单线惯导式干湿孔成孔质量检测装置及方法

技术领域

本发明涉及基桩工程施工技术领域，具体地指一种单线惯导式干湿孔成孔质量检测装置及方法。

背景技术

灌注桩是建筑物常用的基桩形式之一，它将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层或岩层上。减少基础和建筑物的不均匀沉降。灌注桩的施工分为成孔和成桩两部分，其中成孔是灌注桩施工的第一个环节。它的作业过程由于是在地下、水下完成，质量控制难度大，复杂的地质条件或施工中的失误都有可能产生塌孔、缩径、桩孔偏斜、沉渣过厚等问题。成孔质量的好坏直接影响到混凝土浇注后的成桩质量；桩孔径偏小则使得成桩的侧摩阻力、桩尖端承力减少，整桩的承载能力降低；桩孔扩针导致成桩上部侧阻力增大，而下部侧阻力不能完全发挥，同时单桩的混凝土浇注量增加，费用提高；桩孔偏斜在一定程度上改变了桩竖向承载受力特性，削弱了桩基承载力的有效发挥，并且孔斜还易产生吊放钢筋笼困难、塌孔、钢筋保护层厚度不足等问题；桩底沉渣过厚使桩长减站，对于端承桩则直接影响桩尖的端承能力。

同时，由于西北、西南地区基桩成孔时干孔(无泥浆孔)较多，特别是很多基桩成孔是上部很长一段长度是干孔，下部一部分是湿孔，这样，传统的湿孔超声成孔检测无法应用于干孔成孔检测或一半是干孔一半是湿的桩孔，必须采用其它检测方法进行检测，这给检测单位带来了很多麻烦和费用成本；因此，研究一种干湿孔都能检测成孔质量的成孔检测仪显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种单线惯导式干湿孔成孔质量检测装置及方法，本发明可对灌注桩成孔的干孔、湿孔或一部分是干一部分是湿的孔进行检测，并且可以对成孔的孔径、孔深、垂直度、钻孔倾斜方向和孔口坐标等参数进行检测，确保灌注桩成孔质量可靠。

为实现此目的，本发明所设计的单线惯导式干湿孔成孔质量检测装置，其特征在于：它包括成孔检测主机、探头、线架、深度计数滑轮、卫星定位传感器和收放线盘，所述探头内设有流体密度传感器和多个气液专用超声传感器，线架架设在桩孔口，线架上安装收放线盘、深度计数滑轮和卫星定位传感器，成孔检测主机的流体密度信号输入端通过收放线盘的电缆转节点，及电缆总线连接流体密度传感器的流体密度信号输出端，成孔检测主机通过收放线盘的电缆转节点，及电缆总线控制各个气液专用超声传感器的信号发射组件发射超声信号，各个气液专用超声传感器对应的信号接收组件将反射的超声信号通过收放线盘的电缆转节点，及电缆总线传输给成孔检测主机，电缆总线缠绕在收放线盘上并由收放线盘控制收放线，深度计数滑轮用于对电缆总线的收放线长度进行记录，深度计数滑轮的收放线长度信号输出端连接成孔检测主机的收放线长度信号输入端，所述卫星定位传感器位于探头的正上方，卫星定位传感器的卫星定位信号通信端连接成孔检测主机的卫星定位信号通信端；

孔检测主机用于通过多个气液专用超声传感器计算探头四个侧面到桩孔孔壁的距离。

一种基于上述装置的单线惯导式干湿孔成孔质量检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

步骤1：开启成孔检测主机，读取卫星定位传感器的卫星定位数据，记录该桩孔孔口的中心坐标位置，并通过成孔检测主机设置检测方位，并由惯导及传动装置对探头的探头腔进行方位的锁定；

步骤2：控制收放线盘下放探头，探头下放测试过程中，成孔检测主机通过流体密度传感器实时测量桩孔内泥浆液的密度，当根据密度判断结果，确定探头处于湿孔段时，成孔检测主机开启湿孔测试模式，探头四个侧面的气液专用超声传感器的信号发射组件实时发射水中超声波，各个气液专用超声传感器对应的信号接收组件接收反射回的水中超声波，从而测量此时探头四个侧面到桩孔孔壁的距离；

当根据密度判断结果，确定探头处于干孔测试段时，成孔检测主机开启干孔测试模式，探头四个侧面的气液专用超声传感器的信号发射组件实时发射空气超声波，各个气液专用超声传感器对应的信号接收组件接收反射回的空气超声波，从而测量此时探头四个侧面到桩孔孔壁的距离；

探头下放测试过程中，成孔检测主机通过流体密度传感器实时测量桩孔内泥浆液的密度，当流体密度传感器检测到泥浆液的密度值达到沉渣密度阈值时，判断为进入干孔测试段，通过深度计数滑轮得到此时流体密度传感器相对于桩孔孔口的下放测试深度，该深度为沉渣顶部相对桩孔孔口的深度，控制收放线盘继续下放探头直到孔底，通过深度计数滑轮得到桩孔的总深度，将上述桩孔的总深度减去沉渣顶部相对桩孔孔口的深度得到孔底沉渣的厚度。

本发明相比于现有的基桩成孔质量检测方法，本发明的有益效果主要表现在：该成孔质量检测装置可以一次检测实现测量成孔的干孔段和湿孔段的孔径、孔深、垂直度(倾角α)、钻孔倾斜方向、孔口坐标等参数，测试方便，可以减少成孔检测的测试时间和检测设备的成本。

本发明使用单线惯导式模式，克服了单线吊装测试探头会自旋的问题，因为惯导及传动装置可以锁定方位，克服了传统单线测成孔方向不准的问题。

因此，本发明的装置具备可操作、快速和实用等特性的优点，为基桩工程的干湿孔质量提供保障。

附图说明

图1为本发明结构使用状态示意图；

图2为探头结构的示意图；

图3为本发明中探头腔的俯视结构示意图；

图4为本发明中探头腔的侧视结构示意图；

图5为本发明的原理框图。

其中，1—孔检测主机、2—探头、2.1—流体密度传感器、2.2—气液专用超声传感器、2.3—电路腔、2.4—三维姿态传感器、2.5—惯导与传动装置、2.6—探头腔、2.7—电机、2.8—电子罗盘、2.9—传动轴、3—桩孔、4—线架、5—深度计数滑轮、6—卫星定位传感器、7—电缆总线、8—收放线盘、8.1—电缆转节点、9—泥浆液、10—孔底沉渣。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

如图1～5所示单线惯导式干湿孔成孔质量检测装置，它包括成孔检测主机1、探头2、线架4、深度计数滑轮5、卫星定位传感器6和收放线盘8，所述探头2内设有流体密度传感器2.1和多个气液专用超声传感器2.2，线架4架设在桩孔3口，线架4上安装收放线盘8、深度计数滑轮5和卫星定位传感器6，成孔检测主机1的流体密度信号输入端通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7连接流体密度传感器2.1的流体密度信号输出端，成孔检测主机1通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7控制各个气液专用超声传感器2.2的信号发射组件发射超声信号，各个气液专用超声传感器2.2对应的信号接收组件将反射的超声信号通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7传输给成孔检测主机1，电缆总线7缠绕在收放线盘8上并由收放线盘8控制收放线，深度计数滑轮5用于对电缆总线7的收放线长度进行记录，深度计数滑轮5的收放线长度信号输出端连接成孔检测主机1的收放线长度信号输入端，所述卫星定位传感器6位于探头2的正上方，卫星定位传感器6位于桩孔3的轴线上，卫星定位传感器6的卫星定位信号通信端连接成孔检测主机1的卫星定位信号通信端；

孔检测主机1用于通过多个气液专用超声传感器2.2计算探头2四个侧面到桩孔3孔壁的距离。

上述技术方案中，所述探头2包括探头腔2.6、电路腔2.3、惯导与传动装置2.5，所述流体密度传感器2.1和多个气液专用超声传感器2.2设置在探头腔2.6内，探头腔2.6通过惯导与传动装置2.5与电路腔2.3连接，惯导与传动装置2.5用于将探头腔2.6锁定在设置方位，若探头2有旋转，惯导与传动装置2.5自动反方向旋转，使探头2锁定在设置方位，成孔检测主机1的惯导与传动控制信号通信端通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7连接惯导与传动装置2.5的控制端。

所述惯导与传动装置2.5包括电机2.7、电子罗盘2.8和传动轴2.9，其中，电机2.7安装在电路腔2.3中，电机2.7的输出轴通过联轴器连接传动轴2.9的一端，传动轴2.9的另一端与探头腔2.6顶端的中心固定连接，电子罗盘2.8安装在传动轴2.9上，电子罗盘2.8的信号输出端通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7连接孔检测主机1的电子罗盘信号反馈端，孔检测主机1的电机信号输出端通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7连接电机2.7的控制端。当探头腔2.6自旋时，电子罗盘2.8能测量出探头腔2.6的自旋角度，成孔检测主机1能自动控制电机2.7将探头腔2.6旋转到设置的检测方向角度。

上述技术方案中，所述探头2还包括设置在电路腔2.3内的三维姿态传感器2.4，成孔检测主机1的三维姿态信号输入端通过收放线盘8的电缆转节点8.1，及电缆总线7连接三维姿态传感器2.4的三维姿态信号输出端，所述三维姿态传感器2.4用于检测探头2的姿态，判定探头2是否与水平面垂直。只有当探头2与水平面垂直时，才能保证探头2测量各项数据的准确性。

上述技术方案中，所述流体密度传感器2.1位于探头腔2.6的底部，气液专用超声传感器2.2有四个，四个气液专用超声传感器2.2设置在探头腔2.6的四面侧壁上。

上述技术方案中，当探头2处于干孔测试段时，成孔检测主机1开启干孔测试模式，探头2四个侧面的气液专用超声传感器2.2的信号发射组件实时发射空气超声波(空气超声波是以空气为传播介质，传播速度约为340米/秒)，各个气液专用超声传感器2.2对应的信号接收组件接收桩孔3侧壁反射回的空气超声波，从而测量此时探头2四个侧面到桩孔3孔壁的距离；

当探头2处于湿孔段(进入泥浆液中)时，成孔检测主机1开启湿孔测试模式，探头2四个侧面的气液专用超声传感器2.2的信号发射组件实时发射水中超声波(水中超声波是以水为传播介质，传播速度约为1480米/秒)，各个气液专用超声传感器2.2对应的信号接收组件接收桩孔3侧壁反射回的水中超声波，从而测量此时探头2四个侧面到桩孔3孔壁的距离。这样既可以一次测试工作就能完成干孔或湿孔或干湿同时存在的孔；同时，这种检测方式没有检测距离盲区(气液专用超声传感器2.2中有专门的信号发射组件和信号接收组件分别负责信号的发射和接收，因此当反射面(孔壁)相距很近时也能接收到反射面的反射信号，也就是说没有盲区。一些检测仪的信号收发为一个组件，它既要发射又要接收，而当从发射过渡到接收状态时有一定的过渡时间，这个过渡时间会使超声波的传播一定的距离，这就造成了一定的盲区)，可以适应较小孔径的桩孔3，只需桩孔3的孔径稍大于探头2的直径就能进行成孔质量检测，降低了探头2的制造成本(若有盲区，钻孔半径必须大于探头半径，盲区才能测量)。

一种基于上述装置的单线惯导式干湿孔成孔质量检测方法，它包括如下步骤：

步骤1：开启成孔检测主机1，读取卫星定位传感器6的卫星定位数据，记录该桩孔3孔口的中心坐标位置，并根据桩孔3孔口的中心坐标位置通过成孔检测主机1设置检测方位，并由惯导及传动装置2.5对探头2的探头腔2.6进行方位的锁定(探头2下放测试过程中成孔检测主机1通过惯导及传动装置2.5实时测量控制探头2的方位，使探头2锁定在设置的固定方位)；

步骤2：控制收放线盘8下放探头2，探头2下放测试过程中，成孔检测主机1通过流体密度传感器2.1实时测量桩孔3内泥浆液9的密度，当根据密度判断结果，确定探头2处于湿孔段(进入泥浆液中)时，成孔检测主机1开启湿孔测试模式，探头2四个侧面的气液专用超声传感器2.2的信号发射组件实时发射水中超声波，各个气液专用超声传感器2.2对应的信号接收组件接收反射回的水中超声波，从而测量此时探头2四个侧面到桩孔3孔壁的距离；

当根据密度判断结果，确定探头2处于干孔测试段时，成孔检测主机1开启干孔测试模式，探头2四个侧面的气液专用超声传感器2.2的信号发射组件实时发射空气超声波，各个气液专用超声传感器2.2对应的信号接收组件接收反射回的空气超声波，从而测量此时探头2四个侧面到桩孔3孔壁的距离；

探头2下放测试过程中，成孔检测主机1通过流体密度传感器2.1实时测量桩孔3内泥浆液9的密度，当流体密度传感器2.1检测到泥浆液9的密度值达到沉渣密度阈值时，判断为进入干孔测试段，通过深度计数滑轮5得到此时流体密度传感器2.1相对于桩孔3孔口的下放测试深度，该深度为沉渣顶部相对桩孔3孔口的深度，控制收放线盘8继续下放探头2直到孔底，通过深度计数滑轮5得到桩孔3的总深度，将上述桩孔3的总深度减去沉渣顶部相对桩孔3孔口的深度得到孔底沉渣10的厚度；

步骤3，根据如下公式计算桩孔3相对于铅锤面的倾角α：

其中，α为桩孔3相对于铅锤面的倾角，l

上述技术方案的步骤2中在控制收放线盘8下放探头2时，通过三维姿态传感器2.4实时检测探头2的姿态，保证探头2与水平面垂直。

上述技术方案中，所述沉渣密度值范围区间为1.6克/cm

上述技术方案的步骤2中，利用探头2四个侧面到桩孔3孔壁的距离和探头2自身的直径计算出桩孔3的直径。

本发明可对灌注桩成孔的干孔、湿孔或干湿孔的孔径、孔深、垂直度、钻孔倾斜方向、孔口坐标和泥浆比重等参数进行检测，确保灌注桩干湿成孔质量可靠。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。