CN104897321A - 一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于管桩内壁剪应力测试设备及工艺技术领域，涉及一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置及方法，在预制开口混凝土管桩桩身内、外壁分别安装裸FBG传感器，并用光纤串联在一起形成内壁光纤串及外壁光纤串，在管桩贯入过程中桩身内壁土塞、外壁土体分别对桩身内、外壁产生剪切作用，致使裸FBG传感器波长发生变化，利用贯入前后波长变化可以求得传感器截面处桩身内、外壁轴力，进而获得预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力；其装置结构简单，操作方便，成本低，测试结果精确，同时实现对桩身内壁和外壁剪应力的测试。

Description

一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置及方法

技术领域：

本发明属于管桩内壁剪应力测试设备及工艺技术领域，涉及一种地基与基础工程中预制混凝土管桩贯入及休止阶段桩壁剪应力的测试设备及方法，特别是一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置及方法。

背景技术：

预制开口混凝土管桩具有产业化生产、运输方便、穿透力强、施工方便、承载力高、无泥浆污染等优点，在我国东南沿海地区应用广泛。目前，预制开口混凝土管桩沉桩方式主要有振动法、锤击法及静力压桩法三种形式，相比其他沉桩方法，静力压桩法是利用桩机自重及配重将预制桩送至预定深度的一种施工工艺，该方法施工过程中无噪声及振动影响，较为环保，在对施工环境要求较高的市区应用广泛。预制开口混凝土管桩属部分挤土桩，贯入过程中因桩端开口土体涌入桩内腔形成土塞，土塞的存在使预制开口混凝土管桩贯入及承载性状不同于实体桩，预制开口混凝土管桩桩身外壁剪应力测试大多通过桩身外壁安装测试元件获得，传统的测试元件易受测试环境影响，导致桩身外壁剪应力测试准确度不高。桩身外壁安装电阻式应变片贯入过程中易受桩周土体磨损破坏，导致应变片可靠性及成活率不高，测试精度不能保证；应变式钢筋应力计及振弦式钢筋应力计较应变片稳定，但需与钢筋焊接才能进行测试，不适用于预制开口混凝土管桩桩身剪应力测试；传统的FBG传感器体积大，桩身开槽面积较大，对桩身弹性模量造成一定损伤并且封装后桩土界面摩擦性状与完整桩体也有一定差异，导致桩土摩擦系数发生变化，测试精度不高，而且预制开口混凝土管桩内径小，大体积传感器安装不易进行，测试较为困难。因此，大多数情况下将桩内壁剪应力等效为桩外壁剪应力，然而贯入过程中预制开口混凝土管桩管腔内土塞受到挤压，土体物理力学性状不同于桩外壁土体，势必造成桩身内壁剪应力不同于外壁剪应力，桩内壁剪应力的测试对预制开口混凝土管桩沉桩性状及长期承载特性研究具有重要意义。因此，寻求一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置及方法，准确测定贯入及休止阶段桩内壁剪应力，更好地完善预制开口混凝土管桩桩土界面剪切机理，提升预制开口混凝土管桩贯入机理及承载特性研究理论。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，在不破坏桩身完整性及保证桩土摩擦系数不变的前提下，提供一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置及方法。

为了实现上述目的，本发明所述预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置的主体结构包括裸FBG传感器、光纤连接线、铠装光缆、光栅传感分析仪、计算机、预钻孔、连接线端头和桩身，各个裸FBG传感器之间用光纤连接线串联后分别设置在桩身的内壁和外壁上组成内壁光纤串和外壁光纤串，裸FBG传感器的间距和数量根据施工现场的土层确定；桩身的顶端设有预钻孔，桩身的内壁和外壁上分别竖向均匀刻有三道浅槽，内壁光纤串和外壁光纤串分别与浅槽的底面采用高强粘结剂粘结牢固，内壁光纤串和外壁光纤串的表面采用环氧树脂封装保护，光纤连接线的端部连接有铠装光缆，铠装光缆的端部设有连接线端头，外壁光纤串上的光纤连接线通过预钻孔由桩身内壁引出，内壁光纤串上的光纤连接线直接由桩身的内壁引出，内壁光纤串和外壁光纤串分别通过铠装光缆端部的连接线端头与光栅传感分析仪连接，光栅传感分析仪与计算机连接组成数据采集分析系统。

本发明采用预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置进行桩身内壁剪应力测试，其具体测试过程为：

(1)、在桩身的内壁和外壁上周向间隔120°沿桩身轴线方向分别画3条定向线，然后沿定向线切割出宽15mm、深15mm的浅槽，将浅槽清扫干净后将3条内壁光纤串和3条外壁光纤串分别在内壁和外壁上沿浅槽方向布设安装，并用高强粘结剂将3条内壁光纤串和3条外壁光纤串与浅槽底部粘结牢固，然后用环氧树脂对3条内壁光纤串和3条外壁光纤串进行封装保护；

(2)、环氧树脂强封装完成后，在桩身的顶端用钻孔机钻制直径为20mm的预钻孔，并将外壁光纤串从预钻孔沿桩身的内壁引出，内壁光纤串直接由桩身内壁引出，然后将内壁光纤串、外壁光纤串与铠装光缆以熔接的方式连接；

(3)、利用静压桩机上自带旋转吊车将桩身贯入桩箍内，然后将铠装光缆通过连接线端头与光栅传感分析仪连接，然后将光栅传感分析仪与计算机连接组成光纤传感测试系统，并对光纤传感测试系统进行调试；

(4)、分别记录桩身贯入开始前内壁光纤串、外壁光纤串上裸FBG传感器的初始波长读数，然后每间隔1秒记录贯入过程中内壁光纤串、外壁光纤串上裸FBG传感器的波长，计算出各个截面处裸FBG传感器波长变化，根据波长变化反算出贯入过程中桩内壁剪应力与桩外壁剪应力大小；

(5)、在休止期内每间隔2天记录内光壁纤串、外壁光纤串上裸FBG传感器波长变化，根据波长变化获得休止期内桩内壁剪应力及外壁剪应力大小，完成对预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力的测试。

本发明分别利用下列公式获得贯入过程中及休止期内壁剪应力及外壁剪应力大小：

f_mn＝EA(Δλ_m-Δλ_n)/(K_sh_mn)  (1)

f_ij＝EA(Δλ_i-Δλ_j)/(K_sh_ij)  (2)

式中，f_mn，f_ij分别为桩身内壁裸FBG传感器m、n之间剪应力，桩身外壁裸FBG传感器i、j之间剪应力；E为预制开口混凝土管桩桩身弹性模量；A为预制开口混凝土管桩桩身截面积；Δλ_m，Δλ_n分别为桩内壁裸FBG传感器m、n波长变化；Δλ_i，Δλ_j分别为桩外壁裸FBG传感器i、j波长变化；K_s为桩身裸FBG传感器应变灵敏系数；h_mn，h_ij分别为桩内壁传感器m、n，桩外壁传感器i、j之间的距离。

本发明与现有技术相比，在预制开口混凝土管桩桩身内、外壁分别安装裸FBG传感器，并用光纤串联在一起形成内壁光纤串及外壁光纤串，在管桩贯入过程中桩身内壁土塞、外壁土体分别对桩身内、外壁产生剪切作用，致使裸FBG传感器波长发生变化，利用贯入前后波长变化可以求得传感器截面处桩身内、外壁轴力，进而获得预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力及外壁剪应力，该方法利用裸FBG传感器直径细、体积小、安装灵活方便的特点，并结合光纤光栅传感测试技术测量精度高、受环境因素影响小、稳定性好等优势实现了贯入过程中桩身内壁剪应力测试，并将其延伸至休止期内桩身内壁剪应力测试，其装置结构简单，操作方便，成本低，测试结果精确，同时实现了对桩身内壁和外壁剪应力的测试。

附图说明：

图1为本发明所述内壁光纤串上裸FBG传感器布设示意图。

图2为本发明所述外壁光纤串上裸FBG传感器布设示意图。

图3为本发明所述预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置的主体结构示意图。

图4为本发明内、外壁光纤串的安装截面图。

图5为本发明实施例贯入过程中桩身内壁剪应力测试数据图。

图6为本发明实施例休止期内桩身内壁剪应力测试数据图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例所述预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置的主体结构包括裸FBG传感器1、光纤连接线2、铠装光缆3、光栅传感分析仪4、计算机5、预钻孔8、连接线端头9和桩身10，各个裸FBG传感器1之间用光纤连接线2串联后分别设置在桩身10的内壁和外壁上组成内壁光纤串6和外壁光纤串7，裸FBG传感器1的间距根据施工现场的土层确定；桩身10的顶端设有预钻孔8，桩身10的内壁和外壁上分别竖向均匀刻有三道浅槽，内壁光纤串6和外壁光纤串7分别与浅槽的底面采用高强粘结剂粘结牢固，内壁光纤串6和外壁光纤串7的表面采用环氧树脂封装保护，光纤连接线2的端部连接有铠装光缆3，铠装光缆3的端部设有连接线端头9，外壁光纤串7上的光纤连接线2通过预钻孔8由桩身内壁引出，内壁光纤串6上的光纤连接线2直接由桩身10的内壁引出，内壁光纤串6和外壁光纤串7分别通过铠装光缆3端部的连接线端头9与光栅传感分析仪4连接，光栅传感分析仪4与计算机5连接组成数据采集分析系统。

本实施例采用预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置进行桩身内壁剪应力测试，其具体测试过程为：

(1)、在桩身10的内壁和外壁上周向间隔120°沿桩身轴线方向分别画3条定向线，然后沿定向线切割出宽15mm、深15mm的浅槽，将浅槽清扫干净后将3条内壁光纤串6和3条外壁光纤串7分别在内壁和外壁上沿浅槽方向布设安装，并用高强粘结剂将3条内壁光纤串6和3条外壁光纤串7与浅槽底部粘结牢固，然后用环氧树脂对3条内壁光纤串6和3条外壁光纤串7进行封装保护；

(2)、环氧树脂强封装完成后，在桩身10的顶端用钻孔机钻制直径为20mm的预钻孔8，并将外壁光纤串7从预钻孔8沿桩身的内壁引出，内壁光纤串6直接由桩身内壁引出，然后将内壁光纤串6、外壁光纤串7与铠装光缆3以熔接的方式连接；

(3)、利用静压桩机上自带旋转吊车将桩身10贯入桩箍内，然后将铠装光缆3通过连接线端头9与光栅传感分析仪4连接，然后将光栅传感分析仪4与计算机5连接组成光纤传感测试系统，并对光纤传感测试系统进行调试；

(4)、分别记录桩身10贯入开始前内壁光纤串6、外壁光纤串7上裸FBG传感器1的初始波长读数，然后每间隔1秒记录贯入过程中内壁光纤串6、外壁光纤串7上裸FBG传感器1的波长，计算出各个截面处裸FBG传感器1波长变化，根据波长变化反算出贯入过程中桩内壁剪应力大小，如图5所示；

(5)、在休止期内每间隔2天记录内光壁纤串6、外壁光纤串7上裸FBG传感器波长变化，根据波长变化获得休止期内桩内壁剪应力大小，如图6所示。

Claims (2)

1.一种预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力测试装置，其特征在于主体结构包括裸FBG传感器、光纤连接线、铠装光缆、光栅传感分析仪、计算机、预钻孔、连接线端头和桩身，各个裸FBG传感器之间用光纤连接线串联后分别设置在桩身的内壁和外壁上组成内壁光纤串和外壁光纤串，裸FBG传感器的间距和数量根据施工现场的土层确定；桩身的顶端设有预钻孔，桩身的内壁和外壁上分别竖向均匀刻有三道浅槽，内壁光纤串和外壁光纤串分别与浅槽的底面采用高强粘结剂粘结牢固，内壁光纤串和外壁光纤串的表面采用环氧树脂封装保护，光纤连接线的端部连接有铠装光缆，铠装光缆的端部设有连接线端头，外壁光纤串上的光纤连接线通过预钻孔由桩身内壁引出，内壁光纤串上的光纤连接线直接由桩身的内壁引出，内壁光纤串和外壁光纤串分别通过铠装光缆端部的连接线端头与光栅传感分析仪连接，光栅传感分析仪与计算机连接组成数据采集分析系统。

2.一种采用如权利要求1所述装置测试预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力的方法，其特征在于具体测试过程为：

(1)、在桩身的内壁和外壁上周向间隔120°沿桩身轴线方向分别画3条定向线，然后沿定向线切割出宽15mm、深15mm的浅槽，将浅槽清扫干净后将3条内壁光纤串和3条外壁光纤串分别在内壁和外壁上沿浅槽方向布设安装，并用高强粘结剂将3条内壁光纤串和3条外壁光纤串与浅槽底部粘结牢固，然后用环氧树脂对3条内壁光纤串和3条外壁光纤串进行封装保护；

(2)、环氧树脂强封装完成后，在桩身的顶端用钻孔机钻制直径为20mm的预钻孔，并将外壁光纤串从预钻孔沿桩身的内壁引出，内壁光纤串直接由桩身内壁引出，然后将内壁光纤串、外壁光纤串与铠装光缆以熔接的方式连接；

(3)、利用静压桩机上自带旋转吊车将桩身贯入桩箍内，然后将铠装光缆通过连接线端头与光栅传感分析仪连接，然后将光栅传感分析仪与计算机连接组成光纤传感测试系统，并对光纤传感测试系统进行调试；

(4)、分别记录桩身贯入开始前内壁光纤串、外壁光纤串上裸FBG传感器的初始波长读数，然后每间隔1秒记录贯入过程中内壁光纤串、外壁光纤串上裸FBG传感器的波长，计算出各个截面处裸FBG传感器波长变化，根据波长变化反算出贯入过程中桩内壁剪应力与桩外壁剪应力大小；

(5)、在休止期内每间隔2天记录内光壁纤串、外壁光纤串上裸FBG传感器波长变化，根据波长变化获得休止期内桩内壁剪应力及外壁剪应力大小，完成对预制开口混凝土管桩桩身内壁剪应力的测试。