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东北大学硕士学位论史摘要 粉喷桩监测系统的研制 摘要 实现隐献j 程的在线监测直是t 程界关心的问题，如何对粉唢桩成桩过程进行实时监 测和记录，提高工程质量也是上程施工监管部门1 f 常关心的问题。本文通过对粉喷桩1 一艺和 成桩过程的分析研究，总结出影响粉喷桩成桩质量的关键参数，t i ) f 制出粉喷桩监测系统，刘 关键参数进行实时监控，从而提高粉喷桩成桩质量。奉文主要内容如f ： 1 对粉喷桩工艺进行分析，特别是对影响成桩质量的关键过程和关键 i 艺参数。同b , j 对 国内目前的几种监测仪进行了性能分析和对比。 2 在此的基础上，捉h 了几种在线监测方案并进行比较、分析，提山了一种非常适合粉 喷桩施工工艺特点、克服了其它记录仪之不足的可行方案。 针对可行的方案进行了方案设计和系统设计。首次提出了对 _ 程和设计参数的预先 设定功能，同时，提出了一种新型的图形0 d 实时曲线监测和前后台实时设计和实 绩参数的传输方法，直观、有效地解决了成桩过程中的盲目性，在“多桩长，变参量” 粉喷桩设计与施工工艺相结合方面实现，突破。 4 全面完成了粉喷桩监测仪的开发上作，解决了在系统设计和实现方面遇到的问题，并 首次在粉喷桩监测仪中实现了图形监控画面和前后台实时通讯的方式传递各种参数 和操作指令，自主开发了主机软件及前台仪表的硬件和软件，系统通过了现场中试取 得了较好的效果。 关键词；粉喷桩，实时监测，p c i 0 4 ，单片机( 8 0 c 3 2 0 ) ，c 5 1 ，r s 一4 2 2 通讯，智能 仪表汉字输入。 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n t o f s p u r t i n gp o l e m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t t oa c h i e v eo n l i n em o n i t o r i n go fah i d d e np r o j e c ti s a l w a y saq u e s t i o nt h a tw a sc o n c e r n e di n e n g i n e e r i n g h o wt or e a l - t i m em o n i t o ra n dr e c o r dt h ep r o c e s so fp o l e s f o r m i n g ，a n d h o wt o i m p r o v ep r o j e c tq u a l i t ya r ea l s oq u e s t i o n st h a ta r ec o n c e r n e db yt h ed e p a r t m e n to fp r o j e c tb u i l d i n g a n d p r q i e c tm a n a g e m e n t t h i sp a p e r d r a w sac o n c l u s i o no f k e yp a r a m e t e r s t b a ta f f e c ts p u r t i n gp o l e s q u a l i t yb ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt h es p u r t i n gp o l e st e c h n i c sa n dt h ep r o c e s so fp o l e sf o r m i n g i ti m p r o v e st h eq u a l i t yo fp o l e sf o r m i n gb yd e v e l o p i n gas p u r t i n gp o l es y s t e mw h i c hc a nr e a l t i m e m o n i t o r k e yp a r a m e t e r s t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e s4p a r t s t h e ya r ea sf o l l o w s ： i np a r t1 ，t h i sp a p e ra n a l y z et h es p u r t i n gp o l et e c h n i c s ，e s p e c i a l l yt h ek e yp r o c e s sa n dt h ek e y p a r a m e t e r sw h i c h a f f e c tt h eq u a l i t yo f t h e p o l e sf o r m i n gi ta l s og i v e sa na n a l y s i so f s e v e r a lk i n d so f c u r r e n tm o n i t o r i n ga p p a r a t u si nc h i n a b a s e do np a r t 1 ，i np a r t2 ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r ds e v e r a lo n l i n em o n i t o r i n gs c h e m e sb y c o m p a r i n ga n da n a l y z i n g t h es c h e m e s ，t h ep a p e r p r o v i d e s af e a s i b l es c h e m e t ot h ef e a s i b l es c h e m e ，p r o j e c td e s i g nm a ds y s t e md e s i g na r ed o n ei n p a r t 3o ft h i sp a p e r i t b r i n g s f o r w a r dan e w s t y l e g r a p h i c sr e a l - t i m e c h i v em o n i t o r i n g ，a n dp r o v i d e s f o r e g r o u n da n d b a c k g r o u n dr e a l t i m ed e s i g n i ta l s oc a nt r a n s m i tr e a lp e r f o r m a n c ea l lt h e s ec a ns o l v et h eb l i n d n e s s d u r i n gf o r m i n gt h ep o l e sv i s u a l l ya n de f f i c i e n c ya n dt h o s ec a r li m p r o v et h eq u a l i t yo fp o l e sf o r m i n g t h el a s tp a r td e v e l o p i n gt h es p u r t i n gp o l em o n i t o r i n ga p p a r a t u s i ts o l v e st h ep r o b l e md u r i n g s y s t e md e s i g na n di m p l e m e n t i ti st h ef i r s tt i m et h a ti ti n t r o d u c e sg r a p h i c sm o n i t o r i n gi n t e r f a c e sa n d t r a n s f e r ss o m ep a r a m e t e r sa n do p e r a t i o ni n s t r u c t i o n sw i t hr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n s o f t w a r eo f h o s t c o m p u t e r i s d e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y , s o d i dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ef o r f o r e g r o u n d a p p a r a t u st h es y s t e mg e tb e t i e re f f e c t s k e y w o r d s ：s p u r t i n gp o l e ，r e a lt i m em o n i t o r i n g ，p c l 0 4 ，s i n g l ec h i pm i e y o e o ( 8 0 e 3 2 0 ) ，c 5 1 i i i 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，岜 不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何r 作均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 锄箩 r ；7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 水泥粉体喷射搅拌法( 简称粉喷法) 是一种可以降低软土基加固工程施工成本的施工方 法。该方法最先在目本使用，效果很好，国内从】9 8 8 年第一台步履式粉体喷射搅拌机诞生以 来的，粉体喷射搅拌法加固软土基得到了广泛的应用。尤其在多层建筑、高速公路、机场跑 道、标准厂房、大面积高荷重堆载地坪等地基加固和基坑围护、基坑防渗帷幕等工程应用方 面取得了良好的社会效益和经济效益。替代钻孔、夯扩、静压桩等造价高、强度高的桩型。 其特点是r 期短、造价低、无污染等特点，由于粉喷桩比较低廉的地基加固费用和浅基加固的 经济合理性，它的工程应用在较短的几年里，很快从上海等沿海软土地区向全国推行，颇受 建设单位的欢迎。但是，由于大规模应用，市场需求旺盛，使得一些不具备技术条件的小i ： 程队也进入了这块市场，再加上t 程监管力量和手段跟不上，造成r 一些质量问题，有些地 方甚至不允许在软土基加崮工程中使用喷粉法，上海市建委看到了这种方法的广阔前蠼，为 了加强监管力度，并委托上海岩土工程勘察设计院进行管理。粉体喷射搅拌机存在的最主要 的不足就是没有配置适用的粉体喷量监测记录装置。粉喷桩是水泥搅拌桩的一种，它主要是 以水泥为固化材料与被加同的软j 二搅拌均匀后形成的比原状土的强度有火幅度提高的水泥土 柱。显然。对于同一工稳性状的软士，加固后桩身强度的大小必与掺入同一牖种标号的水泥 的多少直接相关。殴计人员根据桩身强度设定，单位方量土体中水泥的掺入比，而验证水泥 阎化材料是否按设计掺入比均匀地喷搅于土体中，就需要一种可靠适用的计量装置。该院为 r 提高监管手段一l 报上海市建筑业管理办公室要求对粉喷技术进行进一步实验研究，上海 市建筑业管理办公室很快进行了批复同意上海上海岩土工程勘察设计院进行进一步研究，并 要求将该科研课题报上海市建委教育科研处立项。上海岩土工程勘察设计院要求该院r 面的 上海恒联科技发展有限公司联合社会力量尽快研制一套粉体喷量监测记录仪，上海恒联科技 发展有限公司委托上海梅山冶金公司自动化部进行开发。 施i ：质量是。程成败的关键环节。粉喷桩施工为隐蔽工程施工，因此，必须使施工全过 程具有可监视性，以达到随时调整的目的，这其中包括气压的调整、喷灰量的调整、钻杆转 速及升降速度的调攘等，所有这一切均是为了保证喷灰量及桩身质量达到设计要求。i 殳计是 以严格的“量”来要求施工的，施工要满足设计提出的“量”的要求，就必须使施工过程可 监控。所以研制适合粉喷桩施工工艺特点的符合技术规范对加固料掺量和成桩深度偏差控制 要求并方便施工操作的粉喷桩施t 监测仪，改变以往用尺子测定灰罐内加固料顶面下降量估 算单桩加固料总掺量的粗略测量方法，使加固料掺量在任一桩段均处于受控状态，井达到设 计指标，从而保证成桩质量，这就是我们提出研制粉喷桩施工监测仪的基本目的。 l _ 2 技术综述 在我国沿海地区及广大南方地区，广泛存在着海相沉积、内陆湖相沉积以及冲积形成的 较土地层。这些软土地基具有高含水蹙、大孔隙比、高压缩性的特点。8 0 年代以来，稿：交通 _ ：_ ：r 程特别是高等级公路建设中，冈路面的工后沉降控制要求较高，处理软土地基般采i i = | j 按 太沙基的固结理论如超载预压，砂井、插塑板排水固结预压。9 0 年代以来随着复合地基理 论研究的深入，诸如搅拌桩( 水泥浆、水泥粉体) 、碎石桩等技术在高等级公路旅 中得到广泛 应用，较成功地解决了路基的后期沉降、高填土路基稳定、管涵施工避免二次开挖等问题。 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 粉喷桩的成桩质量与许多因素有关其中粉体掺入量的多少和成桩是否均匀非常重要， 所以如何计量粉体更成为关键。从理论上讲，气体和i 刮体双相流的计量具有很大难度，但义 1 f 常重要，目前使用的灰罐体积测量法、电子秤称重法、弹簧秤称重法等均不是很理想的计 量方法。最近某些单位通过对粉喷桩新型计量装置的研制，提出了气固烈相流称鼍汁最，它 ，j 以较大程度地克服现有计量装置所产生误差，同时也提出了改进目前电子秤称重法的方案， 从而使得粉喷桩施工工艺更趋完善，质量更加可靠。 如上所述，复合地基中水泥含量的多少是影响地基承载力的关键因素。通常，水泥含量 越高，复合地基的无侧限抗压强度越高。为此，在粉喷桩加固软土地基的施丁中，应根据粉 喷桩承载力的特点控制水泥输山量，以提高粉喷桩的成桩质量。需要指出的是，控制水泥输 出最不能一概采用加人单桩水泥消耗总量的办法。这样，不但缺乏科学性，而且还会导致水 泥沿成桩轴向远离实际需求的现象，影响成桩质量，并造成浪费。为了控制水泥输出量，对 直径一定的粉喷桩来说粉体发送器单位时间内粉体喷出量应由下式确定： 。= 万万9 2v 卢屹= 署。2 v p 9 2 万虿”。卢屹。了d p 。 式中，g 一加同料的喷出量， 名j n p 一软土的容量， 形，； 一水泥渗入比，由设计确定 v 一钻头提升速度， i 。； d 一钻头直径，m 。 式( 1 】) 除选择合适的粉体喷出量外，同时还必须控制加固料输送系统的风压及风量的人小。风 压及风量的大小取决与现场的施工深度，搅拌头的组合形式，粉喷口的直径和数量，以及搅 拌头的提升速度等。风压、风量过小，u - l 深时送粉困难，喷粉口容易堵塞；而风压过大， 则容易将粉体喷向地表，导致成桩时水泥沿桩体轴线方向分布不均匀。控制加固料输送系统 风压及风量的大小，对于提高粉喷桩施工质量十分重要。为了保证桩体不同深度加固料禽量 相同，应使风压及风量岁随孔深逐渐加大，以抵消围压逐渐增大的影响，保持粉喷口内外压 压力差为一恒值，这需要通过理论分析和施工前实验桩施工予以确定。 在粉喷桩施工完毕后主要通过以f 方法进行检验： 检查施工记录。重点检查搅拌深度、加固料喷入的连续性、单桩喷入总量及每米喷 入量。 开挖检验。在已完成的工程桩中按2 比例随机开挖抽检，开挖深度o 5 1 o m ，丰 要检查混合十混合程度及桩头强度。 取芯抽样检验。在成桩2 8 天后，按2 l p 例随机抽检，从桩顶以f 按o 5 m ，l m ，15 m 截取3 部分制作试块，进行无侧限抗压强度试验。另外，有条件的应做单桩承载力 试验，频率可按1 随机抽样。 目前，国内的粉喷桩监测仪主要是针对第一种检查方法进行设计。 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 国内粉喷桩监测仪性能比较 近年来，市场上出现的粉喷桩施工监测仪儿乎都以加固料掺虽与深度测定的数字记录为 特征，并或多或少存在如下的不足： 称重精度冈仪器抗干扰性能较差而欠稳定，或相对精度不理想。 仅有数字显示和记录，不能实时显示和记录掺量与深度的函数图象( q d 曲线) 。 掺量后置于深度，不能做到掺量与深度同步实时显示和记录。 不能适应同一场地“多桩长、变掺量”的设计需求。 q ；能将任意行程中( 钻头上升或下降) 复喷量与先前掺量自动迭加并实时显示，或迭加 功能只限于钻头上升过程中实现。 复搅深度有的可能被人为操作而设置假象( 假的复搅深度记录数据) ，有的虽不能被人为 修改，但复搅深度或程序主要靠操作人员的记忆去控制，而没有复搅深度的图象和数字 实时显示。 因缺乏q d 设计标准曲线显示，即没有直观的标准曲线的对照，操作人员对加固料掺量 的操作控制相当费神，反映出监视界面不直观，不能方便的实现实时跟踪和施工技术参 数的随机及时调整。 表1 1 国内粉喷桩施工监测仪主要功能比较表 t a b l e1 1m a i nf u n c t i o n s c o n t r a s to f s p u r t i n gp o l eb u i l d i n gm o n i t o r i n ga p p a r a t u si nc h i n a 序号功能f p j 型f p j 1 型f 2 1 型p j 4 1 型s f j 1 型 设计参数输入与 l 显示 设计与实测o - d 2曲线的跟踪显示 x 比较 复喷实时迭加与 3 打印记录 复搅数据与图象 4的深度跟踪显示 与打印记录 原始记录不可修 5 改 6数据软盘记录 7 汉字输入功能 f 2 一l 型杭州森字；p j 4 一l 型武汉工程机研所；s f j 一1 上海探矿 1 4 一般机理和工艺流程 1 4 1 一般机理 粉喷桩是粉体喷射搅拌加固软土技术的简称，在i n ，i - 也广泛使用，定名为d r yj e tm a x i n g 3 乐北大学硕士学位论文第一章绪论 m e t h o d ( 简称d j mf e 法) 。水泥粉体喷射搅拌法( 简称粉喷法) 是以水泥粉体为主作为固化利 料，刚空压机产生的压缩空气作为输送粉体的动力，使固化材判旱雾状喷入被钻头搅松的土 层内，用特制的搅拌钻头使之与原值的地基土进行强制性搅拌，使较：卜与加固料发生物理一化 学反麻，硬结形成一种具有一定整体性、水稳定性和一定强度的圆柱体或连接体一地下挡土墙、 防渗墙的地基处理方法。 粉喷桩单一桩体的形成过程主要体现在钻头升降过程中的机械搅拌与气压喷粉o j u 崮料) 相互协凋的过稃，后台气压供粉系统和前台桩机钻搅系统经粉喷桩施1 监测仪的监视和信息 反馈提示，存前后台：l 作人员的合理操作下完成这一协凋过程。粉喷桩施监测仪通过对单 体桩体中加问料掺量( q ) 与成桩段深度( d ) 的实时监测与控制，有效地实现设计对成桩参 数的要求。 粉喷桩施一r 流程由幽11 的t 序关系得以反映。对喷粉工序，一般要求首次喷粉达到设 计掺量以便复搅后达到粉与土混合均匀之目的。当首次喷粉掺量小于没计掺量容许偏差的 f 限量时，需实施复喷( 即补喷) 。为避免过大的钻头阻力，同时有利r 提高工效，在首次提 升喷粉过程中根据监测仪的同步监测显示，一般在1o m 桩段高度内需及日寸喷粉一即过程复喷。 若不进行过稗复喷，而首次喷粉到停灰面后再f 行，对全桩内的园需段实施补喷时，则应该 按流程图( 【割1 ，1 ) 中的非常规的阶段流程操作。 施1 ：开始前应进行工艺试桩，以合理确定施工工艺参数，满足设计掺粉最等要求，并作 为开_ l 后成桩工艺的基本技术参数。成桩工艺实验的桩数般不少于5 根。丁艺试桩满足设 计喷粉量指标时可作为工程桩使用。 成桩施上廊采用先进适宜的施工_ 丁艺和上艺设备，以保证每根桩在形成过稃中达到设 计要求的技术参数指标。 成桩过程应合理控制如下主要施工_ l 艺： 用限位重垂线法( 或其它方法) 确保钻杆垂直度控制在1 的偏差内。 场地零位标高的设定是成桩启始标志点的设定。当场地高差不大于2 0 c m 时，可取场地摄 大标高作为零位标高。若场地高差在4 0 c m 内，可取场地标高均值为零位标高。若场地高筹人 于4 0 c m 时，可将整个场地划分为若干高差相对较小( 4 0 c m 或 2 0 c m ) 的区块( 结合建筑物平 面分布划分) ，再对各个区块分别设定零位标高。整个场地或某建筑物单元场地的标高设定后， 桩端及停灰面标高便可依据设计施工桩k 予以确定。 深部成桩时对气压动力装置的配置有一定的要求。一般地层情况f ，成桩深度小于1 6 m 时，配置一台i6 m 。分的空压机可维持粉体的正常喷出；成桩深度大于1 6 m 或大于2 0 m 时， 宜配置两台i6 m 、分的空压机，这对深部成桩时的气流的畅通和正常喷粉是有利的。 为使成桩过程保持一定的气压，配置一座】m 3 的储气罐是必要的。按上述两种成桩深度， 钻头于设计桩端开始提钴喷粉时的储气罐气压分别不宦小于0 5 5 m p a 利0 6 5 m p a 。随着喷搅深 度的逐步减小，储气罐的气压允许有一定的减少。 合理调节好输出气压、气流量、供粉泵转速和钻杆升降档速等施一 工艺技术参数是达到 单位桩氏粉体设计掺最的关键。在前三个参数相对稳定的情况下，钻杆升降档速对一定桩段 k 度内粉体掺酋的大小起主导作用。一般根据设计掺粉量和土层阻力选定喷粉过程升降档速t 并主要通过调节供粉泵转速使掺粉量达到设计要求。 处理冈土的塑性指数高、钻头所处深度大等原因使钻头附近形成过高的背压积聚删，除 了适当加大输送气压和气流量外，也可试用“相邻桩位预钻法”，使钻头周围的较大气压通过 旁侧松散土柱逸出地表，消散背压，使气流畅通，保持正常的喷粉量；同刚也可避免因“爆 ，4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 气”现象对桩的结构强度产生不利影响。 冈突发断电、机械故障或喷口堵塞等原因中断喷粉时，必须立即记录喷位深度，并在1 2 小时内排除故障，消除中断因素，尽快实施接桩t 序。 处于喷粉工序过程时，粉罐内的气压宜比送粉管道内的气压高o0 5 m ) a 左右，以确保供 粉泵处1 ：正常的泵送状态。 在地势较高、表浅地层含水量较低，地下水位较深且桩顶设计标高比地下水位标高高? “ 多米的情况下，当成桩喷搅至桩项部位时，可适量加水，以满足水泥水解水化反应和水泥土 养护的需要。 1 4 2 工艺流程 粉喷桩施工工艺如p 图1 1粉喷桩旌工工艺图 f i g u r e1 1t e c h n i cd i a g r a mo f s p u r t i n gp o l e sb u i l d i n g 1 5 本文主要内容 本文在对国内粉桩监测仪性能及存在问题进行分析的基础上，根据粉喷桩一般原理和工 艺流程提出粉喷桩监测系统的设计方案，设计制作了粉喷桩监测系统硬件电路、程序软件， 并进行了中试。 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 粉喷桩现场施工场景图 f i g u r ei 2s c e n ed i a g r a mo f s p u r t i n gp o l e sb u i l d i n g 6 东北大学硕士学位论文第二章系统方案 第二章系统方案 帚一早糸现力杀 2 1 可行性方案比较 经过分析研究，成桩质量与每米桩段实际喷粉量是否与设计值相符并且均匀分布有关， 同时也与输送系统的风压与风量有关。由于经费的问题，输送系统的风压与风量控制不在本 系统中考虑，只考虑每米桩段实际喷粉量是否与设计值相符有关并且均匀分布，也就是对成 桩的过程进行实时检测，这也符合成桩后质量检测的要求，为了实现这一点，称重与深度检 测是系统的关键，我们设计了如下几个可行性方案： 首先，系统由如下几个部分组成：主机部分；称重部分；深度传感器部分；前台仪表部 分。系统结构如下： 图2 1 可行性方案系统结构图 f i g u r e21s y s t e mb l o c kd i a g r a mo f f e a s i b l ep r o j e c t 2 1 1 称重部分 称重部分选择电子称，尽管电子称不是最好的方法，但实现比较方便，经过现场调研， 粉罐经过改造后可以符合电子称的安装要求。称重部分由称重传感器、接线盒以及称重仪表 组成，传感器选用s 型拉式传感器三个，安装在料斗的上部，接线盒的作用是将三个传感器 的信号汇集成一路模拟量信号送称重仪表，称重信号经称重仪表处理后通过r s 2 3 2 传送数据 给主机。系统中集成称重仪表的目的就是为了保证称重系统的精度和称重数据的可靠性。电 子称选用梅特勒一托利多常州衡器有限公司的b e 0 1 ，称重传感器选用同一厂家的t s b 系列。 2 1 2 速度传感器部分 该部分速度传感器和藕合器组成。深度传感器选用o m r o n 的e 6 c c 型旋转编码器，该编 码器能够防油滴( 内装油封) ，适用于恶劣环境，通过藕合器将编码器安装在钻机减速齿轮箱 的输出轴上，当钻机工作时，编码器发出一系列脉冲，送前台仪表计数，通过计算，得出下 钻( 提升) 的距离，计算方法如下： 设钻距为l ，编码器每转一圈钻头下降( 提升) 的距离为s ，每转脉冲数为p 则l - ( ( 累计脉冲数) p ) s 式( 2 1 ) 雾 一 一霹 东北大学硕士学位论文第= 章系统方案 注：l 为地面标高，当下钻时计数器累加，当七提时计数器累减。 深度测量系统的精度是山所选的旋转编码器和藕台器以及安装位置确定的。 2 。1 3 前台仪表 前台仪表安装在钻机上，用于钻机操作员与主机之间的联系，前台仪表有如下功能：接 受主机的信号提示：开钻、停钻、复喷、复搅、提升、下降、钻速】、钻述2 、钻速3 、原位 搅。每米设计喷粉量，每十公分设计喷粉量，实际每米累计喷粉量、整桩累计喷粉量、每十 公分实际喷粉最、显示并向主机传送深度信号、复搅深度等。有声音提示功能提酣操作员注 意主机发出的操作指令。 2 1 4 主机部分 主机是整个系统的心脏，它的的基本功能是接受称重传感器和深度传感器的信号进行处 理、显示、存储、比较、报警、打印，它可以通过键盘设定参数和显示各种参数并向前台仪 表发操作指令。主机系统几种方案描述如下： 2 1 4 1 主机方案一 该方案是一种自主设计方案，主机内包含主板( d s 8 0 c 3 2 0 、3 2 k b y t e 带掉电保护的 s r h m 6 2 2 5 6 存储器、程序存储器8 k e p r o m 、扩展接口组成) 、键盘显示板、报警、打印接口板、 打印机( 微打) 等组成。 主机与其它部分( 称重部分、深度检测部分、前台仪表) 相连，如是第一次开机，则开 机后首先设定参数，需要设置的参数为：每转下钻( 提升) 的距离，每钴的脉冲数一l 程编 号、典型的桩形参数( 桩高，每米喷粉星，每桩喷粉总量等) ，设定的参数保存在s r a m 中不 会丢失，然后，主机操作员在仪表键盘上按开机键，系统即开始工作，钻机这时开钻到标高 零位，操作作员按下钻键，此时仪表除称重数据外下钻深度、每米喷粉龟、喷粉总量、桩号 均冠示为零。如果不是第一次开机则开机屙不需要进行参数设定，开机后仪表自动显示桩号 和累计喷粉量，如关机时成桩没有结束，则下一次开机后仪表显示上一次关机时的桩号和累 训喷粉最、喷粉总最、深度。在喷粉过程中，主机不断采集、计算喷粉量和一卜钻( 提升) 距 离，每提升( 下降) l o o m ，仪表记录一次喷粉数据并与设定值进行比较，如超限，则仪表蜂 鸣器就报警，提示操作人员喷粉量不足或过量，主机操作员通过主机键盘给钻机操作员发出 复唢或改变提升速度的指令，复喷的喷粉最会自动加到该桩相应的段位上，当钻机到达复搅 标高时，主机操作员给钻机操作员发出复搅指令，钻机进行复搅，到达复搅深度时，主机操 作员给钻机操作员发出提升指令，复搅的整个过程仪表将记录下来，如果复搅时发生喷粉， 其喷粉量将会自动加入到相应的桩段上，当桩的深度出现负值或零时，仪表则认为该桩结束， 打印机打印山该桩的喷粉记录，同时清除存储区为下一桩做准备。打印格式如下： 粉喷桩施工原始记录 _ i = 程名称： 工程编号： 桩释： 地面标商： 复搅深度： 施工日期： 标高( m )深度( m ) 施工单位 施工班组 桩长类别 施工桩氏 重量( k g )累计重量( k g ) 8 东北大学硕士学位论文第二章系统方案 说明： 该仪表不能保存数据，钻一桩打印一桩 打印时不影响工作。 该系统的优点是结构简单，设定的参数能保存，能打印，但缺点是钻桩数据不能保存 而j 1 要经常换打印纸，由于完全自主开发，开发周期比较长。 2 1 4 2 主机方案二 方案、：与方案一基本相同，只是在数据存储上不同，方案二中增加了一个大容量电子盘， 用来保存一天的钻桩数据该电子盘是可拆卸的，由_ r 数据能保存，所以不必每根桩都扫印， 只打印想要的桩即可，如耍进行数据分析，可将电子懿上的数据通过连接装置倒入到计算机 内，另外开发专用的软件剥数据进行分析处理。在操作方法上与力案一不同的是在打印时要 选择桩号，打印格式也与方案一相同。 该方案解决了方案一中不能存储数据的缺点，但由于要开发电子盘、连接装置和专用处 理软件，开发周期比方案一更氏。 2 1 4 3 主机方案三 方案三是建立在： 业p c i 0 4 p c 模扳上的，选用在工业应用中已证实非常可靠的电路板模 块组成系统。系统除了有方案一、二所具有的功能外，还具有：数据存储最更大、图形显示 功能，可连接标准打印机和标准键盘由于使用3 2 0 * 2 4 0 点阵液晶屏幕，所以，除了显示参 数外，还可以显示图形，使得显示更真观，同时，该系统可以利用p c 机丰富的软件资源，使 用户界面更好看，参数设置更方便，打印格式与方案一相同，同时增加图形打印功能。 该方案的特点是开发周期短，可以利用p c 机强大的系统资源，实现比较强大的功能。缺 点是将来的产品成本比较高。 以上三个方案的优缺点在方案介绍时已说明。根据分析，方案一、二是目前市场上现有 产品的实现方式，如果要求的功能不多，采用这种方式可以快速进行产品设计、降低产品开 发平lj 生产成本，我们方案与他们比较，最大的特点是：显示参数比较完善，其有打印功能、 桩型参数设定功能，实际运行参数与设计参数自动比较、报警功能，便捷的前后台联系方式， 由于我们设计的功能比较复杂，用这种方法开发周期长，风险大，开发成本高，产品成本低。 当时，功能简单的粉喷桩监测仪已在市场上出现，我们必须尽快开发出功能强大的粉喷桩监 测仪，占领市场高端，所以决定采用并完善第三方案。 2 2 总体方案 2 2 i 研制目的 在粉体喷射搅拌桩【：法的成桩过程中，通过本监测仪可以精确测定、显示( 数据和参数 函数关系曲线显示) 和记录单位桩长内水泥等粉体渗人量、掺入量与深度两参数之间的动态 函数关系曲线，随时反映单位桩长的粉体喷量，提示操作人员及时把喷量调整到符合设计要 求的参数值域内，以便使成桩质量达到设计指标。 9 东北大学硕士学位论文第二章系统方案 2 2 2 研制内容和形式 2 2 2 1 研制内容 在了解粉喷桩机有关技术参数及其施t 工艺和工序关系的基础j ：，通过对粉罐内粉体重 量( 随粉体喷出乐送的) 变化的称量信息传输，精确地测定掺入搅拌桩内粉体的重量：通过 对钻杆止旋钻进或反旋提升深度变化的精确连续的测定，使深度传感与相应深度范围( 某一 桩段) 内的粉体称量传感同步匹配，以真实反映任何桩深范围内粉体的掺入量；通过各种信 号传递，使成桩操作指挥台( 即主机，位于粉罐粉体泵送控制位置) 能随时向桩机操作台( 即 前台，位丁离粉罐几十米半径范甩的距离内) 提供所需参数状况，发出给进、提升、停钴、 原位转动、转速速档( 共分3 档) 调整等指令，使前后台达到便捷正确的配合协调。 2 2 2 2 研究形式 选择研制符合精度要求的粉体称每装置与传输方法； 选择或研制符台精度要求的钻杆( 或钻头) 深度变化( 向f 、向上) 测定与传输装置 选择或研制满足便捷正确传输信号和传达指令的前屙台信息联络装； 研制粉体喷量监测记录仪，并与上述各装置构成监测系统。 2 2 3 监测仪系统主要功能设计 监测仪的功能主要体现在工程技术应用功能和施工环境适应性功能两大方面。 2 2 3 1 程技术应用功能设计 称星及称量数据的显示 某成桩段即某成桩深度范围与该成桩段的喷量的数据信息同步处理一深度传感与称量传 感数据的同步采集与处理。 单位桩长内喷粉量数据的显示和设计数据的显示( 如：k g 0 1 m ， k g m ) 。 喷粉量与深度函数动态关系曲线图( 0 d 曲线) 的屏幕显示。 设计0 d 曲线及释许偏差限位q d 曲线的屏幕显示。 适应粉体变掺蕈设计情况下，设计喷粉量与深度函数动态关系曲线( 即设计中心线) 为 设计标准曲线；以设计中心线为轴线的喷粉量偏差率控制曲线( 即喷粉量下限控制线与上限 控制线) ，一般要求控制在设计喷粉量的4 - _ 5 或6 以内，这“一中二限”3 条线体现了设计 喷粉量要求，3 条线的屏幕显示，可以大大方便成桩施t 的即时调控。 复喷后的粉量自动叠加 即某桩段经第2 次喷粉后，两次唼粉的总重量能自动相加( 第1 次喷景在相加后可消除) ， 复喷桩段( 相应深度范围) 所记存并显示的数据应自动计算为两次喷粉总重量，0 d 曲线图 像在复喷后也同步自动修正。 复搅的显示与记录 对某桩段实施复搅，监测仪能与q d 实测曲线一样实施跟踪显示，并能予记存，需要打 印时，在“电脑原始记录”的“复搅深度”一栏中标明复搅的深度，儿未进行复搅的t 则在 “复搅深度”一栏中标明“未复搅”字样，或标为0 ( 零) ，在0 d 座标中也就不出现复 1 0 东北大学硕士学位论文第二章系统方案 搅直线幽像。 桩号的自动编制 在房号或区块号指令输入后，桩号是沿桩机施工线路按先后顺序依次用自然数从0 0 0 1 开 始自动编制的。正在施工的桩号应能通过人机界面在桩号窗门显示。 若在0 0 1 2 号桩位成桩时，遇地下障碍物，需退出清理障碍物，并转0 0 1 3 号桩位施工， 待清理毕，再同到0 0 1 2 号桩位，此时需人_ l = 输入“0 0 1 2 ”桩号。吲此桩号编制应i n u ? 具有自 动与人工输入的功能。 数据存贮量 根据每l o c m 采集一个喷量数据的基本要求， 较大的设计桩士主置换率，以及平均施工桩长取 出如下指标： 按照多层住宅较大的基础设计面积和粉喷桩 1 6 m 考虑，对监测仪数据存贮量( 字) 捉 ( 1 个m 1 6 m 根9 0 0 根幢+ 1 0 个m j 6 m 根9 9 根幢) 4 - 1 2 0 9 6 0 个幢 从该数字采集数量的预估计算司看出，其中9 0 0 根桩是按每米一组数据( 深度、每米重 量、累计重量) 打印的，另9 9 根桩( 即总桩数的1 0 ) 则是按每ol m 组数据打印的。即 要求每l o 根桩中有l 根按每1 0 c m 的采集喷粉量全部打印出来，程序设计时可自动按第l o 、 2 0 、3 0 号桩为每1 0 c m 打印- - l f l 数据的桩号。这样可大幅度降低存贮最要求，同时有1 0 桩可供质量抽检。若某一类桩的l o 桩数无需按每0 1 m 存储时，程序设计可将该类桩排 除在需按每l o c m 存储的总桩数之外。 设计成桩参数的输入 本功能是为了实现设计参数输人并存储。当某一幢建筑物地基设计有3 种施工桩长，而 每一种施丁桩长的喷粉量并非相同，且均为变掺量设计，则每种根氏都需输入设计标准q d 曲线以及容许偏差的上下限q d 曲线，以此作为成桩过程粉体喷量随各种桩的深度变化而变 化的控制依据，这项设计成桩参数的输入_ _ _ i 二作需在某幢建筑地基加固开始前设计并输入。现 举例作参考： f 面介绍每个成桩参数： a 建筑物编号 多层建筑：l 、2 ”1 2 表示l 号房、2 号房1 2 号房。3 一e 、3 一w 、1 5 一e 、1 5 一w 表示3 号房东楼、3 号房西楼、1 5 号房东楼、1 5 号房西楼。 厂房建筑：1 、2 、3 1 4 别表示1 、2 、3 、区块；1 2 一l 、1 2 2 、1 2 3 分别表 示1 2 一l 、1 2 2 、1 2 3 区块。 总之，建筑物编号最多占4 个数字( 字母位) ，符号有阿拉伯数字，横线和4 个英文字母 ( e 、w 、s 、n ) 。 b 桩长类别 共分6 种桩长类别，l 、m 、s 分别表示长桩、中长桩、短桩：当该3 种桩长在同一号房内 不够用时，则以l 、m 、s 分别表示比l 、m 、s 稍短些的桩，分6 种类别，仅从区分各 种桩长为目的，通过了解桩型设计6 种桩类足够用了。 c 顶底深发 1 1 东北大学硕士学位论文第二章系统方案 顶底深度是施。r 。桩长的桩顶深度( 即停灰面深度) 和根底深度( 习惯称为桩端深度) 。设 计叫桩顶、桩端一般小可能恰好是自然整数，故该参数只需对某一类桩长填入桩顶深度和 桩端深度即可。如l 类桩顶深度为1 2 n l ，桩端深度为1 7 5 m 则汁算机自动计算出该娄桩在深 度2o o m 以上唢水泥的桩段为08 0 m ( 2o o 1 2 0 r n ) ，则该o8 0 桩长的殴计喷粉最应为( 5 0 k g ( 若设计该桩段喷粉量为7 5 k g ，0 8 m 的桩氏喷粉量应为7 5 k g x 0 8 0 m = 6 0 k g ) ，而不是7 5 k g ； 同样，桩端17 m 以r 仅为05 m 有效桩氏，该05 m 有效桩长喷量应为设计喷量的- - - ! 。 d 平均喷量1 7 施工桩长 施j ：桩k 即是桩底深度减去桩项深度。平均喷量即全桩k 喷粉量之和除以施：| 二桩长所得 的每米树k 喷量的算术平均值。 e 设训喷量容许偏差 某类桩的各桩段设计喷粉量( 即每一米的设计喷粉量) 的一定百分率作为每米喷粉量控 制的容许偏差，如i 。类的容许偏差输入为主6 ，表明深度1 5 m 以p 桩段每米喷粉量容许偏 差为2 4 k g ( 如改桩段设计喷粉量为4 0 k g ) ，即粉喷量实测曲线在( 4 0 24 ) = 3 6 7 k g 与( 4 0 + 24 ) = 4 2 4 k g 区域内摆动均属合格。 f 设计参数的图像转换 如l 类的设计参数输入后( 注：t 程技术人员根据设计要求只需输入7 种参数：( 1 ) 建 筑物编号；场地平均标高：( 3 ) 停灰面标高；( 4 ) 不同桩鹾深度内每米桩长的粉体设计掺 入量；( 5 ) 桩顶与桩低深度；( 6 ) 喷粉量容许偏差率，( 7 ) 复搅深度，当某号房成桩施上到 某桩位时，查看桩位平面图，核对后若确认该桩位为i 类桩，则操作人员只需按下l 键， 屏幕的q d 座标中即会出现设计喷量中心线与该中心线左、右各一条- - 6 的下限喷量控制线 和的十6 的上限喷量控制线。倘若显示屏有显示高度的余地，使曲线显示3 m 的高度则更好。 倘若设计屏幕的曲线座标比例放大( 大约放大5 倍) 显示最大高度相当于2 m 桩长的高度， 则当钻头提升喷粉从1 7 5 m 到达1 5 5 m 时，屏幕上出现的q d 曲线，会瞬时切换，f 移1 o m ， 留t1 65 0 1 5 5 0 m 的0 d 曲线。当继续提升喷粉至1 4 5 m 时，q d 曲线图像连同座标一起 再次切换，留下1 5 5 0 1 4 5 m 的0 d 曲线。如此以往，屏幕曲线显示直至1 2 0 的停灰面。 若可能，这种切换也可以“渐换”的方式实现，即随喷粉提升，先行喷粉段曲线( 处于屏幕 低部) 以喷粉提升的相同高度同步在屏幕低部消失。 g 设计参数输入的确认 设汁参数输入到莱单中时，若有输人错误可予修正，但当某一房号的全部桩跃类型的所 有设计参数输人并检查无误后，便应予以确认，一旦确认便不可更改。一般情况下设计参数 的输入是由项目工程师操作的；输入确认后，桩机班组操作人员无法对确认的某单予以修改， 操作人员只能根据屏幕的设计q d 标准曲线( 包括上、下控制线) 进行实际喷粉量的控制与 调。 指令的输入 开钻前的工艺条件具备屙，成桩施工过程中的指令输入按一般操作顺序主要有：开钻前 桩长类别的核对与输入、下钻与钻进换档、停钻、送粉、原位转动、提钻与提钻速档、( 过程 中需复喷刚的操作有：停机十下钻与喷粉一停机十提钻，并明确下钻的使用速档指令等) 、( 提 前关闭送粉阀门) 、至停灰面深度停i e 提升、再下钻复搅、至设计复搅深度停钻、提升直至钻 头提出地面、停机。 在上述般成桩顺序过程中，需要输入监测仪进行程序处理的指令有i 开钻指令、设计 1 2 东北大学硕士学位论文第二章系统方案 参数中相关参数的指令和结束成桩的指令。复搅深度除了在原始记录中打印出来外，在o d 曲线图像座标中用一根平行r 深度座标的相当于实际复搅深度的直线显示出米。需要操作员 自己操作即无需作程序处理的有：粉罐存储量的把握、气压差的控制、气压流量的调节、送 粉泵栅鼓转速的凋节等；需要经操作员通过前后通讯联络装置传达的指令( 无需输入生机) 有：开转( h 降或提升) 停转、速档( 即提升r 降或转盘转动速度的档级，共分三档) ，原位 转动喷搅、复搅、复喷等。 从方便操作出发，指令宜少不宜多。要求不论在提升或下降过程中只要在某深度喷入水 泥，会即刻记存、处理、并显示，当第二次喷出水泥时，便会将喷量自动叠加，就不必设置 复喷的程序处理指令，但对某一深度内( 从桩顶起) 要求复搅时给予复搅指令，为的是让计 算机对复搅深度予以反馈( h 复搅深度的记存、显示与记录) 。 数据与图像的打印记录 a 直接扣印记录 记录的方式为分项记录与综合记录两种。分项记录是指成桩的数据记录( 包括成桩深度、 单位桩【圭= 喷粉量与累计喷粉量) 与q d 曲线记录分别打印出米，适用于现场窄行打印机，为 喷量控制状况的分析或质量抽检等提供方便。若选用较小字体而能将数字与曲线左右平行打