技术领域
[0001] 本
发明涉及岩土工程领域，特别涉及一种
水泥土搅拌桩数字化施工系统及方法。
背景技术
[0002] 水泥土搅拌桩是用于加固饱和软黏土地基的一种方法，它利用水泥作为
固化剂，通过特制的
搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水
稳定性和一定强度的优质地基。
[0003] 常规传统施工，一般采用人工操控设备完成施工，每台设备配置多名施工人员，常因为人为主观因素出现一系列缺点：人工成本高、施工效率低、人工记录数据不完整、施工
质量控制难、无法实时监测施工的操作规范性等，水泥土搅拌桩的运行时间较长，以上情况严重影响施工质量的稳定性，无法保证施工的操作规范性。
发明内容
[0004] 为解决上述技术问题，提高搅拌桩质量，实现自动化控制和实时监测施工过程，本发明公开了一种水泥土搅拌桩数字化施工系统，包括：控制系统、
监控系统、终端系统；所述控制系统包括配料搅拌模
块、喷桩模块、PLC控
制模块及
触摸屏，所述配料搅拌模块、喷桩模块及触摸屏分别与所述PLC
控制模块电性连接，所述监控系统包括施工
数据处理模块、
定位监控模块及资源管理模块，通过所述监控系统将水泥土搅拌桩桩机的参数、
位置、运行情况全方位集成，实时监测、分析施工数据，提高施工的规范性和精确度，所述监控系统、终端系统与所述触摸屏电性连接实现与所述控制系统的数据传输，所述监控系统用于集成、监测、分析数据，从而调整所述控制系统的参数，优化所述施工系统，所述终端系统用于所述施工系统的远程管理。
[0005] 优选的，所述配料搅拌模块包括配料组件、搅拌机及料浆存储设备，所述配料组件包括水称、水泥称、外加剂称，所述配料组件采用PR称重模块，通过所述触摸屏设定和调整配料、搅拌、卸料工序的施工参数，实现配料搅拌过程的数字化控制，所述PR称重模块具有计量
精度高、
采样速度快的特点，可进一步提高配料精度，使所述监控系统可精确掌握物料资源消耗和剩余情况。
[0006] 优选的，所述料浆存储设备设有
超声波料位计，所述PLC控制模块采集所述
超声波料位计实时监测的料位
信号判断是否卸料，当料位过高时，为防止所述料浆存储设备溢料，所述控制系统自动禁止搅拌机卸料，当所述料浆存储设备的料位能足以容纳配料时，允许所述搅拌机卸料。
[0007] 优选的，所述喷桩模块包括压料机、喷料设备，所述PLC控制模块可通过变频信号调节所述压料机的输出料浆流量，所述输出料浆流量与所述变频信号的
频率成正相关，所述压料机通过管道连接所述料浆存储设备及所述喷料设备，将所述料浆存储设备中的料浆输送到所述喷料设备。
[0008] 优选的，所述压料机的管道出口处设有流量
传感器、
压力传感器，使所述PLC控制模块可获取所述输出料浆流量的流量参数和压力参数。
[0009] 优选的，所述喷料设备的钻机上设有位置
编码器获取钻机的位置信号，所述PLC控制模块根据所述位置信号计算移动速度，从而计算得到该位置移动速度下的所需料浆流量，并以所需料浆流量和输出料浆流量作为输入值进行PID运算，所述PLC控制模块根据所述PID运算结果控制所述输出料浆流量使其与所述所需料浆流量一致，实现精细化施工，提高成桩质量。
[0010] 优选的，所述施工数据处理模块包括
数据采集模块与数据分析模块，所述数据采集模块采集施工过程中施工数据并上传至所述终端系统，所述数据分析模块用于所述施工数据的整合分析，根据分析结果，逐步优化所述控制系统各模块施工参数的设置，可根据不同类型的水泥搅拌桩桩机类型进行参数设置，使施工过程精确化、规范化；
[0011] 优选的，所述定位监控模块用于对施工现场的桩机识别定位，包括基于
图像识别技术的定位监控和基于GPS技术的定位监控，所述基于图像识别技术的定位监控可预存施工现场数字地图，利用施工现场的视频监控系统进行图像识别，在数字地图呈现各个桩机的位置，所述基于GPS技术的定位监控通过安装GPS系统实现精准识别；以便于实现水泥土搅拌桩的快速定位。
[0012] 优选的，所述资源管理模块包括设备资源模块、物料资源模块，所述设备资源模块可监控施工设备状态，所述物料资源模块可通过所述终端系统动态显示施工过程中的所用到的设备资源信息及物料资源信息，包括数量、剩余量、使用量等信息，以便于进行资源的补充和管理，实时监控管理搅拌桩的运行状况，实现在水泥土搅拌桩在使用中的规范化和标准化管理。
[0013] 优选的，所述终端系统包括移动终端或网页终端，所述终端系统搭载有
云服务器模块及
数据库模块，所述云服务器模块可对数据进行预处理并传输给所述数据库模块进行数据存储，所述移动终端或网页终端可通过远程
访问所述云服务器模块中的数据进行
可视化展示和管理。
[0014] 优选的，所述触摸屏采用昆仑通态触摸屏，所述昆仑通态触摸屏可实现对生产流程的模拟显示。
[0015] 优选的，所述监控系统还设有人员管理模块，用于进行人员考勤、人员权限设置。
[0016] 利用前述水泥土搅拌桩数字化施工系统的方法，该方法包括：控制步骤和监控步骤，
[0017] 所述控制步骤进一步包括如下步骤：
[0018] 步骤S11：根据施工工艺要求，通过触摸屏设置施工参数；所述施工参数至少包括：配料参数、搅拌参数、喷浆参数；
[0019] 步骤S12：配料组件按照设定配料参数自动进行配料；完成配料后依次自动投入到搅拌机中；
[0020] 步骤S13：搅拌机按照设定搅拌参数进行全自动搅拌；
[0021] 步骤S14：系统进行卸料判断，允许卸料的情况下，搅拌机卸料到料浆存储设备；
[0022] 步骤S15：压料机
抽取料浆至喷桩设备；
[0023] 步骤S16：控制所述喷桩设备进行喷桩，喷桩过程中实时调整输出料浆流量；
[0024] 所述监控步骤包括如下步骤：
[0025] 步骤S21：实时获取水泥土搅拌桩的数据，所述数据包括施工数据及定位数据；
[0026] 步骤S22：系统上传数据到云服务器模块进行预处理，所述预处理过程包括利用数据分析模块统计分析水泥土搅拌桩的施工数据；
[0027] 步骤S23：云服务器模块将处理后的数据保存到数据库模块中；
[0028] 步骤S24：终端系统远程访问云服务器模块，调用、管理数据库模块中的数据。
[0029] 优选的，在所述步骤S14中，所述卸料判断是获取料浆存储设备中的超声波料位计的料位信号，确定料位状态，当料位过高时，自动禁止搅拌机卸料，否则，允许所述搅拌机卸料。
[0030] 优选的，所述实时调整料浆流量包括：获取喷料设备的钻机的位置信号，根据所述位置信号计算所需料浆流量，同时获取压料机管道出口处的输出料浆流量，系统以所需料浆流量和输出料浆流量作为输入值进行PID运算，根据PID运算结果变频控制压料机的输出料浆流量，使所述输出料浆流量与所需料浆流量一致。
[0031] 优选的，所述搅拌参数包括但不限于：搅拌盘数、搅拌时间、搅拌机卸料时间；所述喷浆参数包括但不限于：桩体编号、注浆长度、每单位长度的料浆重量，所述施工参数包括但不限于：配料参数、搅拌参数、喷浆参数。
[0032] 本发明的有益效果是：
[0033] (1)本发明的所述施工系统及方法传感集成了施工过程中各个工作模块，采用数字化系统控制和监控施工质量，利用所述控制系统和监控系统协同工作，实现了自动化、标准化、智能化的施工工作模式，保证水泥土搅拌桩施工的规范化和精细化；并能通过所述监测系统的分析，自主发现水泥土搅拌桩在实际使用过程中存在的问题，提高水泥土搅拌桩的运行效率，保证施工质量。
[0034] (2)由于配料过程直接影响喷桩的质量和速度，因此为了提高喷桩的质量和速度，对配料组件进行了升级，采用PR称重模块，该模块与所述PLC控制模块电性连接，控制配比，以便于实时监测配料使用、累积量及剩余情况。
[0035] (3)本发明对喷桩过程进行升级，系统先按照配比搅拌出混合料，混合料由压料机输送到喷料装置进行喷料，在喷料的过程中根据位置编码器所计算的速度
自动调节喷料流量，以达到桩体均匀，保持喷桩质量的目的；同时通过触摸屏进行施工数据的存储、上传、下载等操作，可依照施工规范设定自动打印和存储，避免了因人工操作造成的施工质量控制难、数据记录不完整、无法实施检测施工规范性的问题及其他因人为因素产生的缺点。
[0036] (4)本发明通过触摸屏和所述终端系统进行所述施工系统各模块参数的
人机交互和远程控制，从而实现无人值守式的自动化施工控制和可视化管理；本发明通过所述监控系统的数据采集模块和数据分析模块，对施工过程的大量参数数据进行整合分析，得到优选施工参数，根据此优选施工参数，有助于所述施工系统更规范化、精确化。
附图说明
[0037] 为了更清楚地说明本发明
实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038] 图1为本发明的水泥土搅拌桩数字化施工系统的结构示意图；
[0039] 图2为本发明的水泥土搅拌桩数字化施工方法的控制步骤流程示意图；
[0040] 图3为本发明的水泥土搅拌桩数字化施工方法的监控步骤流程示意图；
[0041] 图4为本发明的配料搅拌过程的流程示意图；
[0042] 图5为本发明的搅拌过程的工艺流程示意图；
[0043] 图6为本发明的实时调整料浆流量的流程示意图。
具体实施方式
[0044] 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。
[0045] 需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定
姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0046] 另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
[0047] 如图1-6所示，本实施例提供了一种水泥土搅拌桩数字化施工系统，包括：控制系统1、监控系统2、终端系统3；控制系统1包括配料搅拌模块11、喷桩模块12、PLC控制模块13及触摸屏14，配料搅拌模块11、喷桩模块12及触摸屏14分别与PLC控制模块13电性连接，配料搅拌模块11包括配料组件111、搅拌机112及料浆存储设备113，配料组件111包括111-1、水泥称111-2、外加剂称111-3，配料组件111采用PR称重模块，喷桩模块12包括压料机121、喷料设备122，PLC控制模块13可通过变频信号调节压料机121的输出料浆流量，输出料浆流量与变频信号的频率成正相关，压料机121通过管道连接料浆存储设备113及喷料设备122，将料浆存储设备113中的料浆输送到喷料设备122，料浆存储设备113设有超声波料位计113-1，本实施例的PLC控制模块13采集超声波料位计113-1实时监测的料位信号，当料位过高时，为防止料浆存储设备113溢料，指令控制系统1自动禁止搅拌机112卸料，当料浆存储设备113的料位能足以容纳配料时，允许搅拌机112卸料。压料机121的管道出口处设有流量传感器121-1、
压力传感器121-1，使PLC控制模块13可获取输出料浆的输出料浆流量的压力参数和流量参数。喷料设备122的钻机122-1上设有位置编码器122-2获取钻机122-1的位置信号，PLC控制模块13根据位置信号计算移动速度，从而得到该位置移动速度下所需料浆流量，并以所需料浆流量作为输入值进行PID运算，PLC控制模块13根据PID运算结果控制输出料浆流量使其与所需料浆流量一致。
[0048] 监控系统2以实现水泥土搅拌桩智能化远程控制为目标，包括施工数据处理模块21、定位监控模块22及资源管理模块23，监控系统2、终端系统3与触摸屏14电性连接实现数据传输。施工数据处理模块21包括数据采集模块211与数据分析模块212；定位监控模块22包括基于图像识别技术的定位监控221和基于GPS技术的定位监控222，基于图像识别技术的定位监控221可预存施工现场数字地图，利用施工现场的视频监控系统进行识别，在数字地图呈现各个桩机的位置，基于GPS技术的定位监控222通过安装GPS系统实现精准识别；以便于实现水泥土搅拌桩的快速定位。资源管理模块23包括设备资源模块231、物料资源模块
232，设备资源模块231可监控施工设备状态，物料资源模块232可通过终端系统3动态显示施工过程中的所用到的设备资源及物料资源的数量、剩余量、使用量等信息实现数字化资源管理，实现在水泥土搅拌桩在使用中的规范化和标准化管理。
[0049] 终端系统3包括移动终端31或网页终端32，终端系统3搭载有云服务器模块及数据库模块，云服务器模块可对数据进行预处理并传输给数据库模块进行数据存储，使用移动终端31或网页终端32实现远程获取、可视化展示和控制施工数据。
[0050] 本实施例的触摸屏14采用昆仑通态触摸屏，昆仑通态触摸屏可实现对生产流程的模拟显示，触摸屏14可外接打印设备将生产过程的数据进行打印输出并能实时上传和下载数据，更生动全面的展现施工过程和控制施工过程。监控系统2还设有人员管理模块，包括人员考勤、人员权限设置。
[0051] 利用上述水泥土搅拌桩数字化施工系统的数字化施工方法，该方法包括：控制步骤和监控步骤，
[0052] 所述控制步骤进一步包括如下步骤：
[0053] 步骤S11：根据施工工艺要求，通过触摸屏设置施工参数；所述施工参数包括但不限于：配料参数、搅拌参数、喷浆参数；所述搅拌参数包括但不限于：搅拌盘数、搅拌时间、搅拌机卸料时间；所述喷浆参数包括但不限于：桩体编号、注浆长度、每单位长度的料浆重量；
[0054] 步骤S12：配料组件按照设定配料参数自动进行配料；完成配料后依次自动投入到搅拌机中；
[0055] 步骤S13：搅拌机按照设定搅拌参数进行全自动搅拌；
[0056] 步骤S14：系统进行卸料判断，允许卸料的情况下，搅拌机卸料到料浆存储设备；所述卸料判断是获取料浆存储设备中的超声波料位计的料位信号，确定料位状态，当料位过高时，自动禁止搅拌机卸料，否则，允许所述搅拌机卸料；
[0057] 步骤S15：压料机抽取料浆至喷桩设备；
[0058] 步骤S16：控制所述喷桩设备进行喷桩，喷桩过程中实时调整输出料浆流量；所述实时调整料浆流量包括：获取喷料设备的钻机的位置信号，根据所述位置信号计算所需料浆流量，同时获取压料机管道出口处的输出料浆流量，系统以所需料浆流量和输出料浆流量作为输入值进行PID运算，根据PID运算结果变频控制压料机的输出料浆流量，使所述输出料浆流量与所需料浆流量一致；
[0059] 所述监控步骤包括如下步骤：
[0060] 步骤S21：实时获取水泥土搅拌桩的数据，所述数据包括施工数据及定位数据；
[0061] 步骤S22：系统上传数据到云服务器模块进行预处理，所述预处理过程包括利用数据分析模块统计分析水泥土搅拌桩的施工数据；该统计分析结果用于进行对比分析，优化施工方案；
[0062] 步骤S23：云服务器模块将处理后的数据保存到数据库模块中；
[0063] 步骤S24：终端系统远程访问云服务器模块，调用、管理数据库模块中的数据。
[0064] 应用本方案的施工系统及方法进行施工时，用户根据喷桩的工艺要求，采用PR称重模块水称111-1、水泥称111-2、外加剂称111-3按照配料配比设置配方，随后按照顺序将配料投入搅拌机112，通过触摸屏14设定搅拌机112的搅拌参数进行搅拌，搅拌参数包括是否连续搅拌、搅拌盘数、搅拌时间、搅拌机卸料时间等，用户可以停止生产，也可
修改参数设置，比如延长搅拌时间，完成搅拌后，搅拌机112卸料到料浆存储设备113中，常用的料浆存储设备113为料浆池，料浆存储设备113为防止料浆沉淀会持续搅拌，料浆存储设备113中设有超声波料位计113-1，可实时监测料浆存储设备113的料位，当料位过高时，系统自动禁止卸料，否则，允许搅拌机112卸料。喷桩时，通过触摸屏14设置喷浆参数，压料机121会依据喷浆参数抽取料浆，通过管道输送到喷料设备122中，在此过程中，会根据喷料设备122的钻机122-1的位置编码器122-2计算其提升和下降的移动速度，从而根据移动速度调节料浆流量，以提高桩体质量，数据按桩基每提升10cm记录一次数据，包括料浆量、料浆流量、注浆压力等。触摸屏14将控制系统的施工参数上传至云服务器模块33，云服务器模块33预处理后保存到数据库模块34中，预处理的过程包括计算总值、最大值、最小值和平均值等，以便于管理人员可通过登录网页终端32或手机终端31实时查看并了解现场施工情况，包括显示施工流程、查询配料数据、显示喷桩过程的压力和流量趋势、显示桩体的物料消耗等参数。
[0065] 在开始喷料之前，将施工参数预先通过触摸屏14输入，开始喷料时，随着喷料设备122的启动，压料机121也启动，系统根据喷料设备122的位置信号计算移动速度，根据移动速度将压料机121启动时的初始流量和所需料浆流量进行PID运算，根据运算结果自动调节压料机121变频，从而提高成桩质量。整个施工过程将由触摸屏14以模拟动画的形式进行可视化展示、存储施工参数、上传施工参数，也可连接外部打印设备进行打印。监控系统2的数据采集模块211和数据分析模块212采集施工过程的大量数据，数据采集模块211的数据主要包括钻机速度、管道压力、加料重量等施工参数，数据分析模块212包含图形报表、过程线分析等功能，针对多类多台不同水泥土搅拌桩不同打设深度下的施工数据进行对比分析，分析数据可通过手机终端31或网页终端32调用，并进行可视化展示，在若干组数据中选取最优方案，根据该数据进行初始参数的调整。监控系统2通过定位监控模块22及资源管理模块23将水泥土搅拌桩的位置、参数、效率、运行状况等，通过定位技术及设备资源模块231、物料资源模块232集成到系统中。
[0066] 综上所述，本发明提供的技术方案，传感集成了施工过程中各个工作模块，采用数字化系统控制和监控施工质量，所述控制系统和监控系统协同工作，使施工系统实现了自动化、标准化、智能化的工作，保证水泥土搅拌桩施工的规范化和精细化；并能通过监测系统的分析，自主发现水泥土搅拌桩在实际使用过程中存在的问题，提高水泥土搅拌桩的运行效率，保证施工质量。
[0067] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为
基础；当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
