贯入式沉渣厚度自动检测的方法及装置 【技术领域】
本发明涉及一种钻孔灌注桩桩底沉渣厚度的以预压、冲击和局部位移为基准的快速定位、实时量测和自动分析的检测技术领域，更具体涉及一种贯入式沉渣厚度自动检测的方法，同时还涉及一种贯入式沉渣厚度自动检测装置，尤其适用于对深孔(大于100米)、充水(泥浆)以及人员无法到达的钻孔灌注桩桩底沉渣厚度的快速精确测量。
背景技术
桩底沉渣是在钻孔时钻头破碎岩土体后所形成的残留在桩底的松散渣石或渣土，过厚沉渣的存在会影响桩的承载力和导致桩的沉降量过大。现行的国家有关标准和规范对沉渣厚度有明确的规定，如以《建筑桩基技术规范》(JGJ94-94)为例，泥浆护壁成孔灌注桩桩底沉渣厚度指标应符合：1)端承桩小于50mm；2)摩擦端承桩、端承摩擦桩和地下连续墙小于100mm；3)摩擦桩小于300mm。这种严格的质量控制标准对桩底沉渣厚度检测装置提出了很高的要求：1、高精度(达到0.1mm)；2、实时与快速测量；3、具有在深孔(大于100米)中测量能力；4、具有在水下(泥浆中)测量能力；4、能够快速移位和反复测量。
成桩前与成桩后的桩底沉渣厚度检测方法有所不同，前者多以系吊重锤的方式，定性测量沉渣的存在和推算其厚度；而后者通常采用超过桩长的钻孔取芯，用实物岩芯来判断沉渣并量测其厚度，若取得的岩芯不完整，则可以采用数字钻孔成像技术，用孔壁岩芯图像来准确判断与量测沉渣及厚度。虽然成桩后的检测方法直观可靠，得到的结果可信，但仍属于桩基工程结束后的评价，难以改变继承事实，对工程的设计与施工可能产生不利的影响。因此，如何有效、准确和科学地进行成桩前的桩底沉渣厚度检测就成为影响到整个工程安全的关键问题之一。为此，本发明提出的贯入式沉渣厚度自动检测装置将从根本上科学地解决这一技术难题。
目前，成桩前的沉渣厚度检测方法主要为静力贯入法。通过预置沉渣顶面测定盘测出沉渣顶面位置，然后利用沉渣底面测定锥在上部荷载自动脱钩后的自重力作用下缓慢贯入沉渣中，直至原状土(天然地层)。从沉渣顶面到原状土(天然地层)的距离，即为沉渣厚度。由于在不同工程场地和位置上的应用，原状土(天然地层)的力学性质和指标会随之发生变化，而具有不变自重荷载的静力贯入法则无法区分这些变化，因此，沉渣底面测定锥贯入原状土(天然地层)不可避免，此时测定出的沉渣厚度包含了贯入原状土(天然地层)的那个部分，大于实际的沉渣厚度。为了提供足够的荷载，静力贯入法的设备必将十分庞大，现场搬运和操作十分困难，而且在每完成一次测定后，必须将测定仪器提升到地面读取沉渣厚度值，缺乏自动读数、快速测定和自动分析的能力。
鉴于静力贯入法存在的问题，本发明提出一种动力贯入法应用于成桩前的桩底沉渣厚度检测，即贯入式沉渣厚度自动检测装置，使成桩前的桩底沉渣厚度检测方法及测试装置得到了突破性和实质性的进展.该方法采用传统的预压方式确定沉渣顶面位置，通过多次锤击探针使其贯入到沉渣直至原状土(天然地层)，计算机自动记录每次锤击后探针的贯入量，并形成锤击数与贯入总量的关系曲线.由于沉渣与原状土(天然地层)的力学性质存在较大差异(至少是数量级的差异)，因此，锤击数与贯入总量的关系曲线上必定出现明显的拐点，通过编制相应的算法程序，使计算机很容易识别这个拐点，并计算出沉渣厚度.动力贯入法及测试装置的优点在于对场地和环境的要求较低，对沉渣和原状土(天然地层)力学性质等背景资料要求较少，且测试精度高、速度快，记录和分析自动化.
【发明内容】
本发明的目的就是为了克服成桩前静力贯入法和成桩后钻孔检测法存在的缺点和不足，在于提供了一种贯入式沉渣厚度自动检测的方法，其原理简单，方法可行，对场地和环境的要求较低，对沉渣和原状土(天然地层)力学性质等背景资料要求较少。
本发明的另一个目的是在于提供了一种贯入式沉渣厚度自动检测装置，该装置测试精度高、速度快、记录和分析自动化，且结构简单、操作方便、易于携带、经久耐用、稳定性好、经济实用，具有广泛的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
本发明工作原理是：
利用沉渣与原状土(天然地层)力学性质存在显著差异(至少是数量级)的特点，本发明设计的贯入式沉渣厚度自动检测装置，采用动力贯入法将探针直接打入沉渣直至原状土(天然地层)中，计算机记录测试的全过程，并根据锤击次数与探针位移的关系曲线，通过计算、识别和分析过程，实现沉渣厚度的自动检测；本发明地测试探头部分利用自重提供的预压力，通过排掉沉渣上部的泥浆，使测试探头的预压盘底面位于沉渣顶面，并以此为测试基准面准确测量探针的相对位移量；本发明的测量单元利用角度和直线位移的相互转换原理，采用转角传感器作为测量元件，与测量轮固定为一体并同步转动，探针与测量轮相切，探针的直线运动带动测量轮转动，转角传感器记录最小为0.1mm的探针运动，探针最大直线运动距离为150mm；本发明的控制处理单元利用计算机通讯与控制原理和实现算法，将测量单元获得的数据传输至地面上的计算机进行存储、显示、分析和计算，根据在不同介质中力学性质存在的差异，建立相应的算法程序，自动识别数据中的特殊点，从而确定沉渣厚度。
一种贯入式沉渣厚度自动检测的方法，其检测方法是：
A、以预压方式确定沉渣顶面位置(任意选择)；
B、锤击探针使其贯入到沉渣直至原状土(天然地层)；
C、测量贯入量(即探针的位移量)，记录相应的锤击数；
D、找出贯入量与锤击数关系曲线上的拐点；
E、确定沉渣厚度。
一种实现贯入式沉渣厚度自动检测方法的装置，该装置由测试探头、钢缆、电缆、细缆、仪器控制箱、控制处理单元和绞车组成，其特征在于：测试探头依次与钢缆、电缆和细缆连接，钢缆缠绕在绞车上，通过绕到绞车实现测试探头的下降、提升和移位；电缆与仪器控制箱连接，实现供电、信号传输等功能；仪器控制箱还与控制处理单元用电缆连接，实现测试数据的实时传输，测试结果的图形显示和沉渣厚度的自动计算。
贯入式沉渣厚度自动检测装置的测试探头包括预压盘、内缸体、探针、重锤、测量单元、测量电路、外缸体、固定套筒、电缆接头、外护筒和固定螺栓.其特征在于：所述的预压盘与内缸体通过固定螺栓紧固为一体；内缸体的中心为一个通孔，探针位于其中，并可上下运动；探针上部中心有一个钻孔，重锤可在其内上下运动，锤击探针，利用锤击将探针打入沉渣直至原状土(天然地层)的动力贯入法.使其能在预压盘的底部伸出；系于探针上部的细缆与电缆连接，实现探针的复位；所述的钢缆与重锤连接，牵引测试探头下降、提升和移位，并提升和释放重锤.系于重锤上部的钢缆，实现孔口提锤和放锤的动作；外缸体和内缸体通过固定套筒紧固为一体，探针和重锤被限制于其中心空区内运动；测量单元固定于内缸体的一侧，而测量电路则固定于另一侧，它们之间通过导线连接；电缆接头与测量单元和测量电路导线连接，实现供电和数据传输；测量单元和测量电路由外护筒密封于测试探头内；测量单元由光电转角编码器和测量轮组成(也可由其它位移传感器组成)，测量轮外置硬橡胶，直径为15.92mm，测量轮固定在光电转角编码器的轴上；测量电路由89C51CPU和82C53计数器组成.
一种贯入式沉渣厚度自动检测装置，其测试步骤是：
1、在孔口放置和固定绞车；
2、将钢缆、电缆和细缆连接到测试探头上，通过滑轮由人工或电动方式将测试探头置于孔底；
3、打开仪器控制箱和控制处理单元的电源开关，设定相关工程信息(工程名称、测试时间、测孔编号等)和测试参数(通讯端口、位移初值等)，等待测试开始；
4、通过钢缆提升重锤，在感到受力后，表明重锤已提升到位；
5、迅速放锤并感到重锤锤击探针，此时控制处理单元上读出探针的位移量，并绘制出位移量与锤击数的关系曲线；(请见具体实施方式沉渣厚度的计算方法)
6、重复第4和第5步操作，自至曲线的后区出现明显的拐点或位移量达到150mm的最大行程；
7、控制处理单元自动获得该位置的沉渣厚度，通过钢缆和电缆将测试探头移到下一个位置上，在移位过程中，利用测试探头的自重并牵引电缆将探针复位；
8、从第4步开始重新对新位置点进行测试(每孔初设5个位置点，也可根据实际要求增加或减少位置点数量)，自至所有位置点的测试完成；
9、保存所有的测试结果，提升测试探头至地面，该孔的测试完成。
预压盘的底部开有六个30°等分的导槽19和六个60°等分的带沉孔的固定螺栓孔，分别用于测试探头被置于沉渣顶部时排除预压盘的底部泥浆和容纳能沉入预压盘底部内的固定螺栓.探针包括锥形头、前部动密封区、位移测量区、后部动密封区以及中心孔，其特征在于：所述的前部动密封区分别与锥形头、位移测量区相连，位移测量区分别与前部动密封区、后部动密封区相连，在后部动密封区内设有中心孔，所述的电缆连接电缆接头，所述的细缆与连接电缆和探针连接，牵引电缆和细缆可使探针复位.所述的控制处理单元由计算机和RS232-485接口转换器组成，计算机可记录锤击数和位移量，并显示其关系曲线，利用沉渣与原状土(天然地层)力学性质差异特征和特征点搜索算法，实现沉渣厚度的测定方法；RS232-485接口转换器可实现RS232到RS485接口的转换，从而利用RS485接口实现测试数据的长距离传输.所述的探针为带锥形头的三节式细长杆件，锥形头经过硬化处理，前部动密封区和后部动密封区经过抛光处理.所述的探针上部中心有一个钻孔，重锤可在其内上下运动.所述的重锤为二节式圆柱体，下部边缘开有四个导水槽.所述的测量单元测量探针的位移量.所述的测量轮外置硬橡胶.其中：锥形头经过了硬化处理，强度更高，不易损坏；前部动密封区和后部动密封区经过了抛光处理，光洁度较高，更好地能与内缸体通过密封圈实现动密封；位移测量区与测量单元滚动接触，能实时测量探针的位移量，且精度较高；中心孔为重锤的运动与锤击区.重锤的前、后部断面直径不同，前部开有四个导水槽，使重锤在中心孔中运动时能降低阻力.测量单元由传感器和测量轮组成，测量轮外置硬橡胶，是为了增强测量轮与位移测量区的接触力，保证位移测量的精度.当探针遭受重锤锤击而发生运动时，位移测量区会带动测量轮转动，而传感器与测量轮同步转动，测量电路将传感器的转动信号准确地记录，并传输至地面的计算机，通过换算确定探针的位移量.
通过以上方案及措施设计的贯入式沉渣厚度自动检测装置，利用了动力贯入法和自动测试技术，通过贯入击数与贯入量的实时关系曲线，建立了有效的计算机算法(请见具体实施方式沉渣厚度的计算方法)，自动地提取了沉渣与原状土(天然地层)力学性质存在显著差异的关键点，减少了对沉渣和原状土(天然地层)力学性质等背景资料的需求，解决了其它沉渣厚度检测装置存在的准确性、可靠性和低效率问题，具有显著的科学性和经济实用价值。
本发明的测试探头利用人工或电动通过绕在绞车上的钢缆进行牵引，当测试探头到达测试部位时，在人工操作下钢缆可用于做提锤和放锤的动作，而电缆(通过一根细缆连接到探针)则可使探针复位。
本发明具有以下优点和积极效果：
1)本发明利用沉渣与原状土(天然地层)力学性质存在的显著差异探测沉渣厚度，减少了对沉渣和原状土(天然地层)力学性质等背景资料的需求。
2)本发明采用动力贯入法，可以实现多次锤击，保证探针穿过沉渣，直至原状土(天然地层)。
3)本发明采用实时位移测量法，对每次锤击所产生的位移量都实时传输至地面的计算机中进行处理。
4)本发明采用计算机实时存储、显示、分析和计算，实现对沉渣厚度检测的自动化。
5)本发明的测试和操作过程简单，各部件安全可靠、不易损坏，降低了测试成本和复杂性，提高了测试可操作性。
6)本发明的测试原理成熟、结构简单、精度高、稳定性好、易于装配和操作、实用性强。
总之，本发明提供了一种利用动力贯入法和不同介质的性质差异特征实现的测试沉渣厚度的科学方法和实用设备，实现了高精度(0.1mm)、大量程(150mm)、深钻孔(大于100米)和快速测量(可在几分钟内完成移位)。设备结构简单、牢固可靠、轻便易携带，可人工或电动牵引，操作过程简单，测试分析自动化，是广泛应用于现场的一种实用设备。
【附图说明】
图1为一种贯入式沉渣厚度自动检测装置结构示意图；
图2为一种测试探头结构示意图；
图3为一种预压盘底视图；
图4为一种探针结构示意图；
图5为一种重锤下部横断面结构示意图；
图6为一种测量单元结构示意图；
其中：
1-测试探头
8-预压盘，9-内缸体，10-探针，11-重锤，12-测量单元，13-测量电路，14-外缸体，15-固定套筒，16-电缆接头，17-外护筒，18-固定螺栓；
8-预压盘
19-导槽，20-固定螺栓孔；
10-探针
21-锥形头，22-前部动密封区，23-位移测量区，24-后部动密封区，
25-中心孔；
11-重锤
26-导水槽；
12-测量单元
27-光电转角编码器，28-Φ15.92mm测量轮。
【具体实施方式】
实施例1：
一种贯入式沉渣厚度自动检测的方法，其检测方法是：
A、以预压方式确定沉渣顶面位置(任意选择)；
B、锤击探针使其贯入到沉渣直至原状土(天然地层)；
C、测量贯入量(即探针的位移量)，记录相应的锤击数；
D、找出贯入量与锤击数关系曲线上的拐点；
E、确定沉渣厚度。
实施例2：
下面结合附图对本发明进一步详细描述：
一、实施结构
1、总体结构及连接关系：
根据图1所示，贯入式沉渣厚度自动检测装置由测试探头1、钢缆2、电缆3、细缆4、仪器控制箱5、控制处理单元6和绞车7组成。按照测试探头1的设计要求，可最高配置钢缆2和电缆3的长度为200米，承重能力达到100公斤。钢缆2可绕在绞车上由电机牵引，也可以由人工牵引。测试探头1与钢缆2、电缆3和细缆4的另一端连接，通过钢缆2可实施下降、提升和移位的动作。仪器控制箱3和控制处理单元4置于地面，与电缆3连接，由电瓶供电和RS-485接口长距离通讯，并由计算机实现对沉渣厚度的自动检测。
2、部件结构及连接关系：
根据图2、图3、图4、图5和图6所示，测试探头1为圆柱形；具有一个中心孔和导槽19的预压盘8位于底部，通过固定螺栓18与内缸体9固定为一体，由密封圈实施静密封；探针10为带锥形头的三节式细长杆件，锥形头21需硬化处理，前部动密封区22和后部动密封区24需抛光处理；探针10位于内缸体9的中心，由密封圈与前部动密封区22和后部动密封区24实施动密封，锥形头21可通过预压盘8的中心孔伸出或缩进；由图4可知，探针10的后部有一个中心孔25，重锤11位于其中，并可上下运动；重锤11为二节式圆柱体，下部边缘开有四个导水槽26；外缸体14有一个中心孔，牵引探针10的细缆和重锤11的钢缆穿过此孔；外缸体14和内缸体9通过固定套筒15紧固为一体，探针10和重锤11位于其中；测量单元12固定于内缸体9的一侧，利用弹簧的拉力，使测量轮28与位移测量区23紧密滚动接触；通过轴向和径向密封圈，外护筒17将全部电子元器件密封于测试探头1的内部；测试探头1的密封能力可达到2MPa，自重为38Kg，除去浮力后，在预压盘8的底部能提供21KPa压力.
一种贯入式沉渣厚度自动检测装置，其测试步骤是：
1、在孔口放置和固定绞车；
2、将钢缆2、电缆3和细缆4连接到测试探头1上，通过滑轮由人工或电动方式将测试探头1置于孔底；
3、打开仪器控制箱5和控制处理单元6的电源开关，设定相关工程信息和测试参数，等待测试开始；
4、通过钢缆2提升重锤11，在感到受力后，表明重锤11已提升到位；
5、迅速放锤并感到重锤11锤击探针10，此时控制处理单元6上读出探针10的位移量，并绘制出位移量与锤击数的关系曲线；(请见沉渣厚度的计算方法)
6、重复第4和第5步操作，自至曲线的后区出现明显的拐点或位移量达到150mm的最大行程；
7、控制处理单元6自动获得该位置的沉渣厚度，通过钢缆2和电缆3将测试探头1移到下一个位置上，在移位过程中，利用测试探头1的自重并牵引电缆3将探针10复位；
8、从第4步开始重新对新位置点进行测试，设定5个位置点，自至所有位置点的测试完成；
9、保存所有的测试结果，提升测试探头1至地面，该孔的测试完成。
沉渣厚度的计算方法
设Hc为沉渣厚度，N为锤击总次数，Si为第i次锤击后探针的位移量。当锤击到第n次时，若探针正好处于沉渣与原状土(天然地层)的分界面上，下式成立：
Kn/Ko＞E (1)
其中：Kn＝(Sn-S0)/n；
Ko＝(SN-Sn)/(N-n)；
E为设定的常数
则沉渣厚度Hc为Sn；若探针位于原状土(天然地层)内，下式成立：
Kn-1/Ko＞E (2)
其中：Kn-1＝(Sn-1-S0)/(n-1)；
则沉渣厚度Hc为：
Hc＝(SnKn-1-nKn-1Ko)/(Kn-1-Ko) (3)
通常，击数与位移量的关系曲线可认为是二段式折线，由此计算机可通过上述公式自动计算沉渣厚度.但是，当沉渣介质不均匀时，击数与位移量的关系曲线则需用多段折线表示，为此可由计算机先搜寻拐点段，基于二段式折线的计算原理，采用多段折线的均值算法，实现沉渣厚度的自动计算.最后，通过击数与位移量的关系曲线，也可由人工识别拐点，确定沉渣厚度.