CN117266151A - 一种软土路基打桩装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软土路基打桩装置，包括机身，设于机身顶部的控制室，机身对其进行支撑的机械臂一，以及位于机械臂一一端的打桩头，机械臂一下方设有机械臂二，机械臂二通过驱动件与机身连接，机械臂二一端设有校正头，校正头上设有监测模块，打桩头上设有采集模块。本发明可根据计算前一根打桩体受到的阻力因子计算出后一根桩体应施加的打桩力，这样可在不同硬度的路基中，保证打桩的速率，依次类推，依次计算出后面每根桩体的打桩力，从而实现每根桩体应施加的打桩力可根据地形变化，进行自动调节，从而可在路基硬度较硬的情况下，施加较大的振动力，以保证打桩的速率，并且保证打桩的高度一致，提高打桩的质量。
Description
技术领域
本发明涉及路基打桩技术领域，具体为一种软土路基打桩装置。
背景技术
软土路基是指由软弱土组成的路基，也称为软弱土路基，其中软弱土在工程中主要是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。一般分布在河流两岸和湖泊地区。由于软土路基的承载力较低，如果不做任何处理，一般不能承受较大的建筑物荷载，因此在工程初期首先要对软土路基进行处理。对于软弱土的含水量小于24%的、饱和度小于65%的软土路基，一般采用挤密桩法进行对其处理。挤密桩法是利用振动打桩机通过高频振动， 把桩体打入原路基， 使得大直径桩体和原路基形成复合路基， 一起承受上部荷载。
一般需要打桩的软土路基面积大，因此容易出现路基中不同区域的土地硬度不同的情况，例如分布在河流两岸的软土路基，其远离河流的路基区域的土地硬度，一般会比靠近河流的路基区域的土地硬度高，若在不同硬度的软土路基中打桩时施加相同的振动力，则会降低打桩速度，若仅仅依靠工人的经验来调节振动力，则极易出现打入的桩体高度不一致的情况出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种软土路基打桩装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种软土路基打桩装置，包括机身，设于所述机身顶部的控制室和机械臂一，以及位于所述机械臂一一端的打桩头，所述机械臂一下方设有机械臂二，所述机械臂二通过驱动件与所述机身连接，所述机械臂二一端设有校正头，所述机械臂二用于控制所述校正头位移，所述校正头用于对桩体的角度进行校正，所述校正头上设有监测模块，所述监测模块用于监测桩体在打桩过程中的数据，所述打桩头上设有采集模块，所述采集模块用于监测打桩头对桩体施加的打桩力，同时监测桩体在打桩过程中的下降速度，所述监测模块和所述采集模块将监测的数据输送至调节控制模块，所述调节控制模块根据接收到的数据计算出每个桩体应施加的打桩力，并控制打桩头施加相应的打桩力。
进一步的，所述校正头包括机架，所述机架内部设有夹爪，所述夹爪用于夹持桩体，所述机架转动设于底座外壁，所述底座上设有用于带动所述机架转动的电机一，所述机架外壁对称设有导向板，所述导向板与所述底座滑动连接，所述底座与所述机械臂二一端铰接，所述机械臂二一端设有用于带动所述底座转动的电机二。
进一步的，所述驱动件包括驱动箱和连接座，所述连接座固定设于所述机身一侧，所述机械臂二一端与所述连接座铰接，所述驱动箱位于所述连接座下方，所述驱动箱内部设有电机三，所述电机三的输出轴延伸至所述驱动箱外侧与所述机械臂二的一端固定连接，所述电机三转动带动所述机械臂二转动，所述机身一侧于所述机械臂二下方设有收纳平台，所述收纳平台位于所述驱动箱一侧，用于对收纳后的机械臂二产生支撑作用，所述收纳平台内设有可垂直滑动的承重板，所述承重板底部设有若干个弹簧。
进一步的，所述监测模块包括角度传感器、时间传感器、高度传感器一和激光测距仪，所述角度传感器用于检测桩体的角度，所述时间传感器用于测量桩体下降过程中所用时间，所述高度传感器一用于测量桩体的下降高度，所述激光测距仪用于采集当前桩体与前一个相邻的桩体之间的水平高度差。
进一步的，所述采集模块包括振动力监测单元和高度传感器二，所述振动力监测单元用于监测所述打桩头对桩体施加的打桩力，所述高度传感器二用于监测桩体顶部与地面之间的高度二。
进一步的，所述调节控制模块包括输入单元、计算单元和输出单元，所述输入单元用于接收监测模块和采集模块传输的数据，所述计算单元用于对接收的数据进行整合，并结合桩体角度数据，并计算出下一个桩体预计施加的振动力，将得到的振动力输出，控制打桩头施加相应的振动力。
进一步的，所述调节控制模块工作的具体步骤如下：
步骤S1、设置打桩力F1，将第一根桩体打入路基中，并将此桩体标记为测量桩，采集测量桩的质量m、振动力F1、下降深度H1、下降时间T1，计算第一个桩体在打桩过程中受到的阻力因子K1；
步骤S2、设定第二根桩体的打桩时间参数t，根据阻力因子K1，计算出第二个桩体在打桩过程中应施加的打桩力F2，并选择后面打入的柱体是否选用相同时间参数t，若是，则将输入的时间t作为恒定数值，若否，则手动输入下一次打桩的时间参数t；
步骤S3、采集第二根桩体在打桩过程中实际下降时间T2，计算出阻力因子K2，根据阻力因子K2计算第三个桩体在打桩过程中应施加的振动力F3，重复上述步骤，依次计算后面桩体的打桩力Fn；
步骤S4、对桩体在打桩过程的角度进行监测，预测桩体完全打入后整体的角度，若桩体倾斜角度处于阈值范围内，则无需调整角度，若倾斜角度超出阈值范围，则利用矫正头调节桩体的角度。
进一步的，所述步骤S1中，首先根据如下公式计算出下降速度V1：
V1 = （F1 * T1） / H1
其中，V是下降速率，F是打桩力，T是桩体实际下降时间，H是下降高度；
然后对下述公式进行形变：
Fn = mg * （1 - e（-Tn/m））/ （1 - e（-Tn/m） + KnVn/m）
即可得到计算阻力因子Kn的公式为：
Kn=m[（mg/Fn -1）（1-e（-Tn/m））]/Vn
其中m是桩体的质量，g是重力加速度，Fn 是对第n根打桩住施加的打桩力，Vn是第n根桩体下降的速率，Kn是第n根桩体打入路基时受到的阻力因子；
将从第一根测量柱得到的数据T1、F1代入上述公式中，即可计算出K1的值。
所述步骤S2中，输入参数时间t，带入下述公式中，
Fn = （π/4） * Kn-1 * A * （Hn/t）2
计算出F2的值，则F2为第二根桩体应施加的打桩力；
其中，A为桩侧面积。
所述步骤S3中，监测第二根桩体打桩完成后，第二根桩体实际的下降时间T2，并将其带入下式中，
Vn = （Fn * Tn） / Hn
计算出第二根桩体的实际下降速率V2；
其中，V是下降速率，F是下降力，Tn是第n根桩体的实际下降时间，H是下降高度；
然后将监测得到的第二根桩体实际的下降时间T2和计算出的第二根桩体的实际下降速度V2带入上述计算K值的公式中，计算出K2的数值，根据K2可计算出第三根桩体的应施加的打桩力F3。
所述步骤S4中，设置倾斜角度的阈值为θ，监测到的桩体的倾斜角度为α，则需调节的角度为β=α-θ，根据计算得到的β数值，控制校正头（7）改变桩体的角度。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：
1、本发明通过将第一根打入的桩体作为测量柱，计算出第一根桩体在打桩过程中实际受到的路基的阻力因子，由于相邻两根桩体所处路基情况相似，因此可根据计算前一根打桩体受到的阻力因子计算出后一根桩体应施加的打桩力，这样可在不同硬度的路基中，保证打桩的速率，依次类推，依次计算出后面每根桩体的打桩力，从而实现每根桩体应施加的打桩力可根据地形变化，进行自动调节，从而可在路基硬度较硬的情况下，施加较大的振动力，以保证打桩的速率，并且保证打桩的高度一致，提高打桩的质量。
2、本发明可实时预测桩体打入过程中的角度变化，判断整桩打入后是否会出现桩体倾斜角度超出阈值的情况，若判断会出现桩体角度超出阈值的情况，可及时利用矫正头调节桩体角度，并且可根据设置的桩体倾斜角度参数调节桩体的打入角度，实现打入不同角度的桩体的目的，并且在夹取桩体的过程中，可利用夹爪对桩体进行夹持，使得桩体减缓晃动，降低对打桩头的磨损，并且在矫正头使用完毕后，将机械臂二收纳到收纳平台上，利用弹簧和承重板配合使用，可对机械臂二产生支撑缓冲作用，使得在打桩机运输过程中，可减少机械臂二关节处的磨损，增加零件使用寿命。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明整体的立体结构示意图；
图2是本发明整体另一角度的立体结构示意图；
图3是本发明打桩头的结构示意图；
图4是本发明校正头的结构示意图；
图中：1、机身；2、控制室；3、机械臂一；4、打桩头；5、机械臂二；6、驱动件；7、校正头；8、机架；9、夹爪；10、底座；11、电机一；12、导向板；13、电机二；14、驱动箱；15、连接座；16、电机三；17、收纳平台；18、承重板；19、弹簧；20、角度传感器；21、时间传感器；22、高度传感器一；23、激光测距仪；24、高度传感器二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图4，本发明提供技术方案：一种软土路基打桩装置，包括机身1，设于所述机身1顶部的控制室2和机械臂一3，以及位于所述机械臂一3一端的打桩头4，所述机械臂一3下方设有机械臂二5，所述机械臂二5通过驱动件6与所述机身1连接，所述机械臂二5一端设有校正头7，所述机械臂二5用于控制所述校正头7位移，所述校正头7用于对桩体的角度进行校正，所述校正头7上设有监测模块，所述监测模块用于监测桩体在打桩过程中的数据，所述打桩头4上设有采集模块，所述采集模块用于监测打桩头4对桩体施加的打桩力，同时监测桩体在打桩过程中的下降速度，所述监测模块和所述采集模块将监测的数据输送至调节控制模块，所述调节控制模块根据接收到的数据计算出每个桩体应施加的打桩力，并控制打桩头4施加相应的打桩力。
所述校正头7包括机架8，所述机架8内部设有夹爪9，所述夹爪9用于夹持桩体，所述机架8转动设于底座10外壁，所述底座10上设有用于带动所述机架8转动的电机一11，所述机架8外壁对称设有导向板12，所述导向板12与所述底座10滑动连接，所述底座10与所述机械臂二5一端铰接，所述机械臂二5一端设有用于带动所述底座10转动的电机二13，机械臂二5带动底座10位移，底座10可带动机架8产生位移动作，电机一11转动时可带动机架8产生转动动作，当机架8产生动作时，可带动夹爪9动作，使夹爪9可调节桩体角度。
所述驱动件6包括驱动箱14和连接座15，所述连接座15固定设于所述机身1一侧，所述机械臂二5一端与所述连接座15铰接，所述驱动箱14位于所述连接座15下方，所述驱动箱14内部设有电机三16，所述电机三16的输出轴延伸至所述驱动箱14外侧与所述机械臂二5的一端固定连接，所述电机三16转动带动所述机械臂二5转动，所述机身1一侧于所述机械臂二5下方设有收纳平台17，所述收纳平台17位于所述驱动箱14一侧，用于对收纳后的机械臂二5产生支撑作用，所述收纳平台17内设有可垂直滑动的承重板18，所述承重板18底部设有若干个弹簧19。
具体的，电机三16转动可带动机械臂二5位移，可将机械臂二5向收纳平台17一侧移动，当机械臂二5移动至收纳平台17顶部后，承重板18和弹簧19受到压力作用，弹簧19压缩后会产生反弹力，与承重板18受到的压力相抵消，从而可对机械臂二5产生支撑缓冲作用，在打桩机运输过程中，可减少机械臂二5关节处的磨损，增加零件使用寿命。
所述监测模块包括角度传感器20、时间传感器21、高度传感器一22和激光测距仪23，所述角度传感器20用于检测桩体的角度，所述时间传感器21用于测量桩体下降过程中所用时间，所述高度传感器一22用于测量桩体的下降高度，所述激光测距仪23用于采集当前桩体与前一个相邻的桩体之间的水平高度差。
所述采集模块包括振动力监测单元和高度传感器二24，所述振动力监测单元用于监测所述打桩头4对桩体施加的打桩力，所述高度传感器二24用于监测桩体顶部与地面之间的高度二。
所述调节控制模块包括输入单元、计算单元和输出单元，所述输入单元用于接收监测模块和采集模块传输的数据，所述计算单元用于对接收的数据进行整合，并结合桩体角度数据，并计算出下一个桩体预计施加的振动力，将得到的振动力输出，控制打桩头4施加相应的振动力。
所述调节控制模块工作的具体步骤如下：
步骤S1、设置打桩力F1，将第一根桩体打入路基中，并将此桩体标记为测量桩，采集测量桩的质量m、振动力F1、下降深度H1、下降时间T1，计算第一个桩体在打桩过程中受到的阻力因子K1；
步骤S2、设定第二根桩体的打桩时间参数t，根据阻力因子K1，计算出第二个桩体在打桩过程中应施加的打桩力F2，并选择后面打入的柱体是否选用相同时间参数t，若是，则将输入的时间t作为恒定数值，若否，则手动输入下一次打桩的时间参数t；
步骤S3、采集第二根桩体在打桩过程中实际下降时间T2，计算出阻力因子K2，根据阻力因子K2计算第三个桩体在打桩过程中应施加的振动力F3，重复上述步骤，依次计算后面桩体的打桩力Fn；
步骤S4、对桩体在打桩过程的角度进行监测，预测桩体完全打入后整体的角度，若桩体倾斜角度处于阈值范围内，则无需调整角度，若倾斜角度超出阈值范围，则利用矫正头调节桩体的角度。
所述步骤S1中，首先根据如下公式计算出下降速度V1：
V1 = （F1 * T1） / H1
其中，V是下降速率，F是打桩力，T是桩体实际下降时间，H是下降高度；
然后对下述公式进行形变：
Fn = mg * （1 - e（-Tn/m））/ （1 - e（-Tn/m） + KnVn/m）
即可得到计算阻力因子Kn的公式为：
Kn=m[（mg/Fn -1）（1-e（-Tn/m））]/Vn
其中m是桩体的质量，g是重力加速度，Fn 是对第n根打桩住施加的打桩力，Vn是第n根桩体下降的速率，Kn是第n根桩体打入路基时受到的阻力因子；
将从第一根测量柱得到的数据T1、F1代入上述公式中，即可计算出K1的值。
所述步骤S2中，输入参数时间t，带入下述公式中，
Fn = （π/4） * Kn-1 * A * （Hn/t）2
计算出F2的值，则F2为第二根桩体应施加的打桩力；
其中，A为桩侧面积；
所述步骤S3中，监测第二根桩体打桩完成后，第二根桩体实际的下降时间T2，并将其带入下式中，
Vn = （Fn * Tn） / Hn
计算出第二根桩体的实际下降速率V2；
其中，V是下降速率，F是下降力，Tn是第n根桩体的实际下降时间，H是下降高度；
然后将监测得到的第二根桩体实际的下降时间T2和计算出的第二根桩体的实际下降速度V2带入上述计算K值的公式中，计算出K2的数值，根据K2可计算出第三根桩体的应施加的打桩力F3。
所述步骤S4中，
设置倾斜角度的阈值为θ，监测到的桩体的倾斜角度为α，则需调节的角度为β=α-θ，根据计算得到的β数值，控制校正头7改变桩体的角度。
具体实施方式为：使用时，利用机械臂一3控制打桩头4，抓取桩体，然后将桩体移动至夹爪9的抓取区域内，此时可利用夹爪9对桩体进行夹持，使得桩体减缓晃动，降低对打桩头4的磨损，同时可监控桩体的角度，根据设定的参数，利用夹爪9将桩体调节至设定角度，实现根据不同路基打入不同角度的桩体的目的，此时设定一个打桩力，利用打桩头4将第一根打桩头4打入路基内，将第一根桩体作为测量桩，对其打桩过程中的下降时间、下降高度等数据进行监测，并计算出第一根桩体在下降过程中受到的阻力因子，由于第二根桩体与第一根桩体相邻较近，因此将第一根桩体所受阻力因子假设为第二根桩体下降时所受阻力因子，计算出在设定时间内，第二根桩体应该时间的振动力，然后将第二根桩体打入路基，并在打桩过程中检测第二根桩体的实际下降时间，计算出第二根桩体的实际下降速率，从而可计算出第二根桩体打桩后测量得到的阻力因子，并由于第三根桩体与第二根桩体相邻较近，因此可计算出第三根桩体的打桩力，依次类推，可依次计算出每根桩体因施加的打桩力，并且此打桩力可根据地形变化，进行自动调节，从而可在路基硬度较硬的情况下，施加较大的振动力，以保证打桩的速率，并且保证打桩的高度一致，提高打桩的质量。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种软土路基打桩装置，包括机身（1），设于所述机身（1）顶部的控制室（2）和机械臂一（3），以及位于所述机械臂一（3）一端的打桩头（4），其特征在于：所述机械臂一（3）下方设有机械臂二（5），所述机械臂二（5）通过驱动件（6）与所述机身（1）连接，所述机械臂二（5）一端设有校正头（7），所述机械臂二（5）用于控制所述校正头（7）位移，所述校正头（7）用于对桩体的角度进行校正，所述校正头（7）上设有监测模块，所述监测模块用于监测桩体在打桩过程中的数据，所述打桩头（4）上设有采集模块，所述采集模块用于监测打桩头（4）对桩体施加的打桩力，同时监测桩体在打桩过程中的下降速度，所述监测模块和所述采集模块将监测的数据输送至调节控制模块，所述调节控制模块根据接收到的数据计算出每个桩体应施加的打桩力，并控制打桩头（4）施加相应的打桩力。
2.根据权利要求1所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述校正头（7）包括机架（8），所述机架（8）内部设有夹爪（9），所述夹爪（9）用于夹持桩体，所述机架（8）转动设于底座（10）外壁，所述底座（10）上设有用于带动所述机架（8）转动的电机一（11），所述机架（8）外壁对称设有导向板（12），所述导向板（12）与所述底座（10）滑动连接，所述底座（10）与所述机械臂二（5）一端铰接，所述机械臂二（5）一端设有用于带动所述底座（10）转动的电机二（13）。
3.根据权利要求1所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述驱动件（6）包括驱动箱（14）和连接座（15），所述连接座（15）固定设于所述机身（1）一侧，所述机械臂二（5）一端与所述连接座（15）铰接，所述驱动箱（14）位于所述连接座（15）下方，所述驱动箱（14）内部设有电机三（16），所述电机三（16）的输出轴延伸至所述驱动箱（14）外侧与所述机械臂二（5）的一端固定连接，所述电机三（16）转动带动所述机械臂二（5）转动，所述机身（1）一侧于所述机械臂二（5）下方设有收纳平台（17），所述收纳平台（17）位于所述驱动箱（14）一侧，用于对收纳后的机械臂二（5）产生支撑作用，所述收纳平台（17）内设有可垂直滑动的承重板（18），所述承重板（18）底部设有若干个弹簧（19）。
4.根据权利要求1所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述监测模块包括角度传感器（20）、时间传感器（21）、高度传感器一（22）和激光测距仪（23），所述角度传感器（20）用于检测桩体的角度，所述时间传感器（21）用于测量桩体下降过程中所用时间，所述高度传感器一（22）用于测量桩体的下降高度，所述激光测距仪（23）用于采集当前桩体与前一个相邻的桩体之间的水平高度差。
5.根据权利要求1所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述采集模块包括振动力监测单元和高度传感器二（24），所述振动力监测单元用于监测所述打桩头（4）对桩体施加的打桩力，所述高度传感器二（24）用于监测桩体顶部与地面之间的高度二。
6.根据权利要求1所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述调节控制模块包括输入单元、计算单元和输出单元，所述输入单元用于接收监测模块和采集模块传输的数据，所述计算单元用于对接收的数据进行整合，并结合桩体角度数据，并计算出下一个桩体预计施加的振动力，将得到的振动力输出，控制打桩头（4）施加相应的振动力。
7.根据权利要求6所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述调节控制模块工作的具体步骤如下：
步骤S1、设置打桩力F1，将第一根桩体打入路基中，并将此桩体标记为测量桩，采集测量桩的质量m、振动力F1、下降深度H1、下降时间T1，计算第一个桩体在打桩过程中受到的阻力因子K1；
步骤S2、设定第二根桩体的打桩时间参数t，根据阻力因子K1，计算出第二个桩体在打桩过程中应施加的打桩力F2，并选择后面打入的柱体是否选用相同时间参数t，若是，则将输入的时间t作为恒定数值，若否，则手动输入下一次打桩的时间参数t；
步骤S3、采集第二根桩体在打桩过程中实际下降时间T2，计算出阻力因子K2，根据阻力因子K2计算第三个桩体在打桩过程中应施加的振动力F3，重复上述步骤，依次计算后面桩体的打桩力Fn；
步骤S4、对桩体在打桩过程的角度进行监测，预测桩体完全打入后整体的角度，若桩体倾斜角度处于阈值范围内，则无需调整角度，若倾斜角度超出阈值范围，则利用矫正头调节桩体的角度。
8.根据权利要求7所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述步骤S1中，首先根据如下公式计算出下降速度V1：
V1 = （F1 * T1） / H1
其中，V是下降速率，F是打桩力，T是桩体实际下降时间，H是下降高度；
然后对下述公式进行形变：
Fn = mg * （1 - e（-Tn/m））/ （1 - e（-Tn/m） + KnVn/m）
即可得到计算阻力因子Kn的公式为：
Kn=m[（mg/Fn -1）（1-e（-Tn/m））]/Vn
其中m是桩体的质量，g是重力加速度，Fn 是对第n根打桩住施加的打桩力，Vn是第n根桩体下降的速率，Kn是第n根桩体打入路基时受到的阻力因子；
将从第一根测量柱得到的数据T1、F1代入上述公式中，即可计算出K1的值。
9.根据权利要求8所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述步骤S2中，输入参数时间t，带入下述公式中，
Fn = （π/4） * Kn-1 * A * （Hn/t）2
计算出F2的值，则F2为第二根桩体应施加的打桩力；
其中，A为桩侧面积；
所述步骤S3中，监测第二根桩体打桩完成后，第二根桩体实际的下降时间T2，并将其带入下式中，
Vn = （Fn * Tn） / Hn
计算出第二根桩体的实际下降速率V2；
其中，V是下降速率，F是下降力，Tn是第n根桩体的实际下降时间，H是下降高度；
然后将监测得到的第二根桩体实际的下降时间T2和计算出的第二根桩体的实际下降速度V2带入上述计算K值的公式中，计算出K2的数值，根据K2可计算出第三根桩体的应施加的打桩力F3。
10.根据权利要求7所述的一种软土路基打桩装置，其特征在于：所述步骤S4中，设置倾斜角度的阈值为θ，监测到的桩体的倾斜角度为α，则需调节的角度为β=α-θ，根据计算得到的β数值，控制校正头（7）改变桩体的角度。
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