基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统应用研究.pdf

82 施工技术(中英文)CONSTRUCTION TECHNOLOGY2023 年 11 月下第 52 卷 第 22 期DOI:10.7672/sgjs2023220082基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统应用研究陈 飞1,金建敏1,柯小环1,奚 进1,陈 毅1,叶观宝2,樊 皝2(1.浙江交投高速公路建设管理公司,浙江 杭州 310024;2.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)摘要 静压法预应力管桩可有效提高地基承载力,是软土地基加固处理的常用方法之一,但目前施工质量管控主要依靠人工旁站,效率低、无法监测全覆盖,无法科学评估施工质量。基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程实时监控系统能实时监测每根桩施工过程中的桩长、桩压力、垂直度和桩位,可做到施工数据的实时跟踪,并及时预警。该监控系统应用于软基处理工程,可全面监控管桩施工全过程,大幅提升管桩施工质量管理水平。关键词 地基;预应力管桩;静压法;监控;物联网中图分类号 TU712文献标识码 A文章编号 2097-0897(2023)22-0082-05Application Research on the Whole Process Monitoring System ofStatic Pressure Prestressed Pipe Pile Construction Based onInternet of Things TechnologyCHEN Fei1,JIN Jianmin1,KE Xiaohuan1,XI Jin1,CHEN Yi1,YE Guanbao2,FAN Huang2(1.Zhejiang Jiaotou Expressway Construction Management Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310024,China;2.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:Prestressed pipe pile with static pressure method can effectively improve the bearing capacityof foundation,which is one of the common methods for soft soil foundation reinforcement.However,thecurrent construction quality control mainly relies on manual side station,which is inefficient,unable tomonitor the full coverage,and unable to scientifically evaluate the construction quality.The real-timemonitoring system of the whole process of static pressure prestressed pipe pile construction based on theInternet of things technology can monitor the pile length,pile pressure,verticality and pile position in theconstruction process of each pile in real time,and can track the construction data in real time and giveearly warning in time.The monitoring system is applied to the soft foundation treatment project,whichcan comprehensively monitor the whole process of pipe pile construction and greatly improve the qualitymanagement level of pipe pile construction.Keywords:foundations;PHC piles;static pressure method;monitoring;Internet of things国家自然科学基金(42372317);浙江交投高速公路建设管理公司科研项目(TJ2021499721)作者简介 陈 飞,硕士,高级工程师,E-mail:185630216 收稿日期 2023-03-250 引言 为了适应城市建设和交通工程的需要,预应力管桩被广泛应用于软土地区。预应力管桩常用锤击法、静压顶压法和静压抱压法进行施工,具有承载力高、穿透能力强、施工速度快、污染小等优点1-3。然而,预应力管桩也具有隐蔽工程的特点,工序繁杂,工艺流程衔接紧密,易出现桩身倾斜、桩顶移位等问题,给工程质量监管带来了困难4-5。目前对于预应力管桩桩身质量的管控措施主要是施工期间的人工旁站监督和施工结束后的桩身质量抽样检测6-9。但施工期间的人工旁站监督很难对管桩桩身质量进行全面把控;施工后的桩身质量抽样检测往往存在一定的滞后性,沉桩完成后如发现问题难以采取有效的补救措施;同时受抽样比例限制,桩身质量随机抽检难以实现所有桩的质量管控。因此,有必要对预应力管桩施工开展全过2023 No.22陈 飞等:基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统应用研究83 程远程监测系统的应用研究,从而掌握每根预应力管桩的施工质量,实现全过程质量控制。近年来,物联网技术飞速发展,在隐蔽工程质量监管方面的应用被逐渐推广,基本实现对预应力管桩施工全过程的实时监测,但目前相关研究较少,尚未形成完整、系统的监控体系。基于此,本文介绍一种基于物联网技术的软土地基处理方法施工全过程在线实时监控系统。该监控系统可实时跟踪预应力管桩施工过程中的数据,并提供反馈和实时处理结果,可有效提高隐蔽工程施工质量管理水平,创新工程管理理念和方式,提高工程管理的科学性。1 监控系统前端 静压法预应力管桩实时监控系统可实时监控管桩施工过程中的时间、桩长、桩位、压桩力、深度、倾斜度等,并实时记录和分析数据。通信结构和现场如图 1,2 所示。图 1 智能监控系统通信结构Fig.1 Communication structure of intelligentmonitoring system图 2 智能监控系统现场示意Fig.2 Intelligent monitoring system on site静压法预应力管桩实时监控系统硬件部分包括监控记录仪、倾角传感器、深度传感器和压力传感器,基本信息如表 1 所示。当设备满足施工条件时,按照要求安装各传感器并采集现场数据,采集数据前需对传感器进行标定,确保采集数据的合理性和有效性。表 1 监控系统关键仪器设备Table 1 Key instruments and equipment formonitoring system产品名称型号安装位置静压法预应力管桩监控记录仪CL-PSD操作平台倾角传感器LVT428T桩机井架深度传感器GTS06-OP钻机机架压力传感器PT124B-283液压管1.1 监控记录仪 静压法预应力管桩施工记录仪应安装在钻机操作平台上合适位置处,便于工作人员观察和操作,操作界面如图 3 所示。使用时需将倾角传感器、深度传感器和压力传感器分别连接到主机侧板的对应接口,并连接电源线,电源线另一端插入 220V的交流电源。图 3 静压法预应力管桩监控记录仪系统操作Fig.3 System operation of static pressure prestressedpipe pile monitoring recorder1.2 倾角传感器 倾角传感器一般安装在转架上,顶压桩机安装在桩管夹具上部和轨道滑轮附近。倾角传感器的安装只需搭配固定底座即可完成,用焊机将铁块焊接到钻架高度1/5 处,然后用2 根 4 螺杆将倾角传感器固定到铁块上。倾角传感器通过测量前后向和左右向 2 个方向的角度,确保钻杆与地面的垂直度始终符合设计和施工要求。1.3 深度传感器 深度传感器由光电编码器和传动部件机座组成,光电编码器通过传动滚轮传动,传动滚轮由传动部件带动。静压抱压法中,静压抱压桩机通过 2个无线测距传感器实时监测 2 个传感器之间的距离84 施工技术(中英文)第 52 卷数据,若夹持油路油压传感器和下压油路油压传感器同时监测到数据,且数据值大于预设数值,此时无线测距传感器记录 2 个测距传感器之间的距离;在持续下压过程中,每隔 5s 或 25cm(取决于使用的监测标准)记录一次距离数据;完成所有压桩过程后,累计位移即为这根桩的压桩深度。1.4 压力传感器 拆卸液压管道上原有的油管,通过三通将压力传感器安装上去。大部分静力压桩机的静压力来自于液压机构,通过压力传感器可实时监控油压变化,判断桩机状态,并记录其夹抱状态和压桩、拔桩状态,辅助深度传感器测量压桩深度。2 监控系统管理平台 在规范和设计要求指导下,传感器实时监测桩机工作情况,实现管桩施工全过程监控,避免了人工干预的影响。施工期间传感器实时采集数据并自动上传平台,支持施工现场记录仪、PC 端、手机APP 实时数据同步展示,实时预警及反馈处理,过程数据回放。2.1 实时数据监测 监控平台通过传感器跟踪管桩施工全过程(见图 4),实时监测、采集和上传数据,支持每根桩施工全过程可视化模拟和多速率(正常、快速、极速)回放。图 4 实时数据监测平台Fig.4 Real-time data monitoring platform2.2 生产记录 监控平台存储预应力管桩施工全过程的数据记录,可自动生成数据列表和曲线图,如桩位、垂直度、深度-时间曲线、深度-压力曲线等(见图 5),通过全过程生产记录实现数据的可反馈和可追溯。2.3 预警系统 静压法预应力管桩施工全过程监控系统提供实时预警处理,基于提前录入的预警标准判断施工过程中出现的异常数据并报警显示,通过短信或邮件等方式向相关人员推送,支持预警系统闭环工作。同时,设立各级监控中心,远程监控施工过程图 5 生产记录Fig.5 Production record并提供数字化展示。管桩开始施工后,监控系统实时监测桩机工作情况,将数据上传至监控中心,一旦发现异常数据,监控中心将及时反馈至施工现场,查明异常原因,采取必要的解决措施。监控中心控制整个系统,可同时监控分布于各个项目的对应系统。用户登录平台输入指令可获取施工数据,还可直接打印基于数据生成的各类图表,以形成报表。施工现场记录仪可存储施工信息,采集的所有数据存储于系统服务器,可随时调阅查看。3 现场应用3.1 工程简介 瑞苍高速公路龙丽温至甬台温复线联络线工程项目位于浙南低山区和沿海丘陵平原区,水网密布,软土分布广泛,软基处理形式多样,工程量大,施工周期长。联络线软土主要分布在海积平原区,K18+618K22+900(软土厚度1319m)、K24+610K24+765(软土厚度 13m)、K25+005K27+660(软土厚度 1424m)、K28+810K39+687.361路段 软 土 厚 度 超 过 20m。全 线 软 基 路 段 总 计17 969.361m。软土地基施工是本项目的重点,其质量保障是本项目的难点。为避免和及时发现施工过程中可能出现的桩身倾斜、桩顶移位、压桩力过大等问题,本项目全面应用基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统,远程实时监控施工进程。3.2 施工质量控制要求 本文基于瑞苍高速第 2,3,4 标段施工图设计方案中预应力管桩施工质量检验项目(见表 2)对各标段施工现场预应力管桩进行施工质量检验。预应力管桩施工设计要求最大单桩承载力设计值1 000kN,桩间距允许误差值为100mm,桩体垂直度1%,桩身无明显缺陷。第 2 标段设计桩长2122m,设计压桩力 481489kN;第 3 标段设计桩长 3048m,设计压桩力 2552 011kN;第 4 标段设计桩长 3142m,设计压桩力 6671 501kN。3.3 监测系统现场实施3.3.1 第 2 标段 第 2 标段 SK0+209SK0+060_674 号管桩桩2023 No.22陈 飞等:基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程监控系统应用研究85 表 2 预应力管桩施工质量检验项目Table 2 Construction quality inspection items ofPHC piles检查项目规定值或允许误差检查方法及频率桩距/mm100抽查桩数 5%竖直度/%1经纬仪,抽查桩数 5%桩径/mm不小于设计值抽查桩数 5%桩长/m不小于设计值吊绳量测,成桩数 5%桩帽尺寸/mm不小于设计值钢尺量测抽查,成桩数 5%预制桩尖尺寸/mm不小于设计值钢尺量测抽查,成桩数 5%28d 单桩承载力不小于设计值静载荷试验,成桩数 0.2%,并单个工点不得少于 3 根桩身完整性无明显缺陷低应变测试抽查,成桩数 5%长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 6 所示。该桩桩 间 距 2.4m,成 桩 时 间 964s。平 均 压 桩 力560.18kN,大于设计压桩力 481kN,满足要求;施工桩长 21.74m,大于设计桩长 21m,满足要求;最大垂直度 0.21%,小于 1%,满足要求。图 6 SK0+209SK0+060_674 号管桩监测数据Fig.6 Monitoring data of pipe pile SK0+209SK0+060_674第 2 标段 SK0+209SK0+060_669 号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 7 所示。该桩桩 间 距 2.7m,成 桩 时 间 770s。平 均 压 桩 力506.17kN,大于设计压桩力 481kN,满足要求;施工桩长 21.06m,大于设计桩长 21m,不满足要求;最大垂直度 0.26%,小于 1%,满足要求。图 7 SK0+209SK0+060_669 号管桩监测数据Fig.7 Monitoring data of pipe pile SK0+209SK0+060_669第 2 标段 CK0+718.283CK0+689.5_D1274号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 8所示。该桩桩间距 2m,成桩时间 1 053s。平均压桩力 628kN,大于设计压桩力 481kN,满足要求;施工桩长 19.30m,小于设计桩长 21m,不满足设计要求;最大垂直度 1.12%,大于 1%,不满足要求。图 8 CK0+718.283CK0+689.5_D1274 号管桩监测数据Fig.8 Monitoring data of pipe pile CK0+718.283CK0+689.5_D12743.3.2 第 3 标段第 3 标段 AK0280AK0330_D1536 号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 9 所示。该桩桩间距 2.3m,成桩时间 1 367s。平均压桩力1 158.66kN,大于设计压桩力 1 124kN,满足设计要求;施工桩长 40.05m,大于设计桩长 40m,满足设计要求;最大垂直度 0.07%,小于 1%,满足设计要求。图 9 AK0280AK0330_D1536 号管桩监测数据Fig.9 Monitoring data of pipe pileAK0280AK0330_D1536第 3 标段 AK0280-AK0330_D1523 号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 10 所示。该桩桩间 距 2.9m,成 桩 时 间 1 372s。平 均 压 桩 力941.06kN,小于设计压桩力 1 124kN,不满足设计要求;施工桩长 40.20m,大于设计桩长 40m,满足要求;最大垂直度 0.03%,满足要求。图 10 AK0280AK0330_D1523 号管桩监测数据Fig.10 Monitoring data of pipe pileAK0280AK0330_D1523第 3 标段 AK0+592-AK0+658_7398 号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 11 所示。该桩桩间距 1.6m,成桩时间 956s。平均压桩力3 849.01kN,大于设计压桩力 437kN,满足要求;施86 施工技术(中英文)第 52 卷工桩长 34.02m,大于设计桩长 34m,不满足设计要求;最大垂直度 0.21%,小于 1%,满足要求。图 11 AK0+592AK0+658_7398 号管桩监测数据Fig.11 Monitoring data of pipe pileAK0+592AK0+658_73983.3.3 第 4 标段 第 4 标段 HKO+325HKO+424_3A59 号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 12 所示。该桩桩间距 2.3m,成桩时间 722s。平均压桩力987.22kN,大于设计压桩力 686kN,满足设计要求;施工桩长 32.27m,大于设计桩长 32m,满足设计要求;最大垂直度 0.12%,小于 1%,满足设计要求。图 12 HKO+325-HKO+424_3A59 号管桩监测数据Fig.12 Monitoring data of pipe pileHKO+325-HKO+424_3A59第 4 标段 AK0480-AK0577_1526 号管桩桩长、压力、最大压力随时间变化曲线如图 13 所示。可知该桩桩间距 2.7m,成桩时间 643s。平均压桩力810.12kN,大于设计压桩力 686kN,满足设计要求;施工桩长 32.09m,小于设计桩长 32m,不满足设计要求;最大垂直度 0.11%,小于 1%,满足要求。图 13 AK0480AK0577_1526 号管桩监测数据Fig.13 Monitoring data of pipe pileAK0480AK0577_15264 结语 1)静压法预应力管桩施工全过程监控系统包括前端和管理平台两部分。监控系统前端由监控记录仪、倾角传感器、深度传感器和压力传感器组成,可对管桩施工情况进行实时监测,实时采集施工数据并自动上传。监控系统管理平台通过传感器对管桩施工全过程进行实时跟踪、记录和反馈,实现施工过程可视化模拟和数据回放。2)工程实践表明,该监控系统可实现对预应力管桩施工全过程的实时追踪与反馈,并对施工数据进行实时处理和分析,从而及时发现预应力管桩施工过程中可能出现的诸如管桩不垂直、压桩力过大、压桩速度过快、压桩桩长不足等问题并提供报警信息。有效规避了传统施工质量监测方法在隐蔽工程中应用时存在的滞后性和片面性等局限,提高了预应力管桩施工质量的真实性和有效性。3)将基于物联网技术的静压法预应力管桩施工全过程实时监控系统应用到隐蔽工程的监测中,可获取所有管桩的详细施工数据和图表信息。进一步结合大数据分析实现信息化施工,研究建立桩身质量综合评价体系和单桩承载力预测模型,可实现管桩施工质量的实时监测和全面把控,极大地提升施工现场管理水平,提高工程质量管理的科学性和合理性,创新工程管理理念和管理方式。参考文献:1 党悦.预应力混凝土管桩施工技术在公路软基处理中的应用J.交通建设与管理,2022(1):92-93.DANGY.Applicationofprestressedconcretepipepileconstruction technology in highway soft foundation treatmentJ.Transport construction&management,2022(1):92-93.2 曹石贵.建筑工程中预应力管桩地基的施工技术研究J.低碳世界,2016(32):168-169.CAO S G.Research on construction technology of prestressed pipepile foundation in construction engineering J.Low carbonworld,2016(32):168-169.3 张文鹏.预应力管桩在复合地基工程中的应用J.智能城市,2020,6(7):217-218.ZHANG W P.Application of prestressed pipe pile in compositefoundation engineeringJ.Intelligent city,2020,6(7):217-218.4 郭金雪,刘金波,张松,等.预应力管桩承载力不满足要求原因分析与处理方法J.施工技术,2021,50(12):96-99.GUO J X,LIU J B,ZHANG S,et al.Cause analysis andtreatment method of insufficient bearing capacity of prestressedpipe pileJ.Construction technology,2021,50(12):96-99.5 郭杨,吴平.复合配筋预应力混凝土管桩受弯与受剪性能试验研究J.施工技术,2021,50(2):95-101.GUO Y,WU P.Experimental study on flexural and shearbehaviors of pre-stressed concrete pipe with hybrid reinforcementJ.Construction technology,2021,50(2):95-101.6 周勇.静压式高强度预应力管桩的施工质量监理J.技术与市场,2011,18(9):269-270.ZHOU Y.Supervision on construction quality of high strengthprestressed pipe pile under static pressureJ.Technology andmarket,2011,18(9):269-270.(下转第 136 页)136 施工技术(中英文)第 52 卷物抗震设计规范给出的计算方法概念更清晰、更实用。4)当地脚锚栓计算预埋深度小于 25d 时,混凝土强度等级不应再提高;预埋深度计算的混凝土强度等级不超过 C40。5)借用后锚固螺栓的杠杆臂抗剪概念,得出地脚锚栓的抗剪能力受柱脚安装条件的影响很大,抗剪能力很弱。建议柱脚锚栓设计时不考虑抗剪,安装时禁止增设“调整螺母”。6)柱脚安装时增设的“调整螺母”,使得地脚锚栓变成了受压短柱,改变了柱脚的传力途径,破坏了锚栓的受力状态,建议多、高层民用建筑钢结构节点构造详图作出柱脚安装示意的相应修改。参考文献:1 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