一种灌注桩的混凝土-泥浆界面检测装置及方法

技术领域

本发明属于混凝土检测技术领域，具体涉及一种灌注桩的混凝土-泥浆界面检测装置及方法。

背景技术

随着高层建筑的增加，地下空间纵深方向的逐渐加深，桩基础得到了广泛应用。混凝土灌注桩具备承载力高，地层适应性广等技术优势，已成为主要的桩基础形式之一。在国内上海、天津等以混凝土灌注桩作为基础承力构件的软土地区，为保证大型桩基设备具备足够的地基承载力，往往需先施工混凝土灌注桩，而后进行基坑开挖。桩基空钻长度通常较长，一般在5米以上，灌注混凝土过程中，由于浮浆层的影响，在地下5米以下精准定位混凝土灌注面位置是很困难的，存在超灌现象。在基坑开挖后，超灌混凝土部分需要被凿除，如混凝土超灌高度控制不利，既浪费混凝土、增加成本，又耗费工时延误工期及污染环境。这对混凝土灌注高度的精确控制提出了挑战。

目前，在施工现场测量钻孔灌注桩标高的方法主要有测锤法和插筋法，虽然两种方法操作简便，但都取决于工作人员的经验，不依靠设备辅助，这增加了混凝土灌面控制的不确定性，实际作业也证明这两种方法往往存在超灌现象，为后续工程造成成本和难度的增加。

为满足监测技术的自动化和高效性，越来越多工程师开始从混凝土的物性参数入手监测界面动态进而控制混凝土灌注标高。中国专利CN201410833047.6利用水、泥浆和混凝土的电阻抗差别，通过测量混凝土界面的电性能差异检测是否达到设计标高，但由于施工方式造成泥浆和混凝土上下翻动、混凝土浮浆和带有骨料的混凝土的电参数接近等原因，得不到稳定、易于区分混凝土界面的有效电阻抗差别系数。为解决此问题，中国专利CN201911338295.2公开了一种力电互补的超灌检测装置，电参数法与力参数法优势互补，互相验证，克服电参数法的不稳定性和力参数法的设备回收率低等缺陷，但方法并未将电参数法和力参数法完全结合起来，只是先后的验证关系。中国专利CN201711369589.2公开了一种通过测量叶轮在不同介质中的阻力矩来控制混凝土灌面标高的装置，但此装置由于连杆机构需要预先测定，不适合设计标高距离自然地面较深的钻孔，设备较笨拙。

目前，囿于成本过高，操作性较差，很少有设备能投入大量使用。因而，研制一种成本低、可控性好、精度高、利于施工现场操作的测量监测装置，准确控制混凝土超灌高度是亟待解决的问题。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提出一种灌注桩的混凝土-泥浆界面检测装置及方法，提供了一种利用动能和电能之间的能量转化，通过简易的电动装置带动转杆转动，将动能传递给位于磁场中的闭合导体，最终利用闭合导体在磁场中转动产生的电流信号变化来实时监测混凝土灌注界面变化的装置。

本发明采用如下技术方案：

一种灌注桩的混凝土-泥浆界面检测装置，所述装置包括壳体、电动装置、磁生电装置、电流信号监测装置和电动机校验装置，所述壳体内设有电动装置和磁生电装置，所述电动装置为依次连接的电动机、转杆、叶片，所述磁生电装置包括闭合导体、磁铁，所述闭合导体与转杆相连，所述闭合导体设置于磁铁围成的磁场内，所述磁生电装置与电流信号监测装置相连，所述电动机与电动机校验装置相连。

进一步地，所述壳体上下两端分别设有密封胶垫。

一种灌注桩的混凝土-泥浆界面检测方法，采用混凝土-泥浆界面检测装置，检测步骤如下：

标定：确定灌注停止时的标定电流大小，正式灌注前，进行探头的校验：给电动机提供额定功率，使转杆转动，分别将探头叶片置于空气、与实际工作现场等效密度的泥浆和混凝土中，分别观测三种情况下电流监测装置中的电流变化，当三种情况下电流稳定值出现差异时探头有效工作，并将置于混凝土中的稳定电流读数作为混凝土灌注停止的标定电流值；

下放钢筋笼：将混凝土-泥浆界面检测装置安装在钢筋笼上，下放钢筋笼至探头安装处，即混凝土桩设计桩顶标高位置，将检测装置捆扎在钢筋笼对应的位置处；

混凝土灌注：使用料斗、套筒灌注混凝土，在混凝土灌注的过程中，给检测装置提供额定功率，观测叶片处于空气、泥浆、泥浆和混凝土混合液、混凝土介质中万用表中电流的变化，当电流未达到标定电流的范围内，重复上述过程；

停止灌注：当万用表所测电流值达到标定值范围内，此时停止灌注混凝土；

所述混凝土-泥浆界面检测装置包括壳体、电动装置、磁生电装置、电流信号监测装置和电动机校验装置，所述壳体内设有电动装置和磁生电装置，所述电动装置为依次连接的电动机、转杆、叶片，所述磁生电装置包括闭合导体、磁铁，所述闭合导体与转杆相连，所述闭合导体设置于磁铁围成的磁场内，所述磁生电装置与电流信号监测装置相连，所述电动机与电动机校验装置相连。

与现有技术相比，本发明的优点与效果在于：

1、原理简单，成本低。本发明摒弃复杂的原理，通过不同介质对叶片的旋转阻力差异和简易磁生电装置进行动能和电能的相互转换，进而将以往设计中复杂的力矩计算转换成电流变化的观测，降低装置的制造成本，可适用于大规模的钻孔灌注桩工程，经济效益可观，可推广应用，达到工程实际应用的目的。

2、灵敏度高，准确性好。本发明利用磁生电时导体切割磁感线的转速不同产生的电流差异，反应叶片受到的介质阻力不同。实践证明，当叶片在不同介质中转动时，电流变化明显，区分度较高，因而可以通过电流变化反应介质的差异。

3、精准定位，降低工程成本。本发明叶片位置正好位于桩顶设计标高处，可以准确控制钻孔的灌注高度，降低混凝土用量，减少混凝土弃块量，降低工程成本。

4、仪器轻便、适用范围广。本发明将电机和磁生电装置统一安装在壳体中制作成探头，再通过导线与电信号监测系统连接，可适用于自然地面与设计桩顶标高距离较大的施工环境。本发明预设电流阈值适应不同泥浆配方和不同标号的混凝土，拓宽了监测范围。

附图说明

图1为本发明鉴别混凝土界面检测探头的结构示意图；

图2为本发明实施例的说明示意图；

图3为本发明中电信号监测和电动机校验装置电路图。

图中：1-壳体、2-电动机、3-闭合导体、4-磁铁、5-转杆、6-叶片、7-电流信号监测和电动机电流校验装置、8-钢筋笼、9-料斗、10-套筒。

具体实施方式

为使本发明的上述目的明确、特征突出和优势明显，下面将结合本发明中的附图，对发明的技术方案进行清楚、完整的描述。需要说明的是，本发明附图采用简化形式示意图，并未使用精确的比例作图，仅用于简单地、清晰地表达本发明的实施例。

本发明包括一种包含壳体、电动装置、简易磁生电装置、电流信号监测装置和电动机校验装置的装置。

作为优选，所述壳体内部设有电动装置和磁生电装置。所述电动装置将电机、转杆和叶片连接，磁生电装置与所示电流信号监测装置连接。所述壳体、电动装置、磁生电装置和转动叶片构成一个检测探头。

作为优选，所述叶片与转杆底部连接，主要目的是为了通过所述电动装置带动叶片转动，根据叶片在不同介质中的阻力差异获取不同的动能并传递给磁生电装置。

作为优选，所述电动装置包括电动机和转杆，主要特征在于给所述电动机额定功率，通过所述转杆带动所述叶片在不同介质中转动，由于叶片受到的阻力不同获而取不同的动能。作为优选，所述磁生电装置包括磁铁、闭合导体。主要特征在于闭合导体和所述转杆连接，通过所述转杆的转动带动闭合导体线圈在磁场中做切割磁感线运动，将产生的电能传递给电流信号监测装置。转杆在不同介质中受到的阻力不同，转杆带动导体做切割磁感线运动的速度不同，产生的电流大小有差异。

作为优选，所述电流信号监测装置主要是通过利用万用表中的电流读数实现混凝土灌面高度的预警，进而准确控制混凝土灌注高度。

作为优选，为保证上述电信号监测装置的读数正确性，设置电动机电流校验装置，此装置主要利用电流互感器监测电动机电流动态变化，一方面防止由于“过流”、“过压”、“卡转”现象破坏探头，一方面校验上述电流信号监测装置的电流读数，时刻掌握电动机功率变化。

本发明的目的在于提供一种利用上述判定混凝土界面的装置防止混凝土超灌过量，包括以下步骤：

标定：确定灌注停止时的标定电流大小。正式灌注前，首先进行探头的校验，具体校验方式为：给电动机提供额定功率，使转杆转动，分别将探头叶片置于空气、与实际工作现场等效密度的泥浆和混凝土中，分别观测三种情况下电流监测装置（万用表）中的电流变化，当三种情况下电流稳定值出现差异时证明探头可以有效工作，并将置于混凝土中的稳定电流读数作为混凝土灌注停止的标定电流值。

下放钢筋笼：安装此探头在钢筋笼上。下放钢筋笼至探头安装处，即混凝土桩设计桩顶标高位置，将检测探头捆扎在钢筋笼对应的位置处，确保探头牢固后，继续下放钢筋笼。

混凝土灌注：在混凝土灌注的过程中，给电动机提供额定功率，使转杆转动，带动叶片和闭合导体转动，实时观测叶片处于空气、泥浆、泥浆和混凝土混合液、混凝土介质中万用表中电流的变化。当电流未达到标定电流的范围内，重复上述过程。

停止灌注：当万用表所测电流值达到标定值范围内，说明混凝土已经浇灌至设定标高，此时停止灌注混凝土。

收回检测探头：检测完成后，超灌检测装置关机，将探头从混凝土中拔出。

本发明利用不同介质中不同的旋转阻力作为基础、闭合导体在线圈中切割磁感线运动作为媒介实现电能向动能、动能向电能的转换。利用电流标定控制混凝土灌注面位置。

本发明所有的元器件都是包含在壳体中，通过导线与外部电流监测装置和电动机校验装置连接，一方面观测不同介质中的电流差异，一方面观测电动机的电流变化，两者相互校验，保证结果的准确性。

实施例1

本发明提供一种利用简单磁生电原理监测钻孔灌注桩混凝土灌注标高的装置，控制超灌并防止少灌现象，实现资源节约、环境保护的目的。监测装置如图1所示。主要包括由壳体1、电动装置（2、5）、简易磁生电装置（3、4）组成的探头，以及电流信号监测和电动机电流校验装置7。

具体实施方法参见图2，根据所述标定实验确定标定电流值（标定方法不在赘述），在下放钢筋笼8过程中，将探头用扎带捆扎于与桩顶设计标高对应的位置处；然后进行桩口套筒10和料斗9的安装并进行混凝土的灌注；灌注到一定程度，打开装置供电，为所述电动机2提供额定功率，装置开始正式工作；叶片6会在不同介质中发生不同转速的转动，所述转杆5将不同的动能传递给所述闭合导体3，所述闭合导体3在所述磁铁4形成的磁场中切割磁感线产生电流，根据电流监测而控制灌注高度。

所述壳体1定型为尺寸是底面半径约5-20cm，高20-50cm的圆柱体，选用不锈钢材料，防止生锈，延长使用寿命。所述壳体1上下两端分别连接有密封胶垫，用以隔开电元件与混凝土的直接接触，保护装置。

所述电动装置主要由所述电动机2和转杆5组成。电动机2通过导线与供电装置连接，给电动机恒定电流获取额定功率带动转杆5转动，转杆5上的所述叶片6随转杆5同步转动；当叶片6分别在水、泥浆、泥浆混凝土混合液和混凝土等不同介质中转动时，遇到的阻力不同，阻碍转杆5转动。由于电动机2功率一定，提供的电能一定，转化到转杆5上的动能一定，当叶片6遇到不同阻力时，转杆5转动的转速不同，连接在转杆5上的闭合导体3转速发生相应变化，进而导致导体切割磁感线产生的电流大小不同；将导体切割磁感线产生的电流输出，利用所述电流信号监测装置7（内含万用表）测量电流的大小，实时监测电流信号的大小；根据输出电流的大小，来判定叶片6转动所处的不同介质，进而进行混凝土界面的标定，准确控制混凝土灌面的高度。

所述电流信号监测装置和电动机校验装置7包括电流信号监测装置和电动机校验装置，其电路图见图3。电流信号监测装置通过输入端In1和输出端Out1与磁生电装置的闭合导体3、磁铁4连接成闭合回路，实时监测感应电流的变化，判定叶片6所处的液体环境。在整个实施过程中，电动机电流校验装置通过输入端In2和输出端Out2与电动机2连接成闭合回路，并在电路中安装电流互感器，监测所述电动机2中的电流变化，防止不同阻力对电动机功率影响而造成电流监测装置的读数误差并保护探头安全。

所述叶片6安装在转杆5的底部，叶片位置放置于桩顶设计标高处，根据水、泥浆和混凝土等介质对叶片6的旋转阻力不同，获取叶片6不同的转速并将动能信息通过所述转杆5传递给闭合导体3，带动所述闭合导体3的转动。

所述磁生电装置主要由磁铁4和闭合导体3组成。作为一种实施方案，将磁铁4焊接与所述壳体壁上形成磁场，闭合导体3安装于所述转杆5上，处于磁场之中。当闭合导体3接收转杆5传送的动能之后，在磁场中做切割磁感线运动，将动能转换为电能并传递电流给电流信号监测装置。

通过以上实施方案达到准确控制混凝土超灌高度的目的，控制混凝土用量，减少混凝土浪费，节约成本；操作简便，降低施工难度；减少超灌凿除量，保护环境。