一种用于海上碎石桩施工的实时监控方法

技术领域

本发明涉及一种用于海上碎石桩施工的实时监控方法。

背景技术

碎石桩是以碎石(卵石)为主要材料制成的复合地基加固桩。碎石桩和砂桩在国外统称为散体桩或粗颗粒土桩。所谓散体桩是指无粘结强度的桩，由碎石柱或碎石桩等散体桩和桩间土组成的复合地基亦可称为散体桩复合地基。在国内外广泛应用的碎石桩、砂桩、渣土桩等复合地基都是散体桩复合地基。

振冲碎石桩的质量最主要的应以桩体充分密实为原则，它与成孔的进度、填料量、留振时间密切相关，只有在一定的填料量的情况下，才能达到一定的密实电流。也需要一定的留振时间，才能把填料振冲成桩。

现有的振冲碎石桩施工主要依靠操作手人工判别，由于操作手经验、熟练程度与操作技巧因人而异，成桩质量缺乏科学定量的评价标准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种用于海上碎石桩施工的实时监控方法，它能正确指导碎石桩的施工，有效控制碎石桩的成桩质量。

本发明的目的是这样实现的：一种用于海上碎石桩施工的实时监控方法，基于PLC监控系统，该PLC监控系统包括GPS定位系统、雷达测距仪、称重传感器、编码器和主控制器；

所述GPS定位系统设在碎石桩施工船的驾驶室的顶部，该GPS定位系统用于确定碎石桩施工船在工程坐标系中的位置、方向和姿态，从而确定碎石桩的位置；

所述雷达测距仪设在桩管顶部的进料斗中，该雷达测距仪用于实时测量桩管内料位面的高度；

所述称重传感器设在碎石桩施工船的计量斗的下方；该称重传感器用于计量每次加入桩管内的碎石料的重量；

所述编码器安装在碎石桩施工船的吊桩绞缆机的伺服电机上，该编码器用于实时测控桩管在下沉过程中和桩管在提升过程中的桩底标高；

所述主控制器设在碎石桩施工船的驾驶室，该主控制器分别与所述编码器、称重传感器和雷达测距仪信号连接；

所述实时监控方法包括以下步骤：

步骤一，先在主控制器的显示屏中设置碎石桩的参数，包括桩管的内径d1、碎石桩的直径d2、碎石桩的顶标高h1和碎石桩的底标高h2；

主控制器根据公式(1)计算碎石桩的桩长H：

H＝h1-h2 (1)

公式(1)中，h1为碎石桩的顶标高，h2为碎石桩的底标高；

主控制器根据公式(2)计算碎石桩的理论用碎石料的重量V0；

V0＝π×d2

公式(2)中，d2为碎石桩的直径，也即为桩管的桩尖扩径段的内径；

主控制器根据公式(3)计算计量斗装载碎石料的重量V3：

V3＝M/ρ (3)

公式(3)中，M为计量斗装载碎石料的质量，ρ为碎石料的松散密度；

主控制器根据公式(4)计算在成桩过程中加入桩管内的碎石料所需要计量斗的斗数X：

X＝V0/V3 (4)

若X为非整数时，要手动控制计量斗内的碎石料的重量；

主控制器根据公式(5)计算桩管内腔的每米体积V4：

V4＝π×d1

公式(5)中，d1为桩管的内径；

主控制器根据公式(6)计算每计量斗的碎石料在桩管内形成的高度h3：

h3＝V4/V3 (6)

步骤二，先关闭桩管的上导门和下导门，利用桩管的自重沉放；当桩管的底部接近泥面时，开启加压设备，向桩管内加压以排出桩管内的水，通过雷达测距仪监测桩管内的水面高度，直至桩管内的水面高度为1～2m，停止加压，在持压状态下继续沉管；在桩管无法下沉时，开启振动锤振沉桩管，当桩管入土层深度为1～2m时，打开上导门减压放气，并通过皮带运输机和提升斗与计量斗的相互配合输送碎石料，将碎石料分次输送到桩管顶端的进料斗，由进料斗向桩管内投加两计量斗的碎石料；

步骤三，关闭上导门，再次向桩管内加压，然后在持压状态下继续振设桩管至设计桩底标高；在下沉桩管的过程中，由安装在吊桩绞缆机的伺服电机上的编码器实时监控桩管底标高GL；

步骤四，桩管振沉至设计底标高后，进行端部处理，即维持管内一定压力上提桩管，使桩管内的碎石柱的顶面标高不变，将振设桩管过程中从桩管底部进入的泥柱排出桩管外，然后在保持桩管内的压力不变的情况下再将桩管振沉至设计底标高；

步骤五，开启吊桩绞缆机提升桩管，使桩管内的碎石料从桩管底部排出，；提升桩管过程中，通过设在桩管顶部进料斗中的雷达测距仪监测桩管内碎石料位面的高度SL，自动跟踪桩管内残余碎石料的高度；当桩管内碎石料的高度小于3～5m，立即停止提升桩管并向桩管内加完剩余的碎石料，然后再提升桩管；提升桩管过程中通过安装在吊桩绞缆机的伺服电机上的编码器监测桩管底标高GL变化；主控制器根据桩管内碎石料位面的高管度SL变化和公式(7)计算提升桩管一定高度时从桩管内排出的碎石料的重量V1：

V1＝π×d1

公式(7)式中，d1为桩管的内径，SL1为提升桩管前桩管内的碎石料位面的高度，SL2为提升桩管一定高度后桩管内的碎石料位面的高度；

主控制器根据桩管底标高GL的变化和公式(8)计算提升桩管一定高度后碎石料的理论用重量V2：

V2＝π×d2

公式(8)式中，d2为碎石桩的桩径，GL2为提升桩管一定高度后的桩底标高，GL1为提升桩管前的桩底标高；

主控制器还根据公式(9)计算桩管的提升速率SL’：

SL’＝V2/V1(9)

当SL’＞1，则要减缓桩管的提升速率，当SL’＜1，则要加快桩管的提升速率；

步骤六，主控制器将桩管底标高GL与步骤一中输入的桩顶标高h1进行对比，并计算差量△h＝h1-GL，并根据雷达测距仪测得的桩管内的碎石料位面的高度SL计算差量△h1＝SL-GL，再根据差量△h1计算桩管内的碎石量＝(π×d1

本发明的用于海上碎石桩施工的实时监控方法具有以下特点：

基于PLC监控系统结合船载GPS系统对海上碎石桩施工的各个状态进行监测，针对管内料面等难于使用传统方式采集的要素数据，使用雷达测距仪进行测量，通过反馈的碎石料位面，来判断碎石桩的成桩质量及后续加碎石量。通过施工过程中桩管的下降和提升可直观的反应出桩管底标高、桩管内碎石面的高度、形成的碎石桩长度等数据，使操作人员能实时了解成型的碎石桩情况，能正确指导碎石桩的施工，有效控制了碎石桩的成桩质量。

附图说明

图1是本发明的用于海上碎石桩施工的实时监控方法的流程图；

图2是进行本发明的用于海上碎石桩施工的实时监控方法中采用的PLC监控系统中各个传感器的布置位置示意图；

图3是进行本发明的用于海上碎石桩施工的实时监控方法的步骤五时计算理论排砂量与实测排砂量的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1至图3，本发明的用于海上碎石桩施工的实时监控方法，基于PLC监控系统，该PLC监控系统包括GPS定位系统、雷达测距仪、称重传感器、编码器和主控制器；其中，

GPS定位系统200设在碎石桩施工船的驾驶室100的顶部，该GPS定位系统200用于确定碎石桩施工船在工程坐标系中的位置、方向和姿态，从而确定碎石桩的位置；

雷达测距仪设在桩管300顶部的进料斗301中，该雷达测距仪用于实时测量桩管300内料位面的高度；

称重传感器设在碎石桩施工船的计量斗101的下方；该称重传感器用于计量每次加入桩管300内的碎石料的重量；

编码器安装在碎石桩施工船的吊桩绞缆机102的伺服电机上，该编码器用于实时测控桩管300在下沉过程中和桩管300在提升过程中的桩底标高；

主控制器设在碎石桩施工船的驾驶室100，该主控制器分别与编码器、称重传感器和雷达测距仪信号连接。

本发明的用于海上碎石桩施工的实时监控方法，实时监控方法包括以下步骤：

步骤一，先在主控制器的显示屏中设置碎石桩的参数，包括桩管的内径d1、碎石桩的直径d2、碎石桩的顶标高h1和碎石桩的底标高h2；

主控制器根据公式(1)计算碎石桩的桩长H：

H＝h1-h2 (1)

公式(1)中，h1为碎石桩的顶标高，h2为碎石桩的底标高；

主控制器根据公式(2)计算碎石桩的理论用碎石料的重量V0；

V0＝π×d2

公式(2)中，d2为碎石桩的直径，也即为桩管的桩尖扩径段的内径；

主控制器根据公式(3)计算计量斗装载碎石料的重量V3：

V3＝M/ρ (3)

公式(3)中，M为计量斗装载碎石料的质量，ρ为碎石料的松散密度；

主控制器根据公式(4)计算在成桩过程中加入桩管内的碎石料所需要计量斗的斗数X：

X＝V0/V3 (4)

若X为非整数时，要手动控制计量斗内的碎石料的重量；

主控制器根据公式(5)计算桩管内腔的每米体积V4：

V4＝π×d1

公式(5)中，d1为桩管的内径；

主控制器根据公式(6)计算每计量斗的碎石料在桩管内形成的高度h3：

h3＝V4/V3 (6)

步骤二，先关闭桩管300的上导门302和下导门303，利用桩管300的自重沉放；当桩管300的底部接近泥面时，开启加压设备，向桩管300内加压以排出桩管300内的水，通过雷达测距仪监测桩管300内的水面高度，直至桩管300内的水面高度为1～2m，停止加压，在持压状态下继续沉管；在桩管无法下沉时，开启振动锤304振沉桩管300，当桩管300入土层深度为1～2m时，打开上导门302减压放气，并通过皮带运输机和提升斗与计量斗101的相互配合输送碎石料，将碎石料分次输送到桩管300顶端的进料斗301，由进料斗301向桩管300内投加两计量斗的碎石料，约6～10m

步骤三，关闭上导门，再次向桩管内加压，以协助桩管内碎石料的挤密和有效下料，然后在持压状态下继续振设桩管至设计桩底标高；在下沉桩管的过程中，由安装在吊桩绞缆机的伺服电机上的编码器实时监控桩管底标高GL；

步骤四，桩管振沉至设计底标高后，进行端部处理，即维持管内一定压力上提桩管，使桩管内的碎石柱的顶面标高不变，将振设桩管过程中从桩管底部进入的泥柱排出桩管外，然后在保持桩管内的压力不变的情况下再将桩管振沉至设计底标高；

步骤五，开启吊桩绞缆机，以1.0～2.0m/m i n的速度匀速提升桩管，使桩管内的碎石料从桩管底部排出，使碎石料留在土层中；提升桩管过程中，通过设在桩管顶部进料斗中的雷达测距仪监测桩管内碎石料位面的高度SL，自动跟踪桩管内残余碎石料的高度，确保桩管内碎石料的高度不小于3～5m，防止在排气加碎石的过程中桩管外的软土在水压和土压的作用下回灌而造成碎石桩夹泥；当桩管内碎石料的高度小于3～5m，立即停止提升桩管并向桩管内加完剩余的碎石料，然后再提升桩管；提升桩管过程中通过安装在吊桩绞缆机的伺服电机上的编码器监测桩管底标高GL变化；主控制器根据桩管内碎石料位面的高管度SL变化和公式(7)计算提升桩管一定高度时从桩管内排出的碎石料的重量V1：

V1＝π×d1

公式(7)式中，d1为桩管的内径，SL1为提升桩管前桩管内的碎石料位面的高度，SL2为提升桩管一定高度后桩管内的碎石料位面的高度(见图2)；

主控制器根据桩管底标高GL的变化和公式(8)计算提升桩管一定高度后碎石料的理论用重量V2：

V2＝π×d2

公式(8)式中，d2为碎石桩的桩径，GL2为提升桩管一定高度后的桩底标高，GL1为提升桩管前的桩底标高；

主控制器还根据公式(9)计算桩管的提升速率SL’：

SL’＝V2/V1(9)

当SL’＞1，则要减缓桩管的提升速率，当SL’＜1，则要加快桩管的提升速率；

步骤六，主控制器将桩管底标高GL与步骤一中输入的桩顶标高h1进行对比，并计算差量△h＝h1-GL，并根据雷达测距仪测得的碎石料位面的高度SL计算差量△h1＝SL-GL，再根据差量△h1计算桩管内的碎石量＝(π×d1

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。