预应力管桩施工质量评价方法及其施工质量监控系统

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种预应力管桩施工质量评价方法及其施工质量监控系统。

背景技术

在土木工程建设领域，预应力管桩凭借其所具有的高承载力、高抗击应力、强穿透能力等特性，在国内(特别是沿海、沿江地区)得到了广泛应用，并已成为地基处理的常用方法之一。然而，由于预应力管桩的施工属于隐蔽工程，其施工工序多、流程衔接紧，这就给工程质量监管方面带来了难题。具体地，在预应力管桩施工过程中，经常出现桩身倾斜、承载力不足、桩身损坏、桩头上浮等施工质量问题。

目前，对于解决预应力管桩桩身质量管控问题，主要采用的手段是，在施工过程中进行人工旁站监督以及在施工结束后进行桩身质量抽样检测。但是，以上现有方法存在着难以全面管控、抽样比例有限、存在一定滞后性等缺点。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种预应力管桩施工质量评价方法及其施工质量监控系统，以对施工现场实现全面地、智能化、自动化的监控管理。

为实现以上目的，通过以下技术方案实现：

一种预应力管桩施工质量评价方法，包括以下步骤：

(1)在施工现场布设采集系统，用于采集施工现场数据；所述施工现场数据传输至线上监控平台；

(2)线上监控平台上利用施工现场数据生成每根桩的施工现场原始记录表，原始记录表中包括施工桩长l

(3)确定预应力管桩施工监测的评价指标，评级指标包括桩长、压桩力、桩间距和桩体倾斜；(4)根据步骤(3)所得的评价指标以及预应力管桩设计要求，确定每个指标的评价标准；其中：桩长通过桩长系数确定评分，压桩力通过压桩力系数确定评分，桩间距通过最大桩间距确定评分，桩体倾斜通过最大桩体倾斜度确定评分；

(5)采用模糊综合评价法，根据步骤(4)得到的评价指标的评分，确定每根桩的隶属度，提供给步骤(7)；

(6)采用专家打分的方式确定评价指标的判断矩阵，利用层次分析法得到各评价指标的权重大小，提供给步骤(7)；

(7)根据步骤(5)得到的隶属度矩阵和步骤(6)得到的权重矩阵，确定预应力管桩的综合评定分数，判断综合评级。

本发明中，步骤(4)建立的各评价指标的评分标准；具体如下：

(4.1)桩长评价指标的计算

在设计过程中，根据各标段地质资料，确定不同地段的不同桩长，即为设计桩长，以此为依据评价桩长；定义桩长系数，即桩长的实测值与设计值的比值，换算公式为：

l

式中：l

根据桩长系数的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表1得到桩长得分。

表1桩长评分标准

(4.2)压桩力评价指标的计算

根据各标段地质资料，确定设计压桩力计算公式为：

式中：R

根据公式(2)和《建筑桩基技术规范》规定的承载力公式，得出各标段不同设计桩长对应的设计压桩力，以此为依据评价压桩力；定义压桩力系数，即压桩力的实测值与设计值的比值，换算公式为：

F

式中：F

根据压桩力系数的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表2得到压桩力得分。

表2压桩力评分标准

(4.3)桩间距评价指标的计算

根据预应力管桩对桩间距的控制标准，采用最大桩间距偏差量s评价桩间距；

根据最大桩间距偏差量的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表3得到桩间距得分。

表3桩间距评分标准

(4.4)桩体倾斜评价指标的计算

根据预应力管桩对桩体倾斜的控制标准，采用最大倾斜度q评价桩体倾斜；

根据最大倾斜度的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表4得到桩体倾斜得分。

表4桩体倾斜评分标准

本发明中，步骤(5)利用模糊综合评价法，确定每根桩的隶属度；具体如下：

(5.1)所述隶属函数的确定使用降半梯形法。

设v

v

v

其中，x为各评价指标的得分；

(5.2)根据步骤(4)得到的每根桩的评价指标的得分，计算隶属度，得到模糊关系矩阵R。

本发明中，步骤(6)利用层次分析法，确定各评价指标的权重；具体如下：

(6.1)构造判断矩阵

在层次分析法中，为了能够使判断定量化，关键在于设法使任意两个方案对于某一准则的相对优越程度得到定量描述；

对多个属性的相对重要性，依据决策者两两比较各属性的重要性后，可以得出判断矩阵；对相对重要程度按照标度进行两两比较，标度含义如表5所示：

表5标度的含义

按照各指标的相对重要程度，构造出预应力管桩施工质量评价指标体系判断矩阵；

表6预应力管桩施工质量评价指标体系判断矩阵

得到判断矩阵M后，进行归一化处理，公式为：

归一化后可以得到权重系数w

然后可以得到判断矩阵的最大特征值λ

式中：(Mw)

(6.2)一致性检验

所谓一致性是衡量判断矩阵中判断质量的标准，因此一般按照矩阵理论，利用判断矩阵特征根的变化来检验判断的一致性程度；

首先计算一致性指标CI，公式为：

式中：λ

RI为对应的平均随机一致性指标，RI值通过查表7得出；

表7平均随机一致性指标RI值

计算一致性指标CI与同阶平均随机一致性指标RI之比，即随机一致性比率CR值，公式为：

CR＝CI/RI (11)

当CR≤0.1时，认为判断矩阵M具有满意的一致性。否则，需要调整判断矩阵M的元素取值，使之符合一致性的要求；

根据表6，求解判断矩阵的最大特征值λ

查表7得到RI＝0.52，则CR＝0.0904<0.1，表明一致性检验通过，判断矩阵构造合理。

(6.3)求解权重矩阵

通过一致性检验后，可以求出4个目标的权重W，公式为：

MW＝λ

求得的权重W，即为模糊权重矩阵A；

因此得到模糊权重矩阵A＝[0.560.290.040.11]，即压桩力、桩长、桩距、桩体倾斜的权重分别为0.56，0.29，0.04，0.11。

本发明中，步骤(7)确定预应力管桩的综合评定分数，判断综合评级；具体如下：

(7.1)根据步骤(5)得到的隶属度矩阵R和步骤(6)得到的模糊权重矩阵A，进行矩阵乘积，得到模糊评价集B，公式为：

B＝AR (13)

(7.2)按照不同评价等级划分，有评价集合V＝[9585756555]。根据评价集合V的赋值，计算综合评定分数P，公式为：

P＝VB

(7.3)根据表8对每一根预应力管桩施工质量判断综合评级。

表8预应力管桩施工质量综合评级标准

基于物联网技术，为实现施工现场的智能化、自动化管理，本发明实施例进一步提出了一种预应力管桩质量评价施工监控系统，包括采集系统、网络传输和线上监控平台；

其中，

采集系统属于施工监测系统的一部分，桩管夹具平台8中布设有深度传感器7以及桩管夹具平台8的上部设有倾角传感器6，通过深度传感器7、倾角传感器6直接获得压入的桩长和桩体倾斜角度；操作室2侧壁的油管位置设有压力传感器5用于测得桩压入压力，操作室2上部设有定位定向设备4用于测得桩间距，操作室2内部设有监控记录仪3，深度传感器7、倾角传感器6、压力传感器5、定位定向设备4分别连接至监控记录仪3。

采集系统通过网络传输至线上监控平台。

线上监控平台包括PC端和手机APP，可以实现实时数据同步展示，实时预警及反馈处理以及过程数据回放，并生成施工现场原始记录表，包括数据记录表和参数分析曲线图，为施工管理人员、监理、业主等人员提供在线查看，并为相关部门提供一手的原始资料。

本发明评价方法明确了预应力管桩质量控制的关键因素和以及确定了应用于预应力管桩质量的综合评价方法，从而本发明监控系统通过对监控数据的提取分析，可以实现每根桩施工质量的快速评价。与传统的桩身质量检测方法相比，本发明可做到施工全过程管控，及时发现施工质量问题，并实现每根桩施工质量的快速评价。

本发明的有益效果包括：

1)传统的检测方法采取抽样检测，抽样比例有限，难以全面把控；而本发明方法应用于监测系统通过物联网技术，可以做到全面管控，对每根桩的施工过程实时跟踪；

2)传统的检测方法属于事后检测，在施工完成后进行，无法及时发现施工问题；而本发明方法可以实现预应力管桩施工质量的快速评估；

3)本发明方法检测的结果可以为后期的传统检测提供参考，二者结合，检测的准确度更高。

附图说明

图1为实施例预应力管桩施工质量监控系统的构成示意图。

图2为实施例预应力管桩施工的现场原始记录表。

图中标号：

现场采集系统—9:

压桩机--1，操作室--2，监控记录仪--3,定位定向设备--4，压力传感器--5，倾角传感器--6，深度传感器--7，桩管夹具平台--8；

网络传输--10；

线上监控平台—12:

手机APP--11，PC端--13。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

实施例

首先在施工现场，随着施工的进行，同步进行数据采集，利用监控记录仪生成监测结果，并通过网络传输至线上监控平台，生成施工现场原始记录表；然后根据施工现场原始记录表，进行预应力管桩施工质量的评定；施工质量的评定主要通过四个指标评定，分别为桩长、压桩力、桩间距和桩体倾斜。

图2为监控系统的示意图，包括采集系统9、网络传输10和线上监控平台12；其中线上监控平台12包括手机APP11和PC端13；

其中，采集系统9的安装位置为：压桩机1由操作室2、桩管夹具平台8等组成，桩管夹具平台8中布设有深度传感器7以及桩管夹具平台8的上部设有倾角传感器6，因此通过深度传感器7、倾角传感器6直接获得压入的桩长和桩体倾斜角度；操作室2侧壁的油管位置设有压力传感器5用于测得压入压力，操作室2上部设有定位定向设备4用于测得桩间距，操作室2内部设有监控记录仪3，深度传感器7、倾角传感器6、压力传感器5、定位定向设备4分别连接至监控记录仪3，最后采集到的数据通过监控记录仪3收集记录后由网络传输至线上监控平台。

作为实施例，图2为监控记录仪采集数据后生成的施工现场原始记录表；施工现场原始记录表记录的内容主要有施工桩长、设计桩长、最终压桩力、设计压桩力、最大桩间距和最大桩体倾斜度。

作为实施例，步骤(4)中预应力管桩设计要求如表9所示。

表9预应力管桩控制标准

步骤(4)中的评价指标包括桩长、压桩力、桩间距和桩体倾斜，每个指标的评价标准为：桩长通过桩长系数确定评分，压桩力通过压桩力系数确定评分，桩间距通过最大桩间距确定评分，桩体倾斜通过最大桩体倾斜度确定评分。

步骤(4)建立的各评价指标的评分标准，具体如下：

(4.1)桩长评价指标建立

在设计过程中，根据各标段地质资料，确定不同地段的不同桩长，即为设计桩长，以此为依据评价桩长；定义桩长系数，即桩长的实测值与设计值的比值，换算公式为：

l

式中：l

根据桩长系数的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表10得到桩长得分。

表10桩长评分标准

(4.2)压桩力评价指标建立

根据各标段地质资料，确定设计压桩力计算公式为：

式中：R

根据公式(2)和《建筑桩基技术规范》规定的承载力公式，得出各标段不同设计桩长对应的设计压桩力，以此为依据评价压桩力；定义压桩力系数，即压桩力的实测值与设计值的比值，换算公式为：

F

式中：F

根据压桩力系数的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表11得到压桩力得分。

表11压桩力评分标准

(4.3)桩间距评价指标建立

根据预应力管桩对桩间距的控制标准，采用最大桩间距偏差量s评价桩间距；

根据最大桩间距偏差量的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表12得到桩间距得分。

表12桩间距评分标准

(4.4)桩体倾斜评价指标建立根据预应力管桩对桩体倾斜的控制标准，采用最大倾斜度q评价桩体倾斜；

根据最大倾斜度的值划分为五个等级，每个等级对应相应分值，中间值评分线性插值得到，即按表13得到桩体倾斜得分。

表13桩体倾斜评分标准

步骤(5)利用模糊综合评价法，确定每根桩的隶属度，具体如下：

(5.1)模糊综合评价法的隶属函数的确定使用降半梯形法。设v

v

(5.2)根据步骤(4)得到的每根桩的评价指标的得分，计算隶属度，得到模糊关系矩阵R。步骤(6)利用层次分析法，得到模糊权重矩阵A＝[0.560.290.040.11]，即压桩力、桩长、桩距、桩体倾斜的权重分别为0.56，0.29，0.04，0.11。

步骤(7)确定预应力管桩的综合评定分数，判断综合评级，具体如下：

(7.1)根据步骤(5)得到的模糊关系矩阵R和步骤(6)得到的模糊权重矩阵A，进行矩阵乘积，得到模糊评价集B，公式为：

B＝AR (20)

(7.2)根据评价集合V的赋值，计算综合评定分数，公式为：

P＝VB

(7.3)根据表14对每一根预应力管桩施工质量判断综合评级。

表14预应力管桩施工质量综合评级标准

选取第2标段桩号为SK0+209-SK0+060_676的预应力管桩和第3标段桩号为FK0+000-FK0+052_188的预应力管桩，采用提出的施工质量评价方法进行评价。

第2标段桩号为SK0+209-SK0+060_676的预应力管桩的数据如表15所示。

表15第2标段桩号为SK0+209-SK0+060_676的预应力管桩的现场数据

根据步骤(4)，计算各评价指标的赋值，如表16所示。

表16评价指标的赋值结果

根据步骤(5)，计算隶属度，得到模糊关系矩阵R。

根据步骤(7)，计算预应力管桩的综合评定分数P＝94.78，综合评级为优。

第3标段桩号为FK0+000-FK0+052_188的预应力管桩的数据如表17所示。

表17第3标段桩号为FK0+000-FK0+052_188的预应力管桩的现场数据

根据步骤(4)，计算各评价指标的赋值，如表18所示。

表18评价指标的赋值结果

/>

根据步骤(5)，计算隶属度，得到模糊关系矩阵R。

根据步骤(7)，计算预应力管桩的综合评定分数P＝64.44，综合评级为不合格。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。