一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置及其测试方法。

背景技术

灌注桩、地下连续墙等是一种常见基础处理方法，被广泛运用在工程建设领域地基处理中。灌注桩、地下连续墙作业属于隐蔽工程施工，目前通常采用泥浆护壁水下浇筑工艺，现有技术尚无法准确获知水下浇筑混凝土施工中浇筑面上升在填筑过程中的准确实时位置，目前主要通过测绳人工测量法估测导管内外混凝土高差，基于经验判断混凝土导管末端埋入混凝土浇筑层深度和浇筑面高度，并以此决定浇筑过程中的拔管时间，人为控制拔管高度。上述工艺方法不易受控，若导管提升过早则容易出现填筑不均、夹泥夹浆现象；若提升过晚将导致导管拔管困难，强行抽管将破坏地下连续墙整体性且易堵管，甚至引起埋管事故。鉴于地下连续墙隐蔽施工特性，内部质量问题不易发现，一旦墙体成型缺陷形成将严重影响结构安全可靠性。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置及其测试方法，依据水下浇筑混凝土工艺特点，由混凝土材料介电常数差异性，通过自动化质量监控测试装置实现准确识别与判定浇筑段填筑过程实时充填料层位置，从而为施工人员准确判定混凝土导管埋深与控制拔管节奏提供可靠依据。

技术方案：本发明提供了一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置，包括自由收放装置、采集装置以及控制处理模块，所述自由收放装置上设有驱动电机，其通过线缆连接有采集装置，所述自由收放装置的驱动电机、采集装置均与所述控制处理模块连接，所述控制处理模块用于控制自由收放装置的线缆下放或者上拉且用于所述采集装置的数据采集与数据处理；当所述自由收放装置控制线缆下放时，所述采集装置为张开状态；当所述自由收放装置控制线缆上拉时，所述采集装置为收缩状态，且所述控制处理模块采集物质的介电常数且对其进行数据处理。

进一步地，所述自由收放装置还包括与所述驱动电机输出轴连接的线缆收放滚轴，所述线缆卷于所述线缆收放滚轴上，所述驱动电机与所述控制处理模块电性连接。

进一步地，所述采集装置包括采集上端、采集下端以及抓取控制端；所述采集上端为半密闭空间，其包括密封圈、电源板以及上端盖，所述密封圈密封于所述上端盖上，所述线缆穿过所述密封圈，所述电源板与所述上端盖扣合，所述电源板中间位置设置电源板通孔；所述采集下端包括一端铰接于所述电源板的若干个专用电极板，所述电源板可使其下方专用电极板分别带有正电极与负电极，以测量正负两极板之间材料的介电常数；所述抓取控制端包括固定于线缆自由端的配重铅球，所述配重铅球上铰接有与所述专用电极板个数相同的刚性杆，所述刚性杆另一端分别铰接于其对应的专用电极板上；所述配重铅球在所述电源板通孔内随所述线缆上下移动，所述刚性杆带动所述专用电极板呈张开或收缩状态。

进一步地，所述密封圈位于上端盖内侧的侧壁设有数据传输开关，所述数据传输开关通过导线与所述控制处理模块连接，用于控制控制处理模块进行数据采集与数据处理。

进一步地，每个所述专用电极板上均设置有一对方形孔洞。

进一步地，所述专用电极板个数为4个。

进一步地，所述控制处理模块包括A/D转换模块、MCU控制芯片以及无线射频模块、GPRS无线通信模块，其均与电源模块连接；所述无线射频模块、GPRS无线通信模块与所述MCU控制芯片连接，用于MCU控制芯片与终端实时通讯；所述数据传输开关通过A/D转换模块与所述MCU控制芯片连接，用于控制控制处理模块进行数据采集与数据处理；所述驱动电机与所述MCU控制芯片的信号输出端连接，用于控制驱动电机的开启与关闭。

进一步地，所述自由收放装置、控制处理模块均设置于小车内，所述小车底部设置有滚轮。

本发明还公开了一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试方法，该测试方法基于上述质量监控测试装置，包括如下步骤：

步骤1：控制处理模块控制驱动电机实现线缆向下移动，配重铅球自重带动采集装置下行，配重铅球下行穿过电源板通孔，带动刚性杆使专用电极板呈张开状态；

步骤2：当处于抓取测试位置时，控制处理模块控制驱动电机实现线缆向上拉升移动，配重铅球在线缆作用下向上移动至密封圈位置，带动刚性杆使专用电极板呈收缩状态，实现抓取；

步骤3：在步骤2作用下，配重铅球顶住密封圈下的数据传输开关，开启控制处理模块数据采集与数据处理；

步骤4：MCU控制芯片对数据采集处理后根据采集物质的介电常数以及已建立的介电常数与材料类别关系模型判断地下连续墙各位置材料种类属性，根据线缆下放长度判断水下混凝土的有效填充位置，通过无线射频模块、GPRS无线通信模块将数据传输至终端进行数据显示。

有益效果：

1、本发明公开了一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置，实现专门水下桩墙混凝土填筑层高度的动态取样采集。基于水下混凝土与泥浆以及水分介电常数差异性原理，通过不断抓取确定深度位置的混凝土或桩墙孔内混合物介质料样，测试其实际分布的介电常数值，并以此判断水下混凝土的有效填充位置，解决了传统施工过程依靠工作人员经验判断或采用测绳间接推断混凝土填筑层位不够准确的实际难题，提供了一种不影响传统作业工序前提下可智能化辅助施工人员有效控制混凝土浇筑和拔管的准确方法。

2、该装置可实现连续测量槽段、桩孔内各部位介质介电常数，进而推求各高程位置材料类别等，破解传统施工过程中地下连续墙填筑过程料层变化不可知(尤其是深层)难题。

3、该装置多处可自由拆卸有利于日后保管与维护，专用电极片采用镂空结构形式便于有效抓取样本不失真与便捷高效性，而且便于后期清理，大大提高了装置的灵活性与重复使用功能。

4、该装置采用无线传输技术通过电脑终端直接控制测试装置数据通信和开合等动作，简化了装置使用复杂度，使用者可轻松掌握并可靠应用于地下连续墙施工过程。

附图说明

图1为本发明装置应用于地下连续墙填筑层动态采集的示意图；

图2为本发明质量监控测试装置中采集装置的专用电极板为张开状态结构示意图；

图3为本发明质量监控测试装置中采集装置的专用电极板为收缩状态结构示意图；

图4为本发明质量监控测试装置中控制处理模块结构框图；

图5为本发实施例中混合材料介电常数代表值；

图6为本发明实施例中不同混合状态下的泥浆混凝土样品平均抗压强度。

其中，1-自由收放装置，2-采集装置，3-终端，4-电源模块，5-控制处理模块，6-驱动电机，7-线缆，8-线缆收放滚轴，9-密封圈，10-上端盖，11-电源板，12-电源板通孔，13-专用电极板，14-配重铅球，15-刚性杆，16-数据传输开关，17-孔洞，18-小车，19-滚轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明为了解决现有技术中存在的传统施工过程依靠工作人员经验判断或采用测绳间接推断混凝土填筑层位不够准确的实际难题，公开了一种水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置，主要包括自由收放装置1、采集装置2以及控制处理模块5，自由收放装置1上设有驱动电机6，其通过线缆7连接有采集装置2，自由收放装置1的驱动电机6、采集装置2均与控制处理模块5连接，控制处理模块5用于控制自由收放装置1的驱动电机6转动，带动线缆7下放或者上拉且用于控制采集装置2的数据采集与数据处理。当自由收放装置1控制线缆7下放时，采集装置2为张开状态；当自由收放装置1控制线缆7上拉时，采集装置2为收缩状态，当采集装置2为收缩状态时，控制处理模块5采集物质的介电常数且对其进行数据处理。

本实施方式中，自由收放装置1还包括与驱动电机6输出轴连接的线缆收放滚轴8，线缆7卷于线缆收放滚轴8上，驱动电机6与控制处理模块5电性连接。控制处理模块5用于控制驱动电机6转动，进而实现线缆7的下放于上拉。

本实施方式中，采集装置2包括采集上端、采集下端以及抓取控制端。采集上端与采集下端为可拆卸式的连接，采集上端为半密闭空间，其包括密封圈9、电源板11以及上端盖10，密封圈9密封于上端盖10上，线缆7穿过密封圈9，电源板11与上端盖10扣合，电源板11中间位置设置电源板通孔12，这样这个采集上端是除了电源板通孔12，其他地方为密闭状态，线缆7可以在密封圈9内上下移动。采集下端包括一端铰接于电源板11的若干个专用电极板13，电源板10可使其下方专用电极板11分别带有正电极与负电极，以测量正负两极板之间材料的介电常数。本实施方式中使用的是4片专用电极板13。抓取控制端包括固定于线缆7自由端的配重铅球14，配重铅球14上铰接有与专用电极板13个数相同的刚性杆15，刚性杆15另一端分别铰接于其对应的专用电极板13上；配重铅球14随驱动电机6转动，在线缆7的带动下在电源板通孔12内随线缆7上下移动，刚性杆15带动专用电极板13呈张开或收缩状态。

密封圈9位于上端盖10内侧的侧壁设有数据传输开关16，数据传输开关16通过导线与控制处理模块5连接，用于控制控制处理模块5进行数据采集与数据处理。当配重铅球14在线缆7作用下向上移动时，配重铅球14一直移动至密封圈9位置，当其顶住数据传输开关16时，开启控制处理模块5进行数据采集与数据处理。

在每个专用电极板13上均设置有一对方形孔洞17，用于减少测量过程采集装置2内部材料残余，且便于使用之后清洗。

本实施方式中，控制处理模块5包括A/D转换模块、MCU控制芯片以及无线射频模块、GPRS无线通信模块，其均与电源模块4连接；无线射频模块、GPRS无线通信模块与MCU控制芯片连接，用于MCU控制芯片与终端3实时通讯；数据传输开关16通过A/D转换模块与所述MCU控制芯片连接，用于控制控制处理模块5进行数据采集与数据处理；驱动电机6与MCU控制芯片的信号输出端连接，用于控制驱动电机6的开启与关闭。控制处理模块5的结构框图参见附图4。MCU采用STM32F103芯片，无线射频模块采用WSN-31无线串口。控制处理模块5与终端3通过无线射频模块、GPRS无线通信模块实时通讯，接收终端3发出的收放指令控制驱动电机6下放或拉升线缆7；同时依据线缆7下放长度作为判断依据计算下方采集装置2所处高程位置。

采集装置2内材料介电常数通过数据传输开关的导线传输至控制处理模块5中。测量结果传输至控制处理模块5中，最终通过无线通讯传输至终端3，并通过已建立的介电常数与材料类别关系模型判断了解地下连续墙各位置材料种类属性，为施工人员控制混凝土导管位置与判断填筑质量提供可靠依据。

自由收放装置1、控制处理模块5均设置于小车18内，小车18底部设置有滚轮19。在滚轮19配合下进行水平移动，可将采集装置2下放至地下连续墙各个位置，位置信息也将实时传递至终端3中。

本发明水下桩墙混凝土浇筑质量监控测试装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤1：控制处理模块5控制驱动电机6实现线缆7向下移动，配重铅球14自重带动采集装置2下行，配重铅球14下行穿过电源板通孔12，带动刚性杆15使专用电极板13呈张开状态；

步骤2：当处于抓取测试位置时，控制处理模块5控制驱动电机6实现线缆7向上拉升移动，配重铅球14在线缆7作用下向上移动至密封圈9位置，带动刚性杆15使专用电极板13呈收缩状态，实现抓取；

步骤3：在步骤2作用下，配重铅球14顶住密封圈9下的数据传输开关16，开启控制处理模块5数据采集与数据处理；

步骤4：MCU控制芯片对数据采集处理后根据采集物质的介电常数以及已建立的介电常数与材料类别关系模型判断地下连续墙各位置材料种类属性，根据线缆下放长度判断水下混凝土的有效填充位置，通过无线射频模块、GPRS无线通信模块将数据传输至终端进行数据显示。

下面基于水下混凝土与泥浆介电常数差异性显著原理，利用本发明测试装置进行予以证明，分别测试泥浆层与流态混凝土物理状态差异特性的介电常数及相关变化阈值关系，并证明本发明实际应用的可实施性。

本实施例提供了某配合比水下混凝土及上部泥浆分层与不同混合过渡状态下，测试装置测试过程及分析方法。其中：

(1)混凝土原材料：水泥选用P.O42.5水泥；细骨料选用细度模数为2.8的天然河沙；粗骨料选用连续级配的人工碎石5-20mm；外加剂采用聚羧酸高效减水剂；自来水。

(2)泥浆原材料：膨润土；羧甲基纤维素；自来水。

(3)混凝土与混合泥浆配合比：

表1混凝土配合比

(单位：kg/m

表2泥浆配合比

(4)检测分析过程

检测开始前，按上述配合比配置拌合混凝土和混合泥浆，随后将两种材料按表3所示比例混合。

表3材料混合比例

完成上述准备工作后，利用本发明所述测试装置，至下而上实体测试各种混合状态下的材料的介电常数代表值如图4所示。

根据试验结果易知，本发明所述的测试装置，对于水下混凝土浇筑过程中泥浆与混凝土的混合过度状态可明显判别并加以区分，并以此进行以下验证试验。

按表3不同混合状态下的泥浆混凝土制样，成型后养护28d，抗压强度如图5所述。

根据上述结果，当混合样品中混凝土占比超过90％，样品的介电常数代表值趋于稳定，且抗压强度满足要求并接近混凝土真实抗压强度。所以本发明测试装置及其测试方法可以根据采集物质的介电常数以及已建立的介电常数与材料类别关系模型判断地下连续墙各位置材料种类属性，利用上述装置方法检测泥浆层与流态混凝土物理状态差异特性阈值稳定可靠，从而为施工人员准确判定混凝土导管埋深与控制拔管节奏提供可靠依据。

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。