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原文传递一种压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置及方法

专利名称：	一种压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置及方法
摘要：	本发明涉及一种压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置及方法，包括：桩侧注浆装置、桩端注浆装置和智能化测试装置。本发明的有益效果是：本发明的微型土压力计、位移计配合桩身轴力测试装置组成桩侧注浆智能化测试系统；该智能化测试系统将桩侧注浆时的外部土压力、活塞位移及桩身轴力进行综合测试，系统判断桩侧注浆对桩周土体及桩身的影响，实现合理注浆，避免了注浆不足或注浆过量的问题；本发明可以设定桩侧最小出浆压力及最大出浆压力，可通过调节注浆机的出浆压力来调节桩侧的出浆压力；桩侧注浆可根据桩侧压力及桩身轴力变化实现最优注浆量，并可通过位移计数据了解桩侧出浆情况。
专利类型：	发明专利
申请人：	中铁上海工程局集团有限公司
发明人：	周晔;黄浩;韩仲;胡光静;刘干斌;吴湘通;袁岳峰;熊勇林;高游;黄强
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T00:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T17:00:00+0805
申请号：	CN201911356605.3
公开号：	CN111021359A
代理机构：	杭州九洲专利事务所有限公司
代理人：	张羽振
分类号：	E02D15/04;E;E02;E02D;E02D15;E02D15/04
申请人地址：	200040 上海市静安区江场三路278号
主权项：	1.一种压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置，其特征在于：包括桩侧注浆装置(9)、桩端注浆装置(6)和智能化测试装置；桩侧注浆装置(9)分布在钻孔桩钢筋笼(5)上，桩侧注浆头(14)设置在钻孔桩钢筋笼(5)内侧，桩侧注浆软管(12)设置在钻孔桩钢筋笼(5)周围，桩侧注浆头(14)连接桩身注浆钢管(8)；桩端注浆装置(6)设置在钻孔桩钢筋笼(5)底端，桩端注浆装置(6)连接桩身注浆钢管(8)；桩身注浆钢管(8)分布在钻孔桩钢筋笼(5)上，每个桩身注浆钢管(8)顶部设置注浆阀门(7)，桩身注浆钢管(8)顶端连接注浆机(1)；每个桩身轴力测试断面埋设钢筋应力计(10)，钢筋应力计(10)两端设置钢筋应力计连接杆(11)，钢筋应力计连接杆(11)焊接在钻孔桩钢筋笼(5)上；智能化测试装置主要由桩侧及桩端的活塞位移计、桩侧及桩端的土压力计和桩身的钢筋应力计组成；钢筋应力计(10)和桩侧及桩端的传感器通过传感器数据线(4)连接至数据采集仪(3)，数据采集仪(3)连接至电脑(2)。 2.根据权利要求1所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置，其特征在于：桩侧注浆装置(9)主要由桩身注浆钢管(8)、桩侧注浆头(14)和桩侧注浆软管(12)组成，桩侧注浆头(14)两侧通过桩侧注浆软管连接口(21)连接桩侧注浆软管(12)形成环绕状结构，桩侧注浆头(14)上端通过桩侧注浆钢管连接头(15)连接桩身注浆钢管(8)。 3.根据权利要求1所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置，其特征在于：桩端注浆装置(6)主要由桩端注浆防撞保护装置(37)、桩端注浆逆止阀(59)、桩端注浆头(49)和桩端注浆头破土尖锥(46)组成，桩端注浆防撞保护装置(37)下方设置桩端注浆逆止阀(59)，桩端注浆逆止阀(59)下方设置桩端注浆头(49)，桩端注浆头(49)下方设置桩端注浆头破土尖锥(46)。 4.一种如权利要求1所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的安装方法，其特征在于：包括以下步骤： 1)桩侧及桩端注浆装置的安装 1.1)桩侧注浆装置(9)的安装 1.1.1)根据桩侧注浆深度，在对应的钻孔桩钢筋笼(5)位置用铁丝将桩侧注浆头(14)捆绑在钻孔桩钢筋笼(5)的内侧；待捆绑有桩侧注浆头(14)的钻孔桩钢筋笼(5)从桩机开始下孔时，用铁丝将桩侧注浆软管(12)围绕钻孔桩钢筋笼(5)进行绑扎，将桩侧注浆软管(12)端头绕进钻孔桩钢筋笼(5)内与桩侧注浆头(14)连接固定； 1.1.2)根据桩身长度将用于接长的传感器数据线(4)准备好，并将接长线缆与桩侧注浆装置(9)的位移计(27)及微型土压力计(19)的传感器数据线(4)连接；将位移计接长线缆及微型土压力计接长线缆用防水胶布黏贴在一起；桩侧注浆软管(12)捆绑完后继续下放钻孔桩钢筋笼(5)，在桩侧注浆头(14)的桩侧注浆钢管连接头(15)浸没在孔内泥浆之前把桩身注浆钢管(8)安装上，随着钻孔桩钢筋笼(5)的逐节下放，桩身注浆钢管(8)及传感器数据线(4)也逐节安装捆绑在钻孔桩钢筋笼(5)上； 1.1.3)当钻孔桩钢筋笼(5)全部下放完成后，在桩身注浆钢管(8)顶部安装注浆阀门(7)，将传感器数据线(4)露出地面的部分用不同颜色的油漆标记；至此完成桩侧注浆装置(9)的安装； 1.2)桩端注浆装置(6)的安装 1.2.1)在钻孔桩钢筋笼(5)的底笼下端焊接桩端注浆防撞保护装置(37)，将桩端注浆头(49)与桩端注浆防撞保护装置(37)下方的桩端注浆逆止阀(59)焊接起来；根据桩身长度将用于接长的传感器数据线(4)准备好，并将接长线缆与桩端注浆装置(6)的位移计(27)及振弦式土压力计(52)的传感器数据线(4)连接；将位移计接长线缆及振弦式土压力计接长线缆用防水胶布黏贴在一起；将传感器数据线(4)全部沿着桩侧主筋进行绑扎； 1.2.2)后续钢筋笼逐节下放，桩身注浆钢管(8)及传感器数据线(4)也逐节捆绑；当钢筋笼全部下放完成后，在桩身注浆钢管(8)顶部安装好注浆阀门(7)，将传感器数据线(4)露出地面的部分用不同颜色的油漆标记；至此完成桩端注浆装置(6)的安装； 2)桩身轴力测试装置的安装根据地质勘察报告，在不同地层的分界面上设置桩身轴力测试断面，每个断面埋设若干个钢筋应力计(10)；首先将每个钢筋应力计(10)两端旋上钢筋应力计连接杆(11)，然后将钢筋应力计连接杆(11)焊接在钻孔桩钢筋笼(5)上，传感器数据线(4)沿着钻孔桩钢筋笼(5)主钢筋进行绑扎，当钻孔桩钢筋笼(5)全部下放完成后，将传感器数据线(4)露出地面的部分用不同颜色的油漆标记。 5.根据权利要求4所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的安装方法，其特征在于：步骤1.1.2)中，所述微型土压力计(19)量程范围为0～1.0MPa，分辨率为≤0.05％FS。 6.根据权利要求4所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的安装方法，其特征在于：步骤1.2.1)中，所述位移计(27)量程为5～10cm，外形直径为20～30mm，分辨率小于0.1mm，工作温度-30°～85°。 7.根据权利要求4所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的安装方法，其特征在于：步骤1.2.1)中，所述振弦式土压力计(52)量程范围为0.02～1.0MPa，外形尺寸:直径12cm，厚度3.5cm；振弦式土压力计传感器计算公式：式中：ft为土压力；kt为土压力计传感器率定参数；ft1为土压力计的当次测试频率；ft0为土压力计的初始频率。 8.根据权利要求4所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的安装方法，其特征在于：步骤2)中，所述钢筋应力计(10)分辨率为≤0.05％FS，测量范围0～260Mpa，钢筋应力计连接杆(11)的尺寸与钻孔桩钢筋笼主筋尺寸一致；钢筋应力计传感器计算公式：式中：fs为测得的主钢筋拉力或压力；ks为钢筋应力计传感器率定参数；fs1为钢筋应力计传感器的当次测试频率；fs0为钢筋应力计传感器的初始频率。 9.一种如权利要求1所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的控制方法，其特征在于： 1)桩侧智能化注浆控制桩侧注浆时，当桩身轴力接近最大值或桩身轴力逐渐增大至稳定时，则停止注浆；桩侧注浆时，当桩侧微型土压力计的压力达到最大值或微型土压力计的压力逐渐增大至稳定时，则停止注浆；桩侧注浆时，桩侧注浆控制阀内的活塞在浆液压力的作用下发生滑动，根据胡克定律，推动活塞的压力与弹簧的变形成正比，由活塞底部的位移计测得的位移可计算出推动活塞的浆液压力，即P1＝ku，P1为出浆口浆液压力，k为弹簧的弹性系数，u为活塞的位移；由伯努利定理可知设注浆机出浆口的浆液压力为P0，注浆机单位时间的出浆量为q，注浆机出浆口的截面面积为A1，注浆机出浆口至桩侧注浆控制阀出浆口的高程差为h，浆液密度为ρ，注浆系统管路的压力损耗为一定值Ps，桩侧注浆控制阀出浆口的截面面积之和为A2，A2的大小与活塞的行程有关，表示为A2(u)，A2(u)的表达式与活塞出浆口的形状有关；由此建立注浆机出浆口压力P0与活塞行程u的关系式：上式中只有Ps是未知量，通过试注浆得到式中的其他参数值，进而算出Ps的值；得到上式的具体数值表达式后，根据想要的出浆口的开口度计算出注浆机的注浆压力，进而实现注浆可控；调节弹簧的长度及弹性系数实现注浆阈值的调节，即调节桩侧注浆的起始出浆压力及最大出浆压力；最小桩侧出浆压力的表达式为Pmin＝kΔs1，Pmin为最小出浆压力，k为弹簧弹性系数，Δs1为活塞出浆口最低点与控制阀外壁出浆口最高点的距离；最大桩侧出浆压力表达式为Pmax＝kΔs2，Pmax为最大出浆压力，k为弹簧弹性系数，Δs2为活塞出浆口最高点与控制阀外壁出浆口最低点的距离；外壁出浆口的形状与活塞出浆口的形状一致，设外壁出浆口的最高点至控制阀底部的距离为h1，最低点至控制阀底部的距离为h2，活塞出浆口的最低点到活塞底部的距离为h3，为实现最小及最大出浆压力，则调整弹簧的长度及弹性系数，弹簧长度及弹性系数的要求如下式所示：根据以上两式得出弹簧的长度及弹性系数；通过这两个参数配置的弹簧就能控制最大及最小出浆压力；配置合适的桩侧注浆控制阀弹簧，实现最大及最小出浆压力，根据现场实测的桩侧压力及桩身轴力，实现桩侧注浆量的最优化；当控制阀出浆量或出浆压力需要调整时，则根据已有的公式计算得到注浆机出浆口需要的压力，通过调整注浆机的注浆压力实现桩侧出浆状况的可控； 2)桩端智能化注浆控制桩端注浆时，当桩身的轴力逐渐增大并趋于稳定时，则停止注浆；桩端注浆时，当桩端振弦式土压力计的压力达到最大值或振弦式土压力计的压力逐渐增大至稳定时，则停止注浆；桩端注浆时，桩端注浆控制阀内的活塞在浆液压力的作用下发生滑动，根据胡克定律，推动活塞的压力与弹簧的变形成正比，由活塞底部的位移计测得的位移计算出推动活塞的浆液压力,即P1＝ku，P1为出浆口浆液压力，k为弹簧的弹性系数，u为活塞的位移；由伯努利定理可知设注浆机出浆口的浆液压力为P0，注浆机单位时间的出浆量为q，注浆机出浆口的截面面积为A1，注浆机出浆口至桩端注浆控制阀出浆口的高程差为h，浆液密度为ρ，注浆系统管路的压力损耗为一定值Ps，桩端注浆控制阀出浆口的截面面积之和为A2，A2的大小与活塞的行程有关，表示为A2(u)，A2(u)的表达式与活塞出浆口的形状有关；由此建立注浆机出浆口压力P0与活塞行程u的关系式：上式中只有Ps是未知量，通过试注浆得到式中的其他参数值，进而算出Ps的值；得到上式的具体数值表达式后，根据想要的出浆口的开口度计算出注浆机的注浆压力，进而实现注浆可控；调节弹簧的长度及弹性系数实现注浆阈值的调节，即调节桩端注浆的起始出浆压力及最大出浆压力；最小桩端出浆压力的表达式为Pmin＝kΔs1，Pmin为最小出浆压力，k为弹簧弹性系数，Δs1为活塞出浆口最低点与控制阀外壁出浆口最高点的距离；最大桩端出浆压力为表达式为Pmax＝kΔs2，Pmax为最大出浆压力，k为弹簧弹性系数，Δs2为活塞出浆口最高点与控制阀外壁出浆口最低点的距离；外壁出浆口的形状与活塞出浆口的形状一致，设外壁出浆口的最高点至控制阀底部的距离为h1，最低点至控制阀底部的距离为h2，活塞出浆口最低点到活塞底部的距离为h3，为实现最小及最大出浆压力，则调整弹簧的长度及弹性系数，弹簧长度及弹性系数的要求如下式所示：根据以上两式得出弹簧的长度及弹性系数；通过这两个参数配置的弹簧就能控制最大及最小出浆压力；配置合适的桩端注浆控制阀弹簧，实现最大及最小出浆压力，根据现场实测的桩端压力及桩身轴力，实现桩端注浆量的最优化；当控制阀出浆量或出浆压力需要调整时，则根据已有的公式计算得到注浆机出浆口需要的压力，通过调整注浆机的注浆压力实现桩端出浆状况的可控。 10.一种如权利要求1所述的压力可控的钻孔灌注桩桩端和桩侧智能化后注浆装置的注浆测试方法，其特征在于：各装置安装完成后，进行现场注浆及测试实施：将位移计(27)和微型土压力计(19)的传感器数据线(4)接到数据采集仪(3)，数据采集仪(3)的数据线连到电脑(2)上；振弦式土压力计(52)的数据采集用频率仪进行人工测试；准备好注浆的水及水泥；注浆机(1)的注浆管与注浆阀门(7)连接，首先进行桩侧注浆，再进行桩端注浆；现场测试时，汇总计算各项测试数据，根据测得的位移计及土压力数据调整注浆压力及注浆时间；桩侧注浆时，随着浆液从桩侧的喷出，桩身轴力及桩侧土压力增大，当桩身轴力及桩侧土压力逐渐增大至稳定时停止注浆；桩端注浆时，随着浆液从桩端的喷出，桩身轴力及桩端土压力增大，当桩身轴力及桩端土压力逐渐增大至稳定时停止注浆。
所属类别：	发明专利