接收由远程设施530所发送来的打桩过程参数。较佳地，接收机、信号处理器和过滤器与一控制器可通讯连接，而该控制器可通讯地适用于操作诸如带有打桩锤的一吊车之类的打桩装置。可由远程设施530提供打桩过程信息，用以提供诸如打桩锤冲程之类的打桩过程信息，而响应已确定的、远程计算机525所计算的桩参数，这些打桩信息是可基于锤击对各次锤击加以调整。在柴油机打桩锤的应用场合，打桩锤的冲程相应于燃油设定值。
远程设施530可同时监测和控制多根桩的打桩作业。远程设施530还可控制诸如吊车位置等等之类的现场活动的其他事项。因此，能用本发明来建成一全自动的打桩系统。
尽管已对本发明的较佳实施例作了图示和说明，应该明白的是本发明并不限于这些。对于熟悉本发明的技术人员来说，还可有多种改型、变化、变型、替代和等同的做法，而这些也都不脱离所附权利要求书中所述的本发明的思想和保护范围。
权利要求
1.一种用于确定桩参数的系统，它包括至少一个用于测量桩数据的装置，所述用于测量桩数据的装置设置在至少一根桩的测量范围之内；一适于发送所述桩数据的无线发射机，所述无线发射机与所述用于测量桩数据的装置可通讯连接；以及至少一个用于接收所述的发送的桩数据的远程接收机。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括用于从所述桩数据确定出至少一个桩参数的一装置，所述装置与所述远程无线接收机可通讯连接。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述用于测量桩数据的装置包括至少一个应变仪。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，从所述无线发射机发出的信息包括可识别所述桩的若干特定桩的位置信息。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射机是一宽频发射机，它还包括用于将从多个所述用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述用于测量桩数据的装置基本上设置在所述桩内。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一适于接收触发信号的无线接收机，接收到所述触发信号就指令所述用于测量桩数据的装置开始测量所述桩数据。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述用于测量桩数据的装置设在所述桩的底部附近，且至少一个所述用于测量桩数据的装置设在所述桩的顶部附近。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，还包括至少一个设置在所述桩底部附近的所述用于测量桩数据的装置和设置在所述桩顶部附近的所述用于测量桩数据的装置之间的、用于测量桩数据的装置。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，至少一个所述用于测量桩数据的装置设在所述桩的底部附近，在所述桩的底部附近的所述用于测量桩数据的装置位于地平面以下。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述桩数据在所述桩数据由所述无线发射机发送之前先作数字编码。
12.一种用于支承承重结构的设备，它包括至少一根桩；至少一个用于测量所述桩的数据的装置，所述用于测量桩数据的装置设置在所述桩的测量范围之内；一无线发射机，它与所述用于测量桩数据的装置可通讯连接；以及至少一个远程无线接收机，它用来接收所述的发送的桩数据。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，它还包括用于从所述桩数据确定出至少一个桩参数的一装置，所述装置与所述远程无线接收机可通讯连接。
14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述用于测量桩数据的装置包括至少一个应变仪。
15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，从所述无线发射机所发出的信息包括可识别所述桩的若干特定桩的位置信息。
16.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述无线发射机是一宽频发射机，它还包括用于将从多个所述用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。
17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述桩数据在所述桩数据由所述无线发射机发送之前先作数字编码。
18.如权利要求12所述的设备，其特征在于，至少一个所述用于测量桩数据的装置基本上设置在所述桩之。
19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述桩在其内部具有至少一个开放的容积，所述开放的容积适于接纳所述用于测量桩数据的装置。
20.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述开放的容积包括至少一个纵向定向的容积。
21.如权利要求12所述的设备，其特征在于，它还包括一适于接收触发信号的无线接收机，接收到所述触发信号就指令所述用于测量桩数据的装置开始测量所述桩数据。
22.如权利要求12所述的设备，其特征在于，至少一个所述用于测量桩数据的装置设在所述桩的底部附件，且至少一个所述用于测量桩数据的装置设在所述桩的顶部附近。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，还包括至少一个设置在所述桩底部附近的所述用于测量桩数据的装置和设置在所述桩顶部附近的所述用于测量桩数据的装置之间的、用于测量桩数据的装置。
24.如权利要求12所述的设备，其特征在于，至少一个所述用于测量桩数据的装置设在所述桩的底部附近，所述桩底部附近的所述用于测量桩数据的装置位于地平面以下。
25.一种用于支承承重结构的设备，它包括至少一根桩；至少一个用于测量桩数据的装置，所述用于测量桩数据的装置基本上安装在所述桩内；以及一发射机，它与所述用于测量桩数据的装置可通讯连接。
26.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述发射机是一无线发射机，所述无线发射机用于将所述桩数据发送给至少一个远程接收机。
27.如权利要求26所述的设备，其特征在于，所述发射机是一宽频发射机，它还包括用于将从多个所述用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送信号中的一多路复用器。
28.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述桩数据在所述数据由所述发射机发送之前先作数字编码。
29.如权利要求25所述的设备，其特征在于，所述接收机与用来从所述桩数据确定出至少一桩参数的一装置可通讯连接。
30.一种用于测量桩参数的系统，它包括一根桩；至少一个用于测量桩数据的装置，至少一个所述用于测量桩数据的装置基本上安装在所述桩内以及一发射机，它与所述用于测量桩数据的装置可通讯连接，用以将所述桩数据发送给至少一个远程接收机，所述远程接收机与用于从所述桩数据确定出至少一个桩参数的一装置可通讯连接。
31.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述发射机是一无线发射机。
32.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述发射机是一宽频发射机，它还包括用于将从多个所述用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。
33.如权利要求32所述的系统，其特征在于，所述桩数据在所述数据由所述发射机发送之前先作数字编码。
34.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述桩具有顶端和底端，至少一个所述用于测量桩数据的装置设置在所述桩的所述底端。
35.如权利要求34所述的系统，其特征在于，设置在所述桩的所述底部的所述用于测量桩数据的装置基本上安装在所述桩之内。
36.一种形成带有基本上安装在桩内的传感器的桩的方法，它包括如下步骤提供至少一个用于测量桩数据的传感器；将所述传感器放置到用所述桩材料基本上包围住所述传感器后就会基本上被桩材料所包围的一位置上；以及用所述桩材料基本上将所述传感器包围住。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于，在所述放置步骤中将所述传感器置于桩架中的一内部位置处。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于，所述包围步骤包括一浇注步骤。
39.如权利要求36所述的方法，其特征在于，所述提供步骤还包括提供一发射机，所述发射机与所述传感器可通讯连接。
40.如权利要求39所述的方法，其特征在于，所述发射机是一宽频发射机，其中，所述提供步骤还包括提供用于将从多个所述用于测量桩数据的装置发送的桩数据组合成一发送用信号的一多路复用器。
41.一种无线地确定桩参数的方法，它包括如下步骤提供至少一个用于测量桩数据的装置，所述用于测量桩数据的装置设在桩的测量范围之内，并提供一无线发射机，它与所述用于测量桩数据的装置可通讯连接，以及由所述无线发射机将所述桩数据无线地发射给至少一个远程接收机。
42.如权利要求41的方法，其特征在于，它还包括如下的步骤将从所述远程接收机述接收到的桩数据提供给一计算装置；以及用所述计算装置来确定所述至少一个桩参数。
43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述发送是自动的。
44.如权利要求42所述的方法，其特征在于，所述发送、所述指令和所述确定步骤都是自动的。
45.如权利要求42所述的方法，其特征在于，所述确定步骤还包括利用在所述确定步骤中所确定的所述桩参数来确定打桩过程中所用的至少一个打桩过程参数。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述打桩过程参数包括一由打桩锤施加于桩上的力。
47.如权利要求42所述的方法，其特征在于，所述桩支承一结构，其中，所述发送、所述指令、所述确定步骤都是在一桩安置好后再进行的。
48.如权利要求42所述的方法，其特征在于，所述发送、所述指令和所述确定步骤都是实时进行的。
49.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述发送、所述指令和所述确定步骤都是响应一接收到的激发信号的。
50.如权利要求49所述的方法，其特征在于，所述接收到的激发信号具有高于一预定的阈值的阈值，以启动所述发送、所述指令和所述确定步骤。
51.如权利要求49所述的方法，其特征在于，所述接收到的激发信号包括可识别所述桩的若干特定桩的选择性处理的信息。
52.如权利要求41所述的方法，其特征在于，在所述发送步骤中的所述发送信息包括用于确定所述桩的位置的信息，所述方法还包括从所述发送的信息来确定所述桩的所述位置的步骤。
53.如权利要求42所述的方法，它还包括采用至少一个所述被确定的桩参数来确定至少一个打桩过程参数的步骤。
54.一种用于打桩的方法，它包括如下步骤提供至少一个用于测量桩数据的装置，所述用于测量桩数据的装置设在桩的测量范围之内，并提供一无线发射机，它与所述用于测量桩数据的装置可通讯连接；用所述无线发射机将所述桩数据无线地发送给至少一个远程接收机；从所述桩数据确定出至少一个桩参数；以及采用所述桩参数对所述桩进行打桩。
55.如权利要求54所述的方法，其特征在于，所述无线发送和所述确定步骤都是自动进行的。
56.如权利要求54所述的方法，其特征在于，所述打桩步骤是自动的。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于，所述桩参数包括打桩锤向所述桩施加的力。
58.如权利要求57所述的方法，其特征在于，还包括调整打桩锤各次锤击所施加的所述力的步骤。
59.如权利要求58所述的方法，其特征在于，所述调整力的步骤与至少一个所述被确定的桩参数有关。
全文摘要
一种用于确定桩参数的系统(100)，它包括至少一个用于测量桩数据的装置。它包括一其上装有一吊杆(11)的吊车，吊杆安装成其上端可由打桩锤导向架(12)来转动，而其下端可由底撑杆(13)来转动。用于测量桩数据的装置设置在桩的测量范围之内。一无线发射机与用于测量桩数据的装置可通讯连接，该用于发送桩数据的无线发射机与至少一个远程接收机可通讯连接。在发送的数据信号中最好将桩数据进行编码。远程接收机与用于从打桩测量数据确定出至少一个打桩的一装置可通讯连接。一种用于打桩的方法包括以下步骤将桩数据无线发送给至少一个远程接收机的步骤、从桩数据确定出至少一个打桩过程参数的步骤、以及采用所确定桩参数进行打桩的步骤。
文档编号G08C17/00GK1547636SQ02808291
公开日2004年11月17日 申请日期2002年3月20日 优先权日2001年4月17日
发明者M·C·迈克瓦伊, V·H·阿尔瓦雷斯, C·S·布劳沃德三世, S·L·斯考菲尔德, S·普特查, M C 迈克瓦伊, 夭, 布劳沃德三世, 斯考菲尔德, 阿尔瓦雷斯 申请人:佛罗里达大学