CN103512686A - 一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑施工应力测试设备技术领域，涉及一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置，高强预应力混凝土管桩内切割制有浅槽，光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆按准分布式熔接串联，串联的光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆植入高强预应力混凝土管桩的浅槽内并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤Bragg光栅传感器在高强预应力混凝土管桩的位置根据需要测试的土层标高进行布设；高强预应力混凝土管桩的顶部内侧开制有桩身钻孔，铠装光缆通过桩身钻孔引出与数据采集系统连通；其装置结构简单，操作方便，测量精度高，灵敏度高，抗电磁场干扰能力强，成活率高，与传统测力元件相比易于实现准分布式和自动化监测。
Description
技术领域：
本发明属于建筑施工应力测试设备技术领域，涉及一种地基与基础工程中采用静压法施工的预制桩桩身应力测试设备，特别涉及一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置。
背景技术：
混凝土预制桩尤其是高强预应力混凝土（PHC）管桩具有承载能力高、工厂化生产、坚固耐久、施工速度快、能有效节约建筑材料和工程造价等优点，静力压桩法施工无噪音，震动小，对周围环境影响较小，适合于市区、具有精密设备地区及其他对施工环境要求高的地区施工，与锤击法施工相比，准静态压桩力能够保证贯入过程中桩身完整性；与钻孔灌注桩施工产生大量的废弃泥浆相比，静压桩施工更环保，无污染；静力压桩沉桩阻力的分离多数是通过测力元件获得桩端阻力和桩侧摩阻力，测力元件易受测试环境的影响，所以提高测力元件成活率是现场试验成败的关键，对于PHC管桩而言，在桩身外侧贴电阻式应变片容易被桩周土摩擦力损坏，如果在桩身内部贴应变片，由于管桩内径小，不易操作，而且管腔容易进水，受环境因素影响大，精度下降，可靠性及成活率都不高；应变式钢筋应力计及振弦式钢筋应力计较应变片稳定，但管桩的生产过程温度高，要用高温应变计，成本高且存活率低；高强预应力混凝土管桩不同于方桩、钢管桩等桩型，其自身生产工艺及特点客观上造成了测试试验的困难，而且生产过程中钢筋张拉、预浇混凝土、高速离心旋转和高温养护等工艺对桩身预埋测力元件造成很大的不便，由于光纤纤细和软弱，对传感器和传输光纤必须进行细致保护，光纤传感原位监测成败的关键在于如何在现场粗放作业施工环境中实现传感器的埋设定位并保证其存活率。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，在不提高成本的前提下，寻求设计提供一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置，当光纤Bragg光栅（FBG）传感器受到拉力或者压力作用时，传感器的伸长或压缩使光纤光栅周期发生变化，进而改变FBG传感器的有效折射率，根据高强预应力混凝土（PHC）管桩某一断面的轴向应变得出静压高强预应力混凝土（PHC）管桩的桩身应力，从而得到桩身轴力、侧摩阻力和桩端阻力。
为了达到上述目的，本发明的主体结构包括高强预应力混凝土（PHC）管桩、光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）传感器、铠装光缆、数据采集系统和桩身钻孔；采用静压法施工的高强预应力混凝土（PHC）管桩内切割制有浅槽，光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆按准分布式熔接串联，串联的光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆植入高强预应力混凝土（PHC）管桩的浅槽内并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤Bragg光栅传感器在高强预应力混凝土（PHC）管桩的位置根据需要测试的土层标高进行布设；高强预应力混凝土（PHC）管桩的顶部内侧开制有桩身钻孔，铠装光缆通过桩身钻孔引出与数据采集系统连通，数据采集系统采用市售的光纤光栅解调仪。
本发明完成应力测试的具体工艺过程为：
（1）、在高强预应力混凝土（PHC）管桩的外壁沿轴线划一直线，然后沿划好的直线切割浅槽，并根据测试岩土层的位置在浅槽内确定光纤Bragg光栅（FBG）传感器的植入位置，光纤Bragg光栅（FBG）传感器距离高强预应力混凝土（PHC）管桩的两端均留出25cm的距离，避开高强预应力混凝土（PHC）管桩的金属端头板；
（2）、根据光纤Bragg光栅（FBG）传感器的位置，将光纤Bragg光栅（FBG）传感器与铠装光缆按准分布式熔接串联起来，在浅槽内植入串联好的光纤Bragg光栅（FBG）传感器后用环氧树脂混合物封装保护，铠装光缆通过桩身钻孔引出；
（3）、串联好的光纤Bragg光栅（FBG）传感器后用环氧树脂混合物封装两个小时后，检查光纤Bragg光栅（FBG）传感器的成活率，成活率不低于90%；
（4）、用回转吊车起吊高强预应力混凝土（PHC）管桩，使高强预应力混凝土（PHC）管桩落入静力压桩机的夹桩机孔中进入工作位置，并将桩身钻孔引出的铠装光缆接入数据采集系统，检查设备连接是否完好；
（5）、静力压桩机的桩箍将高强预应力混凝土（PHC）管桩夹紧，依靠静力压桩机的压桩油缸活塞实现高强预应力混凝土（PHC）管桩的贯入，在贯入过程中记录光纤Bragg光栅（FBG）传感器的波长变化和静力压桩机的压桩力，利用公式ΔλB=ΔλB ε+ΔλB t=λB（ΚεΔεx+ΚtΔt）反算高强预应力混凝土（PHC）管桩的应力变化，从而得到高强预应力混凝土（PHC）管桩的桩身轴力、侧摩阻力和桩端阻力，其中，ΔλB为应变和温度共同作用时光纤Bragg光栅（FBG）传感器中心波长变化量；ΔλB ε为光纤Bragg光栅（FBG）传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；ΔλB t为温度发生变化时，光纤Bragg光栅（FBG）传感器中心波长变化量；λB为不受外力、温度为0时光栅的初始波长；Κε为光纤Bragg光栅（FBG）传感器应变灵敏系数；Δεx为轴向应变改变量；Κt为光纤Bragg光栅（FBG）传感器温度敏感系数；Δt为温度变化量。
本发明与现有技术相比，其装置结构简单，操作方便，测量精度高，灵敏度高，抗电磁场干扰能力强，成活率高，与传统测力元件相比易于实现准分布式和自动化监测。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的FBG传感器在PHC管桩内的俯视结构原理示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例：
本实施例的主体结构包括高强预应力混凝土（PHC）管桩1、光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）传感器2、铠装光缆3、数据采集系统4和桩身钻孔5；采用静压法施工的高强预应力混凝土（PHC）管桩1内切割制有浅槽，光纤Bragg光栅传感器2和铠装光缆3按准分布式熔接串联，串联的光纤Bragg光栅传感器2和铠装光缆3植入高强预应力混凝土（PHC）管桩1的浅槽内并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤Bragg光栅传感器2在高强预应力混凝土（PHC）管桩1的位置根据需要测试的土层标高进行布设；高强预应力混凝土（PHC）管桩1的顶部内侧开制有桩身钻孔5，铠装光缆3通过桩身钻孔5引出与数据采集系统4连通，数据采集系统4采用市售的光纤光栅解调仪。
本实施例完成应力测试的具体工艺过程为：
（1）、在高强预应力混凝土（PHC）管桩1的外壁沿轴线划一直线，然后沿划好的直线切割浅槽，并根据测试岩土层的位置在浅槽内确定光纤Bragg光栅（FBG）传感器2的植入位置，光纤Bragg光栅（FBG）传感器2距离高强预应力混凝土（PHC）管桩1的两端均留出25cm的距离，避开高强预应力混凝土（PHC）管桩1的金属端头板；
（2）、根据光纤Bragg光栅（FBG）传感器2的位置，将光纤Bragg光栅（FBG）传感器2与铠装光缆3按准分布式熔接串联起来，在浅槽内植入串联好的光纤Bragg光栅（FBG）传感器2后用环氧树脂混合物封装保护，铠装光缆3通过桩身钻孔5引出；
（3）、串联好的光纤Bragg光栅（FBG）传感器2后用环氧树脂混合物封装2个小时后，检查光纤Bragg光栅（FBG）传感器2的成活率，成活率不低于90%；
（4）、用回转吊车起吊高强预应力混凝土（PHC）管桩1，使高强预应力混凝土（PHC）管桩1落入静力压桩机的夹桩机孔中进入工作位置，并将桩身钻孔5引出的铠装光缆3接入数据采集系统4，检查设备连接是否完好；
（5）、静力压桩机的桩箍将高强预应力混凝土（PHC）管桩1夹紧，依靠静力压桩机的压桩油缸活塞实现高强预应力混凝土（PHC）管桩1的贯入，在贯入过程中记录光纤Bragg光栅（FBG）传感器2的波长变化和静力压桩机的压桩力，利用公式ΔλB=ΔλB ε+ΔλB t=λB（ΚεΔεx+ΚtΔt）反算高强预应力混凝土（PHC）管桩1的应力变化，从而得到高强预应力混凝土（PHC）管桩1的桩身轴力、侧摩阻力和桩端阻力，其中，ΔλB为应变和温度共同作用时光纤Bragg光栅（FBG）传感器2中心波长变化量；ΔλB ε为光纤Bragg光栅（FBG）传感器2受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；ΔλB t为温度发生变化时，光纤Bragg光栅（FBG）传感器2中心波长变化量；λB为不受外力、温度为0时光栅的初始波长；Κε为光纤Bragg光栅（FBG）传感器2应变灵敏系数；Δεx为轴向应变改变量；Κt为光纤Bragg光栅（FBG）传感器2温度敏感系数；Δt为温度变化量。
Claims (2)
1.一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置，其特征在于主体结构包括高强预应力混凝土管桩、光纤Bragg光栅传感器、铠装光缆、数据采集系统和桩身钻孔；采用静压法施工的高强预应力混凝土管桩内切割制有浅槽，光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆按准分布式熔接串联，串联的光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆植入高强预应力混凝土管桩的浅槽内并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤Bragg光栅传感器在高强预应力混凝土管桩的位置根据需要测试的土层标高进行布设；高强预应力混凝土管桩的顶部内侧开制有桩身钻孔，铠装光缆通过桩身钻孔引出与数据采集系统连通，数据采集系统采用市售的光纤光栅解调仪。
2.根据权利要求1所述的静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置，其特征在于完成应力测试的具体工艺过程为：
（1）、在高强预应力混凝土管桩的外壁沿轴线划一直线，然后沿划好的直线切割浅槽，并根据测试岩土层的位置在浅槽内确定光纤Bragg光栅传感器的植入位置，光纤Bragg光栅传感器距离高强预应力混凝土管桩的两端均留出25cm的距离，避开高强预应力混凝土管桩的金属端头板；
（2）、根据光纤Bragg光栅传感器的位置，将光纤Bragg光栅传感器与铠装光缆按准分布式熔接串联起来，在浅槽内植入串联好的光纤Bragg光栅传感器后用环氧树脂混合物封装保护，铠装光缆通过桩身钻孔引出；
（3）、串联好的光纤Bragg光栅传感器后用环氧树脂混合物封装两个小时后，检查光纤Bragg光栅传感器的成活率，成活率不低于90%；
（4）、用回转吊车起吊高强预应力混凝土管桩，使高强预应力混凝土管桩落入静力压桩机的夹桩机孔中进入工作位置，并将桩身钻孔引出的铠装光缆接入数据采集系统，检查设备连接是否完好；
（5）、静力压桩机的桩箍将高强预应力混凝土管桩夹紧，依靠静力压桩机的压桩油缸活塞实现高强预应力混凝土管桩的贯入，在贯入过程中记录光纤Bragg光栅传感器的波长变化和静力压桩机的压桩力，利用公式ΔλB=ΔλB ε+ΔλB t=λB（ΚεΔεx+ΚtΔt）反算高强预应力混凝土管桩的应力变化，从而得到高强预应力混凝土管桩的桩身轴力、侧摩阻力和桩端阻力，其中，ΔλB为应变和温度共同作用时光纤Bragg光栅传感器中心波长变化量；ΔλB ε为光纤Bragg光栅传感器受到拉力或者压力作用时，中心波长变化量；ΔλB t为温度发生变化时，光纤Bragg光栅传感器中心波长变化量；λB为不受外力、温度为0时光栅的初始波长；Κε为光纤Bragg光栅传感器应变灵敏系数；Δεx为轴向应变改变量；Κt为光纤Bragg光栅传感器温度敏感系数；Δt为温度变化量。
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