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摘 要

工地施工过程中，为了保证钻孔灌注桩的施工质量，在完成钻孔后，应对桩基进行成孔质量检测。只有在保证钻孔质量满足施工需求的情况下，才可以进行混凝土灌注。否则易出现灌注桩质量不过关，倾斜倒塌等现象发生，从而危及人员生命及财产安全。

为检测桩基的成孔质量，本文采用低应变反射法，对桩基孔反射信号进行测量并利用此信号计算桩身波的阻抗。通过对桩基孔上下部分桩身波阻抗的比对，完成钻孔质量的检测和判断。

本文主要围绕对钻孔做加速度信号测量采集与分析来进行钻孔质量检测分析。通过MEMS加速度传感器采集钻孔中的加速度信号，依据低应变反射法勘查原理，采用STM32微处理器作为核心进行系统开发，并围绕该核心进行外围设备设计。 使用LCD1602液晶显示器将计算得出的数据进行展示从而实现系统的设计。

本文系统设计硬件电路开发环境为Altium Designer，软件开发环境为Keil软件。本文完成了基于MEMS加速度传感器的桩基孔钻孔质量高精度采集系统的设计，并完成了系统测试，验证了系统的可行性。该系统能够对钻孔加速度信号进行采集分析对比，从而完成对钻孔质量检测分析。

关键词：钻孔质量检测系统；低应变反射法；微电机系统加速度传感器；STM32微处理器；

ABSTRACT

In the process of site construction, in order to ensure the construction quality of bored piles, the pore-forming quality of pile foundation shall be tested after the completion of drilling. Under the condition of ensuring the quality of drilling hole to meet the construction requirements, slow setting soil perfusion can be carried out. Otherwise, the quality of the cast-in-place pile is not easy to pass, tilt collapse and other phenomena occur, thereby endangering the lives of personnel and property safety.

In order to detect the hole-forming mass of the pile base, the low strain reflection method is used to measure the pile base hole reflection signal and use this signal to calculate the impedance of pile body wave. By comparing the body wave impedance of the upper and lower piles in the pile base hole, the detection and judgment of drilling quality are completed.

This paper mainly focuses on the drilling of acceleration signal measurement and acquisition to carry out drilling quality inspection and analysis. The acceleration signal in the drilling is collected by MEMS accelerometer, combined with the low strain reflection method survey principle, the STM32 microprocessor is used as the core for system development, and the peripheral device design is carried out around the core. Using the LCD1602 LCD monitor, the calculated data is displayed to achieve the design of the system.

In this paper, the system design hardware circuit development environment is Altium Designer, and the software development environment is Keil software. In this paper, the design of the high-precision acquisition system of pile base hole drilling quality based on MEMS accelerometer is completed, and the system test is completed to verify the feasibility of the system. The system can collect and compare the drilling acceleration signal, so as to complete the analysis of drilling quality inspection.

Keywords: Drilling Quality Testing System; Low strain reflection; Acceleration Sensor of Micro-motor System; STM32 Microprocessor;

目 录

摘 要 2

ABSTRACT 3

第1章 绪论 5

1.1 课题研究背景 5

1.2 课题国内外研究现状 6

1.3 论文结构安排及总体思路 7

第2章 低应变反射法理论研究 8

2.1 低应变反射法介绍 8

2.2 低应变反射法理论分析 8

2.3 本章小结 10

第3章 系统硬件电路设计 11

3.1 检测模块 11

3.2 处理器模块 12

3.3 显示模块 13

3.4 本章小结 14

第4章 系统软件设计与系统测试 15

4.1 系统程序设计概述及原则要求 15

4.2 数据采集模块程序设计 17

4.3 显示模块程序设计 18

4.4 串口通信模块 19

4.5 系统仿真设计 20

4.6 系统测试 21

4.7 本章小结 23

总 结 24

参考文献 25

附件 27

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

处在信息技术时代，二十一世纪初，随着国家技术的进步发展，我国国民生活水平有着很大的提高，并且国内公共设施也得到了进一步的提高完善。因此桩基建设基础在各个建筑当中被广泛使用，桩基基础已是工程建筑当中必不可少的基础工程，建筑好坏与桩基钻孔质量息息相关。但由于桩基工程十分隐蔽，是在地表下进行施工作业，想要正常施工已经是困难重重，桩基钻孔质量更是难以保证，出现了问题更是难以处理。施工过程中常常由于施工环境差、灌桩技术不成熟、操作不当等原因造成桩基存在缺陷，无法达到基本建筑要求。若不能勘查检测出桩基存在的缺陷，将会导致建筑基础不牢固，难以支撑整个建筑，严重的将会在建筑完成投入使用后发生沉降、坍塌等问题。

为能够判断桩基是否存在缺陷，需使用到桩基检测技术，这是判断桩基好坏的主要方法以及唯一依据，因此桩基检测工程是建筑工程里边必不可少的一项。随着我国的基础建筑不断增多，桩基检测也得到了广泛的应用，在应用过程中也因为新的桩基缺陷被发现，不同的桩基类型和应用区域的变化，检测的技术及方法也的得到了相应的改进和完善。同时也衍生出了许多的理论知识和技术。为了保证整个建筑的安全，检测人员需对桩基是否存在缺陷做出正确的判断，故对不同类型的桩基缺陷要进行相应的理论研究学习，以此保证桩基工程质量达标，减少和避免不必要的伤亡及损失。

其实，桩基检测技术早在一百多年前就已又来了简单的应用，近代以来随着科学与信息技术的飞速发展，桩基检测技术已经检测手段也有了很大的改善。目前动力检测在桩基检测领域当中有着广泛的应用，且技术成熟^[1]。应变反射法也在桩基领域中有着广泛的应用。我国当代的桩基检测也刚发展不久，很多技术研究和理论研究都还有待完善。然而桩基检测技术有着十分重要的一环，那就是对桩基进行检测信号采集，这时就需要对使用的传感器进行研究及筛选^[2]。

目前为止，MEMS传感器已经逐渐成为硅产业中增长速度最快的研究领域之一。相较于其他传统机械传感器，MEMS传感器具有其无可替代的优势，如质量小、尺寸微型、性能稳定并且成本更低，同时其工艺兼容性高的优点也令得生产规模与传统传感器相比明显扩大^[8]。为了满足现代人类以及社会建设需求，我国早已开始尝试利用MEMS检波器技术来进行桩基检测，并进行了大量的探索研究，只为了能够实现检测技术的数字化、微型化、新型化。

1.2 课题国内外研究现状

桩基检测技术在100多年前就已经被人们提出，当时人们仅是提出了根据牛顿定律推导，以此为基础，假想桩基为一刚性模型，通过贯入程度计算桩基的承受能力，加上检测人员的经验来判断桩基好坏^[3]。但利用这样的方法不能对检桩基进行有力的判断。于是在20世纪初期，利用弹性波方法进行桩基检测被人们进行研究和试验，此时应力波理论在桩基检测中得以应用。

九十年代初期，D.V.Isaacs发现用铁锤敲击桩基后会使桩基产生一种能量，这种能量能够传达到柱子底部，而且是以波的形式进行传播，柱子可视为弹性元件，如此一来整个过程就可通过维波动方程来表示^[4]。但由于但是的数学条件限制，很难对杆内的应力进行数学分析研究，但在五年之后，E.N.Fox在此模型的基础上进行了多种简化分析，通过列出的波动方程对传播过程进行了很好的分析解释^[14]。之后在九十年代中期，EA.Smith针对“锤一桩一土”体系实现数学建模，构建了计算机模型，计算机模型为离散化，由质量块及阻尼器、弹簧建构而成，且得到了一系列的数值解；若干年后的今天，对于打桩贯入形状的研究在《打桩分析波形方程》这一学术论文发表，在此基础上还提出了土的建议值和系统单元参数，这给桩基检测技术带来了很大的影响，为桩基检测技术在波形方程理论上的实际应用打下了牢固基础^[5]。

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