CN114320277B - 一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆及检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆及检测系统，主要包括一种具有内外杆壁的钻杆、压力传感器、温度传感器、传感器信息采集与处理系统以及钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统。通过对钻杆结构进行改进并设置检测系统，可实现钻孔过程中钻杆垂直度的动态检测，解决了传统检测方法必须等到成孔完毕后才能检测的弊端，有利于提升施工质量与效率；通过传感器与检测系统可实现垂直度数据的自动采集与计算，操作方便，而且不需要人工利用全站仪、水平尺或其它设备进行读数，减少了人的主观因素的影响，受环境影响较小，有利于减小误差。

Description

一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆及检测系统

技术领域

本发明属于建筑施工工具技术领域，尤其是涉及一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆及检测系统。

背景技术

钻杆是钻孔灌注桩钻机的一个组成部分，在进行钻孔时，钻杆的垂直度是很重要的指标，如果钻杆垂直度达不到要求，钻孔就会倾斜，最后的成孔效果无法满足质量要求。

传统的钻孔灌注桩垂直度检测方法是在成孔后利用检验仪器进行测量，这种方法必须等到成孔完毕之后才能测出桩孔的垂直度，不能做到在钻孔过程中对垂直度进行有效控制，不能有效提升施工质量与效率。

常规的钻孔灌注桩钻机没有钻杆垂直度的检测系统，在钻孔过程中如果要获得钻杆垂直度的话，需要借助水平尺或者全站仪观测钻机平整度，这种方法会受到环境条件与主观因素影响。

授权公告号为CN209654028U(申请号为201920349900.5)的中国新型实用专利《桩基钻孔施工垂直度动态观测装置》，公开的垂直度动态观测装置虽然能够实现钻孔过程中钻杆垂直度的动态观测，但仍需要人工观测带刻度的水平管的读数，没有实现垂直度数据的自动化采集与计算，并且读数时带有主观因素。

公告号为CN102787837A(申请号为201110128168.7)的中国发明专利《钻孔灌注桩钻杆内垂直度检测及控制工艺》，公开的钻杆垂直度检测方法需要拆除首节钻杆之后放入电阻感应器探头，通过提升电阻感应器探头逐点测量孔壁垂直度。这种方法需要拆卸钻杆，操作比较复杂，测量需要花费较多时间。

发明内容

为了解决现有技术中钻孔灌注桩钻杆垂直度检测不便的问题，本发明提供一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆及检测系统。

本发明通过对钻孔灌注桩钻杆进行改进并增加一个检测系统，来实现钻孔过程中钻杆垂直度的动态检测，解决了传统检测方法必须等到成孔完毕后才能检测的弊端，有利于提升施工质量与效率；还可以实现垂直度数据的自动采集与计算，操作方便，而且不需要人工利用全站仪、水平尺或其它设备进行读数，减少了人的主观因素的影响，受环境影响较小，有利于减小误差。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆，所述钻杆包括钻杆内杆壁和钻杆外杆壁，所述钻杆内杆壁和钻杆外杆壁之间形成夹层，夹层同时与进液管和出液管连接，所述夹层中注入有液体，所述液体通过进液管注入，通过出液管排出；在所述钻杆内杆壁和钻杆外杆壁之间还设置有压力传感器，所述压力传感器安装固定于钻杆底部；所述压力传感器用于采集所处位置的压力。

在需要测量钻杆垂直度时，所述液体可通过进液管流入直至到达适合的液面高度；测量完毕后，液体通过出液管流出。

进一步地，所述钻杆内杆壁和钻杆外杆壁的间距足够放入压力传感器。

进一步地，所述压力传感器安装固定于钻杆底面，所述压力传感器至少有4个，所述压力传感器沿着钻杆内杆壁等间隔布置。

进一步地，所述液体满足流动性好、不可压缩、不易挥发且没有腐蚀性的要求。

进一步地，所述液体选择为水。

本发明还提供一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，包括所述钻杆以外，还包括温度传感器、传感器信息采集与处理系统以及钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统，所述温度传感器安装在出液管上，当液体从出液管流出时能够测量管内液体的实际温度，所述传感器信息采集与处理系统与压力传感器和温度传感器通过数据线相连；所述钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统与传感器信息采集与处理系统通过数据线相连。

进一步地，所述温度传感器与压力传感器的信号会通过数据线传递给传感器信息采集与处理系统，之后传感器信息采集与处理系统能够通过设定的程序计算出钻杆垂直度等信息。

进一步地，所述传感器信息采集与处理系统为内嵌有通过压力和温度数据计算出钻杆垂直度的程序的计算机。

进一步地，所述传感器信息采集与处理系统计算出钻杆垂直度后会将相关数据通过数据线传输给钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统，钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统会将输入数据进行进一步处理，以实现数据可视化，而且还能够自动判断钻杆垂直度是否满足要求，并显示相关提示信息。

进一步地，所述钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统为内嵌有数据处理模块，并能将处理结果进行显示的计算机。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

1)通过对钻杆结构进行改进并设置检测系统，可实现钻孔过程中钻杆垂直度的动态检测，解决了传统检测方法必须等到成孔完毕后才能检测的弊端，有利于提升施工质量与效率。

2)通过传感器与检测系统可实现垂直度数据的自动采集与计算，操作方便，而且不需要人工利用全站仪、水平尺或其它设备进行读数，减少了人的主观因素的影响，受环境影响较小，有利于减小误差。

附图说明

图1是实施例1中钻杆沿中心轴线剖面及检测系统示意图；

图2是图1所示钻杆A-A剖面结构示意图；

图3是实施例1中倾斜后钻杆沿中心轴线剖面结构示意图；

图4是实施例1中倾斜后钻杆被液体浸润部分的透视结构示意图；

图5是实施例1中钻杆垂直度计算三维示意图；

图6是实施例1中钻杆垂直度计算二维示意图。

图中：1——进液管，2——钻杆内杆壁，3——钻杆外杆壁，4——液体，5——压力传感器，6——出液管，7——钻杆内液面，8——钻杆与钻头的连接装置，9——传感器信息采集与处理系统，10——数据线，11——钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统，12——温度传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

参考图1-图6，本实施例提供一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆，所述钻杆包括钻杆内杆壁2和钻杆外杆壁3，所述钻杆内杆壁2和钻杆外杆壁3之间形成夹层，夹层同时与进液管1和出液管6连接，所述夹层中注入有液体4，所述液体4通过进液管1注入，通过出液管6排出；在所述钻杆内杆壁2和钻杆外杆壁3之间还设置有压力传感器5，所述压力传感器5安装固定于钻杆底部；所述压力传感器5用于采集所处位置的压力。

所述钻杆下端设置钻杆与钻头的连接装置8。

本实施例中，所述钻杆内杆壁2和钻杆外杆壁3的间距足够放入压力传感器5。采用了四个压力传感器5，压力传感器5固定在钻杆底面，两个相邻的压力传感器5与钻杆中心轴线的连线之间夹角均为90度，参见图2。在需要测量钻杆垂直度时，所述液体4可通过进液管1流入直至到达适合的液面高度；测量完毕后，液体4通过出液管6流出。参见图1。上述过程可由小型水泵与开关进行控制。为了防止其他因素干扰，检测钻杆垂直度时需要暂时停止钻进工作，当检测完后将钻杆内液体4排出钻杆后，方可继续进行钻进工作。此外，为了保证压力传感器采集的数据的可靠性，采用的液体4应满足流动性好、不可压缩、不易挥发且没有腐蚀性的要求，为了简单起见，可以使用水。

参考图1-图6，本实施例还提供一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，包括所述钻杆以外，还包括温度传感器12、传感器信息采集与处理系统9以及钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统11，所述温度传感器12安装在出液管6上，当液体4从出液管6流出时能够测量管内液体4的实际温度，所述传感器信息采集与处理系统9与压力传感器5和温度传感器12通过数据线10相连；所述钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统11与传感器信息采集与处理系统9通过数据线10相连。

所述温度传感器12与压力传感器5的信号会通过数据线10传递给传感器信息采集与处理系统9，之后传感器信息采集与处理系统9能够通过设定的程序计算出钻杆垂直度等信息。所述传感器信息采集与处理系统9为内嵌有通过压力和温度数据计算出钻杆垂直度的程序的计算机。

所述传感器信息采集与处理系统9计算出钻杆垂直度后会将相关数据通过数据线10传输给钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统11，钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统11会将输入数据进行进一步处理，以实现数据可视化，而且还能够自动判断钻杆垂直度是否满足要求，并显示相关提示信息。所述钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统11为内嵌有数据处理模块，并能将处理结果进行显示的计算机。

当钻杆倾斜时，由于重力作用，钻杆内液体4的自由表面会保持水平，而此时钻杆侧面与底面都会相对原来的位置转过α角，所以四个压力传感器5的读数会产生变化，到钻杆内液面7的垂直距离大的压力传感器5对应的压力读数会大一些，参见图3(图3仅表示钻杆倾斜的一种特殊情况)。

传感器信息采集与处理系统9会收到由四个压力传感器5和温度传感器12传递过来的钻杆不同位置的压力读数和实测得到的液体4的温度数据。然后就可以通过实现设定好的程序计算出钻杆的倾斜角α以及钻杆在三维局部坐标系中的倾斜方向，倾斜方向以图5所示角度θ₀表示。具体计算方法如下(参见图5、图6)：

(1)由温度传感器12传递的温度数据及液体密度与温度之间的关系公式获得液体4在当前温度下的密度ρ；

(2)由四个压力传感器5(从在x轴上且x坐标最大的传感器开始逆时针编号)的压力读数P₁、P₂、P₃、P₄和公式P＝ρgh分别计算出四个压力传感器5对应的位置处的液体4的深度h₁、h₂、h₃、h₄；

(3)根据三维坐标变换的相关性质，可以得出通过四个压力传感器5所处位置的柱体的母线长度z₁、z₂、z₃、z₄，计算公式为：

进而可以得到图5中所示的钻杆倾斜后液面的边缘线经过的四个点坐标，在图5与图6所示的局部柱坐标系中，四个点坐标可以表示为：(0,z₁)、(π,z₃)、/>

此时，四个点坐标中均含有未知参数α。

(4)图5中所示的钻杆倾斜后液面的边缘线在局部坐标系(方便起见取为柱坐标系)中的曲线方程可以表示为

其中：z₀表示原点o对应的钻杆内液面7的z坐标；

θ₀表示钻杆中轴线在xoy平面的投影与x轴正方向的夹角，如图5所示；

z_max表示θ₀方向对应的钻杆内液面7的z坐标，如图5所示，即为A点对应的母线长度。

可以看出曲线方程中有三个未知参数z₀、θ₀、z_max，若将(3)中得到的四个点坐标代入上述曲线方程，可以得到四个方程构成的方程组，方程组中恰好有四个未知参数z₀、θ₀、z_max、α，联立求解方程组即可得出四个未知参数的值。

本实施例中采用四个压力传感器5，但实际实施过程中也可以采用多于四个压力传感器5，这时就可以用其中四个压力传感器5来联立方程组以求得未知参数，剩余的压力传感器5就可以用于检验求出的曲线方程表达式的正确性，如果检验得出的相对误差超过一定限值(例如±5％)，那么就应该对相关结构与系统进行检查与校正。通过检验之后就可以得出符合要求的曲线方程表达式以及θ₀、α。

钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统11会接收到传感器信息采集与处理系统9传递的曲线方程表达式、θ₀、钻杆倾斜角α等相关数据，根据这些数据，可以由相关程序绘制出钻杆及钻杆内液体4在三维空间中的倾斜状态示意图，并自动判断钻杆垂直度是否满足限制条件(人为规定的倾斜角上限值)，判断完成后会给出相关提示信息。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆，其特征在于，所述钻杆包括钻杆内杆壁(2)和钻杆外杆壁(3)，所述钻杆内杆壁(2)和钻杆外杆壁(3)之间形成夹层，夹层同时与进液管(1)和出液管(6)连接，所述夹层中注入有液体(4)，所述液体(4)通过进液管(1)注入，通过出液管(6)排出；在所述钻杆内杆壁(2)和钻杆外杆壁(3)之间还设置有压力传感器(5)，所述压力传感器(5)安装固定于钻杆底部；所述压力传感器(5)用于采集所处位置的压力；

所述压力传感器(5)安装固定于钻杆底面，所述压力传感器(5)至少有4个，所述压力传感器(5)沿着钻杆内杆壁(2)等间隔布置；

所述液体(4)满足流动性好、不可压缩、不易挥发且没有腐蚀性的要求。

2.根据权利要求1所述的一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆，其特征在于，所述钻杆内杆壁(2)和钻杆外杆壁(3)的间距足够放入压力传感器(5)。

3.根据权利要求1所述的一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的钻杆，其特征在于，所述液体(4)选择为水。

4.一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，其特征在于，包括权利要求1-3中任一项所述的钻杆，还包括温度传感器(12)、传感器信息采集与处理系统(9)以及钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统(11)，所述温度传感器(12)安装在出液管(6)上，当液体(4)从出液管(6)流出时能够测量管内液体(4)的实际温度，所述传感器信息采集与处理系统(9)与压力传感器(5)和温度传感器(12)通过数据线(10)相连；所述钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统(11)与传感器信息采集与处理系统(9)通过数据线(10)相连。

5.根据权利要求4所述一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，其特征在于，所述温度传感器(12)与压力传感器(5)的信号会通过数据线(10)传递给传感器信息采集与处理系统(9)，之后传感器信息采集与处理系统(9)能够通过设定的程序计算出钻杆垂直度信息。

6.根据权利要求5所述一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，其特征在于，所述传感器信息采集与处理系统(9)为内嵌有通过压力和温度数据计算出钻杆垂直度的程序的计算机。

7.根据权利要求4所述一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，其特征在于，所述传感器信息采集与处理系统(9)计算出钻杆垂直度后会将相关数据通过数据线(10)传输给钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统(11)，钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统(11)会将输入数据进行进一步处理，以实现数据可视化，而且还能够自动判断钻杆垂直度是否满足要求，并显示相关提示信息。

8.根据权利要求7所述一种可检测钻孔灌注桩钻杆垂直度的检测系统，其特征在于，所述钻杆垂直度数据可视化显示与提示系统(11)为内嵌有数据处理模块，并能将处理结果进行显示的计算机。