申请/专利权人：中交四航工程研究院有限公司;中交第四航务工程局有限公司;广州港湾工程质量检测有限公司

申请日：2019-04-16

公开（公告）日：2024-04-02

公开（公告）号：CN110106924B

主分类号：E02D33/00

分类号：E02D33/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.02#授权;2019.09.03#实质审查的生效;2019.08.09#公开

摘要：本发明提供了一种沉桩过程管桩土塞高度监测装置及监测方法，其包括：第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一定滑轮、第二定滑轮、第一支架、第二支架及重球，第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮记录自身转动的圈数并将数据信息传送至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机将转动的圈数采集并传输至计算机换算成钢丝绳收放长度，并控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机根据换算得到的长度收放钢丝绳。本发明的装置和方法解决了现有土塞高度测量装置及方法难以适用于海上沉桩工况、安全风险高等问题。

主权项：1.一种沉桩过程管桩土塞高度监测装置，其特征在于包括：第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一定滑轮、第二定滑轮、第一支架、第二支架及重球，第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮架设在待测管桩同一外侧的监测平台的同一竖直面内且架设高度相同；第一定滑轮及第二定滑轮分别设置于待测管桩的预留孔孔壁内、外侧且设置高度相同；重球在待测管桩的桩孔内自然垂放至管内泥面，重球与第一钢丝绳及第二钢丝绳相连；第一钢丝绳依次绕过第一定滑轮、第二定滑轮、第一带编码器定滑轮后与第一电动卷扬机连接；第二钢丝绳依次绕过第一定滑轮、第二定滑轮、第二带编码器定滑轮后与第二电动卷扬机连接；第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机均电路连接至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机与计算机连接，第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮记录自身转动的圈数并将数据信息传送至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机将转动的圈数采集并传输至计算机换算成钢丝绳收放长度，并控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机根据换算得到的长度收放钢丝绳；所述第一定滑轮、第二定滑轮分别通过第一支架及第二支架安装固定于待测管桩预留孔孔壁,第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机均安置于所述监测平台上。

全文数据：沉桩过程管桩土塞高度监测装置及监测方法技术领域本发明涉及海洋岩土工程以及桩基工程技术领域，尤其涉及一种用于沉桩过程管桩土塞高度实时监测的装置及方法。背景技术钢管桩、混凝土管桩是一种常用的桩基础形式，在开口、部分开口管桩沉桩过程中，一部分桩端土进入桩内，形成土塞。管桩由于土塞引起的闭塞效应对于其沉桩过程影响显著，对于沉桩后管桩的承载性能同样起着关键作用。因此，研究管桩内土塞的形成过程土塞高度随桩入土深度变化规律对于管桩沉桩可行性预测、沉桩参数选择以及承载特性分析具有重要意义。已有的土塞高度实测方法可分为两种：一种是打桩中止后，在管桩口直接量测土塞深度以计算土塞高度；另一种是在管桩侧壁开孔，通过放置测绳直接量测土塞深度以计算土塞高度。由于沉桩过程一般是连续的，第一种方法无法获得沉桩过程中的土塞高度变化情况，第二种方法原则上可以用于监测沉桩过程中的土塞高度变化，但在侧壁开孔附近量测和读数需预先架设平台，自动化程度低，同时安全风险较高，在海上打桩，特别是采用吊锤施打时难以操作。随着海洋资源的不断开发利用，超长、大管桩在海洋工程中将被更多的应用，针对管桩土塞问题的研究将愈发必要，一种可适用于海上管桩沉桩过程土塞高度实时监测的装置及方法亟需提出。发明内容本发明的目的在于提供一种可应用于工程现场、简单便捷易操作的实时监测土塞高度的装置及方法，以有效解决现有土塞高度测量装置及方法难以适用于海上沉桩工况、安全风险高等问题。为了达到上述目的，本发明提供了一种沉桩过程管桩土塞高度监测装置，其包括：第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一定滑轮、第二定滑轮、第一支架、第二支架及重球，第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮架设在待测管桩同一外侧的监测平台的同一竖直面内且架设高度相同；第一定滑轮及第二定滑轮分别设置于待测管桩的预留孔孔壁内、外侧且设置高度相同；重球在待测管桩的桩孔内自然垂放至管内泥面，重球与第一钢丝绳及第二钢丝绳相连；第一钢丝绳依次绕过第一定滑轮、第二定滑轮、第一带编码器定滑轮后与第一电动卷扬机连接；第二钢丝绳依次绕过第一定滑轮、第二定滑轮、第二带编码器定滑轮后与第二电动卷扬机连接；第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机均电路连接至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机与计算机连接，第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮记录自身转动的圈数并将数据信息传送至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机将转动的圈数采集并传输至计算机换算成钢丝绳收放长度，并控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机根据换算得到的长度收放钢丝绳。具体地来说，所述第一定滑轮、第二定滑轮分别通过第一支架及第二支架安装固定于待测管桩预留孔孔壁。作为优选方式，第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机均安置于所述监测平台上。本发明的另一目的在于提供一种监测沉桩过程管桩土塞高度的方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种沉桩过程管桩土塞高度监测方法，其包括以下步骤：S1、打桩开始前，组装如权利要求1～3任一所述的沉桩过程管桩土塞高度监测装置，控制第一卷扬机及第二卷扬机收放，使第一钢丝绳及第二钢丝绳保持在绷紧状态，根据未收卷进卷扬机的钢丝绳总长度和带编码器定滑轮至卷扬机钢丝绳长度计算带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度作为初始长度；S2、测量并记录以下数据：第一带编码器定滑轮与待测管桩的水平距离l1，第二带编码器定滑轮与待测管桩的水平距离l2，第二定滑轮与待测管桩预留孔孔壁水平距离l3，第一定滑轮与待测管桩预留孔孔壁水平距离l4，第一带编码器定滑轮与监测平台垂直距离h3，监测平台与泥面垂直距离dW，第一定滑轮与待测管桩顶垂直距离LP1，待测管桩长度LP；S3、位置数据记录完毕，将编码器清零，准备打桩；S4、开始打桩，开口管桩打入土中，形成土塞，重球被抬高后通过编码器采集及卷扬机控制一体机和计算机控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机收卷钢丝绳并记录收卷长度，将初始长度减去收卷长度，即为当前第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度y1及y2；求得第一定滑轮至重球的高度为h1，以及第一顶滑轮至第一带编码器定滑轮的垂直距离为h2，b1＝l1-l32，b2＝l2-l32，b1＝y1-y22；S5、计算当前时刻的土塞高度和管桩入土深度：土塞高度＝LP-LP1-h1，管桩入土深度LP-LP1-h2-h3-dW。本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明可实时快速监测管桩沉桩过程中土塞高度随桩入土深度的变化情况，具有适用范围广、操作简单、自动化程度高、安全风险小的优点。附图说明图1是本发明沉桩过程管桩土塞高度监测装置整体示意图。图2是本发明沉桩过程管桩土塞高度监测装置各参数取值示意图。1.第一带编码器定滑轮，2.第二带编码器定滑轮，3.第一电动卷扬机，4.第二电动卷扬机，5.导线，6.编码器采集及卷扬机控制一体机，7.计算机，8.第一钢丝绳，9.第二钢丝绳，10.第一定滑轮，11.第二定滑轮，12.第一支架，13.第二支架，14.重球，15.监测平台，16.管桩，17.土塞，18.泥面，l1.第一带编码器定滑轮1与管桩16水平距离，l2.第二带编码器定滑轮2与管桩16水平距离，c1.第二定滑轮11与第一带编码器定滑轮1距离，c2.第二定滑轮11与第二带编码器定滑轮2距离，l3.第二定滑轮11与管桩16水平距离，l4.第一定滑轮10与管桩16水平距离，h1.第一定滑轮10与重球14垂直距离，h2.第一定滑轮10与第一带编码器定滑轮1垂直距离，h3.第一带编码器定滑轮1与监测平台15垂直距离，dW.监测平台15与泥面18垂直距离，LP1.第一定滑轮10与管桩16顶垂直距离，LP.管桩16长度。具体实施方式为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清晰直观的认识，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。如图1所示，在本发明沉桩过程管桩土塞高度监测装置第一带编码器定滑轮1、第二带编码器定滑轮2、第一电动卷扬机3、第二电动卷扬机4、编码器采集及卷扬机控制一体机6、计算机7、第一钢丝绳8、第二钢丝绳9、第一定滑轮10、第二定滑轮11、第一支架12、第二支架13及重球14，等。待测管桩外侧设置有监测平台，监测平台上安置有第一带编码器定滑轮1、第二带编码器定滑轮2、第一电动卷扬机3、第二电动卷扬机4、编码器采集及卷扬机控制一体机6、计算机7。第一带编码器定滑轮1、第二带编码器定滑轮2位于待测管桩同一侧相同的竖直面内,且两者架设高度相同。待测管桩的预留孔孔壁内、外侧分别固定有第一支架12、第二支架13，第一定滑轮10及第二定滑轮11分别通过第一支架12及第二支架13安装固定于待测管桩预留孔孔壁，且设置高度相同。重球14在待测管桩的桩孔内自然垂放至管内泥面，重球14与第一钢丝绳及第二钢丝绳相连；第一钢丝绳依次绕过第一定滑轮10、第二定滑轮11、第一带编码器定滑轮1后与第一电动卷扬机3连接；第二钢丝绳依次绕过第一定滑轮10、第二定滑轮11、第二带编码器定滑轮2后与第二电动卷扬机4连接；第一带编码器定滑轮1、第二带编码器定滑轮2、第一电动卷扬机3、第二电动卷扬机4均电路连接至编码器采集及卷扬机控制一体机6，编码器采集及卷扬机控制一体机6与计算机7连接，第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮记录自身转动的圈数并将数据信息传送至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机将转动的圈数采集并传输至计算机换算成钢丝绳收放长度，并控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机根据换算得到的长度收放钢丝绳。本发明的监测方法，包括以下步骤：S1、打桩开始前，组装上述沉桩过程管桩土塞高度监测装置：将第一带编码器定滑轮1、第二带编码器定滑轮2架设在监测平台15上，并分别通过导线5与编码器采集及卷扬机控制一体机6连接；第一电动卷扬机3、第二电动卷扬机4通过导线5与编码器采集及卷扬机控制一体机6连接；编码器采集及卷扬机控制一体机6通过导线5与计算机7连接；将第一定滑轮10、第二定滑轮11分别通过第一支架12、第二支架13安装固定于管桩16预留孔内、外壁上；将重球14与第一钢丝绳8、第二钢丝绳9一端连接，置于管桩16预留孔内并自然垂放至管内泥面；两根钢丝绳共同先后绕过第一定滑轮10、第二定滑轮11，然后分别绕过第一带编码器定滑轮1、第二带编码器定滑轮2并分别与第一电动卷扬机3、第二电动卷扬机4连接。控制卷扬机收放，使两根钢丝绳保持在绷紧状态。根据未收卷进卷扬机的钢丝绳总长度和带编码器定滑轮至卷扬机钢丝绳长度计算带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度作为初始长度。S2、用尺子测量并记录以下数据：第一带编码器定滑轮1与管桩16水平距离l1，第二带编码器定滑轮2与管桩16水平距离l2，第二定滑轮11与管桩16水平距离l3，第一定滑轮10与管桩16水平距离l4，第一带编码器定滑轮1与监测平台15垂直距离h3，监测平台15与泥面18垂直距离dW，第一定滑轮10与管桩16顶垂直距离LP1，管桩16长度LP。S3、位置数据记录完毕，将编码器清零，准备打桩。S4、开始打桩，管桩16打入土中，形成土塞17，重球14被抬高。通过编码器采集及卷扬机控制一体机6和计算机7控制电动卷扬机收卷钢丝绳并记录收卷长度，将初始长度减去收卷长度，即为当前带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度。记第一、第二带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度分别为y1、y2。第一定滑轮12至重球14的高度为h1，以及第一顶滑轮12至第一带编码器定滑轮1的垂直距离为h2可按如下方法计算：b1＝l1-l32，b2＝l2-l32，b1＝y1-y22。S5、计算当前时刻的土塞17高度和管桩16入土深度：土塞高度＝LP-LP1-h1，管桩入土深度LP-LP1-h2-h3-dW。上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

权利要求：1.一种沉桩过程管桩土塞高度监测装置，其特征在于包括：第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机、第一钢丝绳、第二钢丝绳、第一定滑轮、第二定滑轮、第一支架、第二支架及重球，第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮架设在待测管桩同一外侧的监测平台的同一竖直面内且架设高度相同；第一定滑轮及第二定滑轮分别设置于待测管桩的预留孔孔壁内、外侧且设置高度相同；重球在待测管桩的桩孔内自然垂放至管内泥面，重球与第一钢丝绳及第二钢丝绳相连；第一钢丝绳依次绕过第一定滑轮、第二定滑轮、第一带编码器定滑轮后与第一电动卷扬机连接；第二钢丝绳依次绕过第一定滑轮、第二定滑轮、第二带编码器定滑轮后与第二电动卷扬机连接；第一带编码器定滑轮、第二带编码器定滑轮、第一电动卷扬机、第二电动卷扬机均电路连接至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机与计算机连接，第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮记录自身转动的圈数并将数据信息传送至编码器采集及卷扬机控制一体机，编码器采集及卷扬机控制一体机将转动的圈数采集并传输至计算机换算成钢丝绳收放长度，并控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机根据换算得到的长度收放钢丝绳。2.根据权利要求1所述的沉桩过程管桩土塞高度监测装置，其特征在于，所述第一定滑轮、第二定滑轮分别通过第一支架及第二支架安装固定于待测管桩预留孔孔壁。3.根据权利要求1所述的沉桩过程管桩土塞高度监测装置，其特征在于，第一电动卷扬机、第二电动卷扬机、编码器采集及卷扬机控制一体机、计算机均安置于所述监测平台上。4.一种沉桩过程管桩土塞高度监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、打桩开始前，组装如权利要求1～3任一所述的沉桩过程管桩土塞高度监测装置，控制第一卷扬机及第二卷扬机收放，使第一钢丝绳及第二钢丝绳保持在绷紧状态，根据未收卷进卷扬机的钢丝绳总长度和带编码器定滑轮至卷扬机钢丝绳长度计算带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度作为初始长度；S2、测量并记录以下数据：第一带编码器定滑轮与待测管桩的水平距离l1，第二带编码器定滑轮与待测管桩的水平距离l2，第二定滑轮与待测管桩预留孔孔壁水平距离l3，第一定滑轮与待测管桩预留孔孔壁水平距离l4，第一带编码器定滑轮与监测平台垂直距离h3，监测平台与泥面垂直距离dW，第一定滑轮与待测管桩顶垂直距离LP1，待测管桩长度LP；S3、位置数据记录完毕，将编码器清零，准备打桩；S4、开始打桩，开口管桩打入土中，形成土塞，重球被抬高后通过编码器采集及卷扬机控制一体机和计算机控制第一电动卷扬机及第二电动卷扬机收卷钢丝绳并记录收卷长度，将初始长度减去收卷长度，即为当前第一带编码器定滑轮及第二带编码器定滑轮至重球的钢丝绳长度y1及y2；求得第一定滑轮至重球的高度为h1，以及第一顶滑轮至第一带编码器定滑轮的垂直距离为h2，b1＝l1-l32，b2＝l2-l32，b1＝y1-y22；S5、计算当前时刻的土塞高度和管桩入土深度：土塞高度＝LP-LP1-h1，管桩入土深度LP-LP1-h2-h3-dw。

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