本发明提供一种水下混凝土灌注桩标高控制装置及其使用方法。所述控制装置包括取料筒和伸缩尺杆，其特征在于：所述伸缩尺杆为中空状，固定设置在取料筒的上端；所述取料筒为下端开口的圆筒状，其筒壁开设有多个直径小于水下混凝土粒径，且大于泥浆粒径的泥浆孔，泥浆孔的只能穿过泥浆，不能穿过混凝土，在取料筒的下开口处设有向筒内单向开启的下端盖，在取料筒内吊设有比重大于泥浆比重，小于混凝土比重的振动块，振动块。本发明结构简单、操作方便、拆卸容易、组装灵活、对于不同类型的水下灌注桩可以重复利用，可以有效控制水下灌注桩的桩顶标高及混凝土超灌高度。可有效降低建设项目生产成本，可获得了良好的经济效益。
1.一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)准备水下混凝土灌注桩标高控制装置，该装置包括筒壁开设有多个泥浆孔的取料筒和伸缩尺杆，泥浆孔的直径大于泥浆粒径小于水下混凝土粒径，在取料筒的下开口处设有向筒内单向开启的下端盖，在取料筒内吊设有比重为1.8-2.1的振动块，在取料筒上端盖内侧对应振动块的位置处设置一个振动传感器，并在伸缩尺杆顶端设有内置控制器和报警器的控制盒，控制器与振动传感器通过导线连接；
(2)清理水下混凝土灌注孔，并组装好水下混凝土灌注装置，确定水下混凝土灌注桩的标高，计算出设计标高离水下混凝土灌注孔孔口的距离；
(3)调节伸缩尺杆的长度，使伸缩尺杆的长度比步骤(2)中计算的设计标高离水下混凝土灌注孔孔口的距离长500-800mm,并将准备好的水下混凝土灌注桩标高控制装置竖向置于水下混凝土灌注孔内，使取料筒刚好置于设计标高以上500-800mm的位置处，并将标高控制装置的顶部固定在地面；
(4)开始灌注水下混凝土，在灌注过程中水下混凝土灌注孔内的混凝土和泥浆会从导管外由混凝土灌注孔底部向上不断的上升，当混凝土面到达取料桶底部，混凝土和泥浆上升的冲击力把取料筒底部的下端盖向筒内顶开，并进入取料筒内，进入的泥浆从取料筒筒壁上的泥浆孔溢出，混凝土继续进入，当接触到振动块时，由于振动块的比重比混凝土的比重小，便会浮在液态混凝土上，随着混凝土液面一起上升，并触碰到振动传感器，振动块在混凝土液面内会振动，振动传感器接受到振动信号，便通过导线传输给控制器，再通过控制器控制报警器报警，此时便可判断混凝土面已经达到设计标高，便暂时停止混凝土的灌注；
(5)停止混凝土灌注之后，从孔内取出水下混凝土灌注桩标高控制装置，查看取料筒内的混凝土，若取料筒内也有混凝土，便可双重确定混凝土面已经达到设计要求的桩顶标高，最后完成混凝土灌注任务。
2.根据权利要求1所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：在步骤(1)中使用的水下混凝土灌注桩标高控制装置包括取料筒(1)和伸缩尺杆(2)，所述伸缩尺杆(2)为中空状，固定设置在取料筒(1)的上方；所述取料筒(1)为下端开口的圆筒状，其筒壁开设有多个直径小于水下混凝土粒径，且大于泥浆粒径的泥浆孔(3)，在取料筒(1)的下开口处设有向筒内单向开启的下端盖(4)，在取料筒(1)内吊设有比重大于泥浆比重，小于混凝土比重的振动块(5)，振动块(5)通过吊绳(6)固定在取料筒(1)的上端盖内侧；所述标高控制装置还包括控制器(7)、报警器(8)和振动传感器(9)，所述振动传感器设置在取料筒(1)上端盖内侧对应振动块(5)的位置处，所述控制器(7)和报警器(8)均设置在伸缩尺杆(2)的上端，振动传感器(9)的信号输出端与控制器(7)的信号输出端连接，控制器(7)的信号输出端与报警器(8)的信号输出端连接。
3.根据权利要求2所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：所述振动块(5)为圆锥体，吊设在取料筒(1)的中央位置处，其比重在1.8～2.1之间。
4.根据权利要求2所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：所述取料筒(1)的下端盖(4)是由两个半圆形盖体(4-1)通过铰链构件(4-2)连接而成，所述铰链构件是由一根固定轴和多个铰链组成，其固定轴置于取料筒(1)下端开口的中轴线上，两端分别固定在取料筒(1)的筒壁上，多个铰链安装在固定轴上，并将两个半圆形盖体(4-1)连接成一个圆形盖体，该圆形盖体的直径与取料筒(1)的内径相等，在取料筒(1)的下端开口边缘设有防止两个半圆形盖体向下开启的一个或多个挡块(4-3)。
5.根据权利要求2所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：所述控制器(7)的信号输出端与水下混凝土灌注装置的控制端连接。
6.根据权利要求2所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：所述取料筒(1)的直径为10-20cm，高度为30cm-50cm。
7.根据权利要求2所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：所述泥浆孔(3)的孔径为3.5-4.5mm。
8.根据权利要求3所述的一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于：在取料筒(1)下端口处设置一个挡块时，为环形的挡块；设置多个时，为弧形挡块或方形挡块。
一种水下混凝土灌注桩标高控制装置及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及桩基施工领域，具体是一种可以快速准确控制钻孔灌注桩水下混凝土浇筑高度的水下混凝土灌注桩标高控制装置及其使用方法。
背景技术
[0002] 随着建筑行业的快速发展，水下混凝土灌注桩的使用也逐渐增大，比如一些高层建筑物基础、地下洞室、地下隧道、桥梁、港口、码头基础等，特别是一些软土地区的桥梁、港口、码头和高层建筑的基础设计，往往采用钻孔灌注桩进行水下混凝土灌注。
[0003] 由于地下空间的开发，桩顶的设计标高往往在底面以下，混凝土灌注过程中因泥浆混合物的存在，混凝土面的真实标高很难正确定位控制，往往是根据施工人员的施工经验以及一些临时简单的工具，如捞子、测绳等对混凝土浇筑面的高度进行判断，现有的测量方式时常会出现一些问题，特别是对于一些虚孔深度大的桩进行灌注时，由于简易工具无法使用，出现的问题更多更严重。
[0004] 目前水下混凝土灌注采用较多的方法是导管法和泵压法，其中导管法使用最为广泛，具体是将密封连接的钢管(或强度较高的硬质非金属管)作为水下混凝土的灌注通道，其底部以适当的深度埋在灌入的混凝土搅拌物内，在一定的落差压力作用下，形成连续密实的混凝土桩身。但根据桩基施工规范要求，随着混凝土的不断浇入，应及时测量混凝土顶面高度和导管的埋管深度，及时提拔拆除导管，使导管埋入混凝土中的深度保持在2m～6m间。由于 无法真实确定混凝土面高度，时常会出现拔管过多使导管底高于混凝土面高度，造成断桩的发生，或者是拔管过短使浇筑困难等问题。而且规范中还要求在浇筑到设计标高后混凝土应该超灌800mm，同样由于无法准确确定混凝土面高度，往往造成混凝土超灌高度远远大于800mm，造成大量浪费。如按桩径800mm，平均每根桩超灌2.5m，C30混凝土
3 3
按每立方按275元/m计算，浪费混凝土量V＝3.14x O.4x 0.4x 2.5＝1.25m 。从安全角度，单节截桩长度一般不超过1.5米。如超灌2.5米需分段截桩，则每根桩需二次截桩，按目前人工费的市场价格每人150元/天，按每人每天截二桩，这样每根桩的截桩费用为：
1×150＝150元；浪费混凝土费用为：1.25×275＝343.75元；平均一根桩浪费的总费用为：343.75+150＝493.75元。如果有1000根桩的工程项目，工程成本的额外支付费用：
(343.75+150)×1000＝493750元，如果桩径越大，平均每根桩的额外费用越高。
发明内容
[0005] 本发明根据现有技术的不足，提供一种操作简单、探测精度高，并能快速准确控制钻孔灌注桩水下混凝土浇筑高度的控制装置及其使用方法。
[0006] 本发明提供的技术方案：所述一种水下混凝土灌注桩标高控制装置包括取料筒和伸缩尺杆，其特征在于：所述伸缩尺杆为中空状，在尺杆外表面设有刻度层，伸缩尺杆固定设置在取料筒的上端，一般设置在其顶部，伸缩尺杆可以是多节中空尺杆套接而成，可以伸缩调节其长度，其形状类似于鱼杆，所述取料筒为下端开口的圆筒状，其筒壁开设有多个直径小于水下混凝土粒径，且大于泥浆粒径的泥浆孔，泥浆孔的只能穿过泥浆，不能穿过混凝土，在取料筒的下开口处设有向筒内单向开启的下端盖，在取料筒内吊设有比重 大于泥浆比重，小于混凝土比重的振动块，振动块通过吊绳固定在取料筒的上端盖内侧；所述标高控制装置还包括控制器、报警器和振动传感器，所述振动传感器设置在取料筒上端盖内侧对应振动块的位置处，所述控制器和报警器均设置在伸缩尺杆的上端，振动传感器的信号输出端与控制器的信号输出端连接，控制器的信号输出端与报警器的信号输出端连接。
[0007] 本发明进一步的技术方案：所述振动块为圆锥体，吊设在取料筒的中央位置处，其比重在1.8～2.1之间；振动块为中空的圆锥体，在中空圆锥体添加不同比重的物料，对整个振动块的比重进行调节，使振动块的比重处于1.8-2.1之间。
[0008] 本发明较优的技术方案：所述取料筒的下端盖是由两个半圆形盖体通过铰链构件连接而成，所述铰链构件是由一根固定轴和多个铰链组成，其固定轴置于取料筒下端开口的中轴线上，两端分别固定在取料筒的筒壁上，多个铰链安装在固定轴上，并将两个半圆形盖体连接成一个圆形盖体，该圆形盖体的直径与取料筒的内径相等，在取料筒的下端开口边缘设有防止两个半圆形盖体向下开启的一个或多个挡块。
[0009] 本发明较优的技术方案：所述控制器的信号输出端与水下混凝土灌注装置的控制端连接。
[0010] 本发明较优的技术方案：所述取料筒的高度为10-20cm。
[0011] 本发明较优的技术方案：在取料筒下端口处设置一个挡块时，为环形的挡块；设置多个时，为弧形挡块或方形挡块。
[0012] 本发明较优的技术方案：所述泥浆孔的孔径为3.5-4.5mm。
[0013] 本发明提供的另外一种技术方案：所述一种水下混凝土灌注桩标高控制装置的使用方法，其特征在于具体步骤如下：
[0014] (1)准备水下混凝土灌注桩标高控制装置，该装置包括筒壁开设有多个泥浆孔的取料筒和伸缩尺杆，泥浆孔的直径大于泥浆粒径小于水下混凝土粒径的泥浆孔，泥浆孔的孔径一般为3.5-4.5mm，在取料筒的下开口处设有向筒内单向开启的下端盖，在取料筒内吊设有比重为1.8-2.1的振动块，在取料筒上端盖内侧对应振动块的位置处设置一个振动传感器，并在伸缩尺杆顶端设有内置控制器和报警器的控制盒，控制器与振动传感器通过导线连接；
[0015] (2)清理水下混凝土灌注孔，并组装好水下混凝土灌注装置，确定水下混凝土灌注桩的标高，计算出设计标高离水下混凝土灌注孔孔口的距离；
[0016] (3)调节伸缩尺杆的长度，使伸缩尺杆的长度比步骤(2)中计算的设计标高离水下混凝土灌注孔孔口的距离长500-800mm,并将准备好的水下混凝土灌注桩标高控制装置竖向置于水下混凝土灌注孔内，使取料筒刚好置于设计标高以上500-800mm的位置处，并将标高控制装置的顶部固定在地面；
[0017] (4)开始灌注水下混凝土，在灌注过程中水下混凝土灌注孔内的混凝土和泥浆会从导管外由混凝土灌注孔底部向上不断的上升，当混凝土面到达取料桶底部，混凝土和泥浆上升的冲击力把取料筒底部的下端盖向筒内顶开，并进入取料筒内，进入的泥浆从取料筒筒壁上的泥浆孔溢出，混凝土继续进入，当接触到振动块时，由于振动块的比重比混凝土的比重小，便会浮在液态混凝土上，随着混凝土液面一起上升，并触碰到振动传感器， 振动块在混凝土液面内会振动，振动传感器接受到振动信号，便通过导线传输给控制器，再通过控制控制报警器报警，此时便可判断混凝土面已经达到设计标高，便暂时停止混凝土的灌注；
[0018] (5)停止混凝土灌注之后，从孔内取出水下混凝土灌注桩标高控制装置，查看取料筒内的混凝土，若取料筒内也有混凝土，便可双重确定混凝土面已经达到设计要求的桩顶标高，最后完成混凝土灌注任务。
[0019] 本发明所述的标高控制装置是由长度可调的刻度尺和取料筒组成，并在取料筒的筒壁上开设有多个孔径小于混凝土粒径的孔，在取料筒的顶部吊设一个可以比重大于泥浆、小于混凝土的物体，由于比重大的物体会在比重小的液态物体中下沉，比重小的物体会在比重大的液态物体中漂浮。而泥浆和混凝土在灌注过程中均呈液体，根据检测得到，一般泥浆的比重1.15左右，而混凝土的比重为2.4左右，根据以上原理，我们就可以通过改变添加在振动块中的材料的质量来控制整个圆锥体的比重使其处在1.8～2.1之间，从而使振动块在泥浆中下沉，在混凝土面上漂浮的。进入取料筒内的泥浆会通过泥浆孔流出，避免泥浆振动到传感器，对传感器造成不必要的干扰作用，便于取料桶取料。当混凝土进入取料筒时，吊设的振动块由于比重小于混凝土便会浮在混凝土面，并随着混凝土面上升，在取料筒顶盖内壁设有传感器，上升的振动块便会接触传感器，因混凝土面在上升过程中产生冲击力和振动，便会带动振动块振动，当传感器感应到振动的振动块时，便会将信号传递给控制器，由控制器控制报警器报警，报警后便暂时停止混凝土的灌注，取出该装置，并查看取料桶内是否有混凝土，确定混凝土确实到达标高，便可结束该混凝土桩的灌注。
[0020] 本发明结构简单、操作方便、拆卸容易、组装灵活、对于不同类型的水下灌注桩可以重复利用，可以有效控制水下灌注桩的桩顶标高及混凝土超灌高度，在控制过程中不会收到泥浆的干扰，可以准确的判断混凝土面的高度，有效降低建设项目生产成本，可获得了良好的经济效益。
附图说明
[0021] 图1是本发明的结构示意图；
[0022] 图2是本发明取料筒的结构示意图；
[0023] 图3、图4是本发明中取料筒的底面示意图；
[0024] 图5是本发明控制盒的结构示意图；
[0025] 图6是本发明的使用状态示意图。
[0026] 图中：1—取料筒，2—伸缩尺杆，3—泥浆孔，4—下端盖，4-1—半圆形盖体，4-2—铰链构件，4-3—挡块，5—振动块，6—吊绳，7—控制器，8—报警器，9—振动传感器，10—控制盒，11—电池盒，12—开关，13—传感器接线孔，14—导线，15—水下混凝土灌注孔，16—混凝土灌注导管，17—规范要求水下混凝土灌注桩灌注标高
具体实施方式
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，所述一种水下混凝土灌注桩标高控制装置包括取料筒1和伸缩尺杆2，其特征在于：所述伸缩尺杆2可以采用现有伸缩套杆的结构，由多节中空状尺杆套接而成，并可通过伸缩调节其长度，每节套尺在伸开或收缩后均可以固定(其固定方式可以直接采用现有的伸缩套杆的固定方式)，确保在调节好长度后不会随意改变其长度，伸缩尺杆2的结构可以采用类似鱼竿的结构；在每节套 尺的外表面均设有刻度层，且多节套尺的刻度值是连续的，伸开后便形成一根完整的伸缩尺，伸缩尺杆2固定设置在取料筒1的上方。在使用时可以根据水下混凝土灌注桩的标高确定好混凝土灌注桩顶面与地面的高度，然后将伸缩尺杆2调节到比桩顶部标高至地面高度长500-800mm的长度(这里的长度具体根据取料筒的高度而定，确保取料位置能够在水下混凝土桩标高意思800mm左右的位置，能够准确的控制水下混凝土桩的高度达到设计规范，因为成桩后桩顶处会有浮浆和泥浆的沉渣，为了确保最后的桩顶标高混凝土是完好的，在所有的桩基施工中，设计图纸和施工合同上都会要求现场灌注混凝土的标高要高出设计标高500-800mm)，将此装置放置在水下混凝土灌注孔内，并通过一些方式将其固定(比如通过一个固定夹夹住其末端，然后将固定夹固定在地面上，或是通过其它现有的方式将其稳定的固定在地面，确保取料筒置于水下混凝土灌注桩的标高上方500-800mm的位置，能够在水下混凝土灌注桩灌注到超过标高500-800mm时，可以取料报警，对水下混凝土灌注桩的标高进行控制。
[0028] 如图2所示，所述取料筒1为上端密封、下端开口的圆筒状，其直径为10-20cm，高度为30cm，这个高度主要是针对桩直径800mm的桩设计的，因为混凝土灌注导管的直径为30cm左右，导管两边距桩壁间距为25cm。其他类型的桩根据桩直径可以来具体设定，高度太小和太高不利于取料和影响传感器工作。在取料筒1的筒壁上开设有多个直径小于水下混凝土粒径，大于泥浆粒径的泥浆孔3，泥浆孔3的孔径为3-5-4.5mm，在混凝土灌注桩施工中，混凝土石子的料径在5-31.5mm连续级配的，泥浆中砂子的粒径一般在2mm以下。泥浆孔3的孔径设置在砂子和混凝土石子之间，只能 穿过泥浆，不能通过混凝土，当泥浆进入取料筒1之后，便会通过泥浆孔3排出，便可将混凝土中的泥浆分离出来，避免泥浆影响混凝土面的标高控制。在取料筒1内吊设有比重大于泥浆比重，小于混凝土比重的振动块5，所述振动块5为空心圆锥体，材质为玻璃钢(FRP)即纤维强化塑料，质轻而硬，不导电，机械强度高，耐腐蚀，表面光滑。水下灌注桩施工时泥土中可能会有腐蚀性物质，混凝土中的各种添加剂会有一定的腐蚀性，振动块不会被腐蚀。所述振动块通过吊绳6固定在取料筒
1的上端盖内侧，其固定好之后刚好吊设在取料筒1的中央位置处，通过添加不同比例的物料来改变整个振动块的比重，使其比重处于1.8-2.1之间。振动块5也可以直接采用比重在1.8～2.1之间的材料制成的实心体，在取料筒1的下开口处设有向筒内单向开启的下端盖4。
[0029] 如图3所示，所述取料筒1的下端盖4是由两个半圆形盖体4-1通过铰链构件4-2连接而成，所述铰链构件是由一根固定轴和多个铰链(一般情况两个铰链)组成，其固定轴置于取料筒1下端开口的中轴线上，两端分别固定在取料筒1的筒壁上，多个铰链安装在固定轴上，并将两个半圆形盖体4-1连接成一个圆形盖体，该圆形盖体的直径与取料筒1的内径相等，在取料筒1的下端开口边缘设有防止两个半圆形盖体向下开启的一个或多个挡块4-3，确保两个半圆形盖体不会向下打开，只会取料筒内侧单向开启。图3中的实施例图中的取料筒1下端口设置有一个环形挡块，图4中的实施例图中的取料筒1下端口设置多个方形挡块。
[0030] 如图1所示，所述标高控制装置还包括控制器7、报警器8和振动传感器9，所述振动传感器设置在取料筒1上端盖内侧对应振动块5的位置处， 所述控制器7和报警器8均设置在一个控制盒内，并置于伸缩尺杆2的顶端，为了方便安装可以不与伸缩尺杆2固定，在安装时，可以将其直接固定在底面上。如图5所示，该控制盒内还设有电池盒11，在控制盒上设有传感器接线孔13，振动传感器9的信号输出端通过导线14与设置在控制盒内的控制器7的信号输出端连接，导线14从伸缩尺杆2的中空腔体内穿过，控制器7的信号输出端与报警器8的信号输出端连接；其控制器还可以与与水下混凝土灌注装置的控制端连接，在接触到报警信号的同时，自动控制水下混凝土灌注装置停止灌注。
[0031] 首先，通过仪器测定所制备泥浆的平均最大比重和混凝土的平均最小比重，然后根据两个数值对4的比重进行调节使其比重处于泥浆与混凝土的比重之间，依据孔内虚孔深度和允许超灌高度先调整2的长度，然后将水下浇注混凝土桩顶标高控制器垂直放入孔内，1放置于地面，2的顶部平地面或高出地面，然后进行固定。在混凝土浇灌过程中，通过1的报警和2上的刻度及3的取料进行双向控制混凝土浇筑面的高度，从而更好的控制混凝土的浇筑质量。
[0032] 实施例:某高层建筑基础采用灌注桩，桩长60米左右，但其虚孔深度达到17米，对于混凝土浇筑高度的控制难度大，根据以上情况，选择采用本发明对混凝土的浇筑高度进行控制。首先，根据实际测量，取得泥浆的平均最大比重为1.26,采用C45的混凝土实测其比重为2.42，根据以上两值，旋转中空的圆锥体在其内部填充细沙得到比重为2的振动块，并将其固定在取料筒1内，测量装置准备好之后，将伸缩尺杆2的长度调节到比虚孔深度长500-800mm，即17.7-17.8米的长度，将其竖向置于水下混 凝土灌注孔15内，如图6所示，并固定好，在固定好之后取料筒1置于规范要求水下混凝土灌注桩灌注标高17(即水下混凝土灌注桩标高800mm的位置)的位置，然后开始正常进行水下混凝土桩的灌注，灌注混凝土放入料斗通过导管流入孔底部，混凝土不断的放入料斗，孔内的混凝土和泥浆会从导管外由孔底部向上不断的上升，当混凝土面到达取料筒1底部，混凝土和泥浆上升的冲击力把取料筒1底部的下端盖4向取料筒内打开，混凝土和泥浆进入取料筒内，此时泥浆会从取料筒的筒壁上的泥浆孔3溢出。混凝土和圆锥型振动块逐渐上升，便会触碰到振动传感器9，再加上混凝土在灌注过程中会出现振荡，便会使振动块5振动，振动传感器9接受到振动块5的振动信号，通过导线传输给控制器7，然后通过控制器7控制报警器8发出报警声，此时通过人工或自动控制混凝土浇筑装置，暂时停止混凝土的灌注。从水下混凝土灌注孔15内取出浇注混凝土桩顶标高控制器，查看取料筒内的混凝土，目的在于进行双向控制，报警器8已发出警报，取料筒1内也有混凝土，说明混凝土面已经达到设计要求的桩顶标高，最后完成混凝土灌注任务。
[0033] 浇注混凝土桩顶标高控制器沿着孔壁垂直放入孔内过程中避免碰撞到导管和孔壁，以免对控制器造成不必要的损坏，根据桩的孔径和混凝土导管的尺寸大小，可以批量生产加工浇注混凝土桩顶标高控制器。此控制器控制混凝土桩顶标高先进可靠，有双向控制的功能和作用，操作简单易懂。可以对建设项目的投资者和施工企业节约成本。
