CN106088166B - 一种管桩测斜装置及其测斜管居中定位组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种管桩测斜装置及其测斜管居中定位组件，一种管桩测斜装置，包括测斜读数仪、测斜探头、测斜管、兼作提拉测斜探头用的电缆线，所述测斜探头通过滚轮沿着测斜管内的管槽滑动，所述测斜探头通过电缆线与测斜读数仪连接，还包括测斜管居中定位组件，其特征在于：它包括定位套管、定位杆、滑轮和弹簧，所述定位套管用以套装在测斜管上，所述定位杆设有四个，四个定位杆沿着定位套管的周向分布，形成十字形结构。该发明可以确保测斜管与管桩的中心位置重合，确保测斜探头在测斜管内不会发生水平方向的扭转和偏斜，从而保证了管桩倾斜度检测数据的准确可靠，具有测量精度高、操作方便的特点。

Description

一种管桩测斜装置及其测斜管居中定位组件

技术领域

本发明涉及一种属于地基及基础工程施工技术领域中所用的测斜装置，具体是一种管桩测斜装置及其测斜管居中定位组件。

背景技术

预制管桩凭借其强度高、桩身承载力高，抗弯性能好、对地质结构适应性较强等特点，目前广泛应用于工程地基处理中，但在实际施工过程中由于地质不均匀，施工工序不当、不对称填筑或开挖等原因易导造成管桩倾斜及桩身弯曲，甚至断裂，严重影响桩基承载力和抗弯性能。因此，根据国家《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）要求，在桩基检测中管桩倾斜度是一项重要的控制指标。但现行《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）没有提出管桩具体的倾斜度及桩身弯曲度检测方法。

我国地基基础施工采用的管桩以预应力混凝土空心管桩（以下简称“管桩”）最为常见，管桩为正圆柱体，轴线为直线。管桩由于其外部几何尺寸形状非常规则，检测其倾斜程度实际上是检测管桩轴线的垂直倾斜角度。管桩倾斜会影响上部构筑物结构的受力状态，这种影响不仅与管桩轴线相对于铅垂线的倾斜有关，还与管桩轴线倾斜的方位有关，也就是说检测管桩倾斜程度应该同时检测两个角度，即：倾斜角A——自管桩桩顶指向管桩桩底的管桩轴线相对于铅垂线的角度和水平方位角B——自管桩桩顶指向管桩桩底的管桩轴线在水平面上的投影相对于正北方位的角度。

相比常规倾斜度检测，已施工管桩的弯曲度检测更加困难，因为预应力管桩通常状态下能保持较好的直线型，受不均匀水平荷载发生弯曲后弯曲量也较小，沉桩后更难以检测到。一般来说，已施工管桩桩身弯曲主要由几种原因造成。第一种原因是管桩制作时因管控不严产生的弯曲，例如管桩蒸养时堆叠不正确、预应力钢筋长短不一、受力不均等，一般出厂合格的管桩不会出现明显的管桩弯曲变形情况；第二种原因是管桩在沉桩过程中垂直度不足，沉桩后桩身倾斜，同时伴有一定程度的弯曲；第三种原因是群桩施工时，由于施工顺序不当等原因，造成后施工管桩对先施工管桩产生明显挤土效应，或在已施工管桩邻近进行基坑开挖或不均匀路堤填筑，引起土体在不同深度产生水平位移。尤其对于深厚软土地质条件，管桩嵌固于土体中，土体的水平移动会导致管桩同步移动，而这种移动在不同深度处位移量不一致，因此管桩会因差异水平位移产生较大弯曲。管桩的弯曲度检测往往针对上述三种弯曲产生情况。检测桩身弯曲情况，即需要检测桩身全长范围内的差异水平位移量，确定管桩在土层中的“线型”，并根据这种“线型”来计算桩身的弯矩分布，从而确定桩身最大弯矩及其发生位置。

传统的管桩倾斜程度检测方法有吊锤法、经纬仪法、常规的测斜仪装置等方法；此外，还有通过改装常规测斜探头来检测管桩的倾斜度。

吊锤法采用工具为1 m长的线锤间接测量管桩的倾斜度。当桩截至设计标高时，桩内放入线锤，测量其偏离管桩中心距离，通过换算可得到桩身倾斜度；当桩未截时，将线锤放于桩外，按同样方法通过换算得到桩身倾斜度。该检测方法精确度较低、且只能检测管桩最上面一段，并不能测量到管桩较深位置。如果每节桩拼接时均存在倾斜，更不能反映出累加误差。

经纬仪投影法适用于对预应力混凝土管桩外露桩头的倾斜度进行检测，利用经纬仪分别测出外露桩头在互相垂直两个方向上的倾斜率分量，并根据倾斜率分量计算出总倾斜率及倾斜方位角。同样，该方法只能检测管桩外露部分，并不能测量到管桩地面以下部分。

常规测斜仪通过测定探头与垂直线之间的倾角变化，经计算即可得出不同深度部位的水平偏移量。因此，利用测斜仪检测管桩倾斜度是一个较好的思路方向。测斜仪常用于土体内部各土层水平位移的测量，与预埋在土体或结构中的柔性测斜管相配合，用以对土坝、露天矿、建筑施工中的基坑开挖、打桩时所引起的对周围各种地下管线及建筑物影响等方面的监测。也可用于各种建筑物如高层建筑、桥梁公路、闸门等由于地基不均匀沉陷以及外力作用引起的倾斜、变形方面的监测。

但目前利用斜斜仪检测管桩倾斜度及弯曲情况存在一些关键问题需要解决。目前来看，测斜仪要检测管桩全长范围内各点的水平位移情况，必须要做到以下3个条件：（1）测斜探头必须要通过管桩内孔深入管桩深部，以便检测到桩身各点倾斜情况；（2）测斜探头在测孔内必须与测孔深度方向保持平行，不能出现因重力因素产生的探头与测孔深度方向不平行的情况；（3）要使测斜探头在测孔内时刻处于中心位置，探头在测孔内的姿态不能发生任何扭转或偏斜等情况。

采用通用的测斜仪装置，把测斜管沿平行于管桩轴线方向固定在管桩外侧，可以检测管桩外露部分倾斜度及倾斜方位角。这种方法利用了测斜管作为测斜探头的固定装置，能很好的满足上述第（2）和第（3）个条件，但不能满足第（1）个条件，即不能检测管桩地面以下的倾斜和弯曲情况。

通过改装常规测斜探头^[5]，在原有测斜仪外部加装了适用于管桩倾斜测试的大导轮及外接支架，理论上可以满足上述3个条件，且应用于管桩倾斜度实际检测中取得了一定的效果。但这种方法在实际应用中也存在一些问题，首先是管桩内壁通常不是十分光滑平整的，当测斜探头通过凹凸不平的管桩内壁时，测斜仪读数将会出现较大跳动，不能正确反映该部位的倾斜程度；其次是由于管桩内壁没有像测斜管那样的导向槽，当导轮在管桩内壁沿管桩轴线方向滑动时，测斜探头很容易发生水平方向的扭转，从而不能确保测试的有效性，此外，当管桩桩身发生明显弯曲甚至断裂时，极易卡住测斜探头，造成损失。

目前国内采用较多的测斜仪为伺服加速度计式测斜仪，其精度高，稳定性好，常应用于建筑物及基础侧向位移观测中。

伺服加速度计式测斜仪原理为：

1.结构型式。

整套测斜仪装置包括测斜仪测头、测斜管和接收仪表组成。

（A）侧斜仪测头，由敏感部件、壳体、导向轮和引出电缆四部分组成。

（1）敏感部件为伺服加速度计，有双向和单向两种。单向伺服加速度计是测量导向轮在测斜管的导向槽滑动时，所在平面的倾角。双向的另一伺服加速度计是测量垂直导向轮所在平面的倾角。

（2）壳体为650mm长的金属杆（一般用不锈钢制作）。壳体上有4个导向轮，分别安装在两轮架上。轮架可绕轴心旋转，且有弹力压持滚轮使测头保持在测斜管的导槽内滑动。上下两轮架的旋转平面位于同一平面，两轮架旋转轴间的距离L称为测斜仪标距，L=500mm。

（3）引出电缆要耐久，低温时仍保持柔软，抗化学腐蚀，且具有良好的尺寸稳定性。在电缆上每隔0.5m做上擦不掉的标记，以便知道测头读数确切位置。测头引出电缆装有一插座，使用时将电缆插头插入并固紧。插头座之间有密封装置，能承受1MPa水压力。

（B）侧斜管

（1）测斜管用聚氯乙烯、ABS塑料和铝合金等材料专门加工而成。管内有互成90度的4个导向槽。

（2）测斜管口加管盖，防止从管口掉杂物入管内。

2.工作原理

测斜仪的工作原理是基于伺服加速度计测量重力矢量g在传感器轴线垂直面上分量大小，当加速度计敏感轴与水平面存在一个θ角时，则加速度计输出电压为：

（1）

式中——加速度计偏值（V）；

——加速度计电压刻度因素，校正档时为2V/g；工作档时为2.5V/g。

测量时，测头以导轮沿测斜管的管槽下降或提升，测头的传感器以敏感导管在每一深度的倾角输出一个电压信号，该信号在测读仪上显示出，然后按下式计算出来该深度处的水平位移：

（2）

式中：——第一次测量时输出的电压信号；

——测头调转180^O进行第二次测量时是输出的电压信号

——测斜仪导轮的轮距。

根据结构物的倾斜变形量，从而可换算出标准基本长度范围内的水平位移，通过算术和得到测孔全长范围内的水平位移，即：

（3）

式中：s为测孔全长范围内的水平位移，单位为mm；n为测孔全长范围内的测试点数

在实际使用中，利用伺服加速度计式测斜仪检测管桩倾斜度的方法是：

A. 将测斜管对中放入空心管桩内，通过定位装置使测斜管与管桩竖直方向形态保持一致。

B. 将测斜探头顺测斜管槽下放至底部，每次上拉测斜探头0.5m或1.0m，记录测斜仪读数直至探头拉出管口。转动180°，再放入测孔底部，如前做法，测试各点数据

C. 测完后通过USB口把数据传输到电脑中，根据前述测斜仪原理及测斜仪有关参数，计算出管桩水平位移，进而得到管桩倾斜情况。

把管桩看成理想弹性体，根据材料力学理论，管桩的桩身弯矩可按下式计算：

（4）

式中——桩身最大弯矩（kNm）。

——桩身最小曲率半径（m）；

——桩身弹性模量（MPa）；

——桩身横截面面积惯性矩（m⁴）

桩身曲率半径采用桩身水平位移对深度的1次和2次求导得到，见式（5）。

（5）

为求桩身曲率半径，可利用1stopt、Matlab、Datafit、SPSS等软件，利用测斜数据得到桩身水平位移拟合曲线，然后对拟合曲线二次求导得到桩身曲率半径。为便于拟合，可以沿深度分段拟合，不再赘述。

大量的工程实践表明，测斜仪法观测的准确度相对较高，操作简单。但利用测斜装置检测管桩的倾斜度，需要解决测斜管在管桩中居中定位的关键问题，现有技术没有能够很好解决测斜管在管桩内居中定位问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测斜管居中定位组件，该组件能确保测斜管不会发生水平方向的扭转和偏斜，从而保证了管桩倾斜度检测数据的准确可靠；

本发明的另一目的是提供一种利用了上述的测斜管居中定位组件的管桩测斜装置，从而提高该发明的测量精度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

测斜管居中定位组件，包括定位套管、定位杆、滑轮和弹簧，所述定位套管用以套装在测斜管上，所述定位杆设有四个，四个定位杆沿着定位套管的周向分布，形成十字形结构，定位杆的一端铰接在定位套管上，另一端设有所述的滑轮，一个定位杆对应一个所述的弹簧，所述弹簧的一端与定位杆连接，另一端连接在定位套管上。

进一步地，所述定位套管管外的圆周面上沿着周向分布焊接有4个固定板，所述定位杆的一端通过对应的固定板铰接在定位套管上。

进一步地，所述定位杆是由两个板条构成，所述滑轮设在两个板条之间。

进一步地，所述固定板采用长条状固定板，长条状固定板与定位套管的轴线平行。

进一步地，所述定位套管上预留有安装固定孔。

一种管桩测斜装置，包括测斜读数仪、测斜探头、测斜管、兼作提拉测斜探头用的电缆线，所述测斜探头通过滚轮沿着测斜管内的管槽滑动，所述测斜探头通过电缆线与测斜读数仪连接，还包括测斜管居中定位组件，所述测斜管居中定位组件设有多个，多个测斜管居中定位组件间隔分布在所述的测斜管上。

进一步地，所述测斜探头采用伺服加速度计式的测斜探头。

本发明的有益效果：

1、该发明可以确保测斜管与管桩的中心位置重合，确保测斜探头在测斜管内不会发生水平方向的扭转和偏斜，从而保证了管桩倾斜度检测数据的准确可靠；2、该发明具有测量精度高、操作方便、可重复利用、节能环保，且具有推广性的特点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1所示测斜管居中定位组件的结构示意图；

图3为图2所示的俯视图。

图中：1、测斜读数仪； 2、测斜探头；3、测斜管；4、电缆线； 5、测斜管居中定位组件；6、定位套管；7、定位杆；8、滑轮；9、弹簧；10、固定板；11、螺丝；12、板条；13、板条；14、安装固定孔。

具体实施方式

如图1所示，一种管桩测斜装置，包括测斜读数仪1、测斜探头2、测斜管3、兼作提拉测斜探头2用的电缆线4，所述测斜探头2通过滚轮沿着测斜管3内的管槽滑动，所述测斜探头2通过电缆线4与测斜读数仪1连接，还包括测斜管居中定位组件5，所述测斜管居中定位组件5设有多个，多个测斜管居中定位组件5间隔分布在所述的测斜管3上。所述测斜探头2采用伺服加速度计式的测斜探头。

如图2、3所示，测斜管居中定位组件5，包括定位套管6、定位杆7、滑轮8和弹簧9，所述定位套管6用以套装在测斜管3上，所述定位杆7设有四个，四个定位杆7沿着定位套管6的周向分布，形成十字形结构，所述定位套管6上焊接有固定板10，所述定位杆7的一端铰接在定位套管6的所述固定板10上，另一端设有所述的滑轮8，一个定位杆7对应一个所述的弹簧9，所述定位杆7的杆体是穿有螺丝11，弹簧9的一端连接在定位杆7的螺丝11上，另一端连接在定位套管的固定板10上。

所述定位杆6是由板条12和板条13构成，所述滑轮8设在板条12和板条13之间，所述固定板10沿着定位套管6的轴线方向布置。所述定位套管6上预留有安装固定孔14，安装固定孔14的作用在于用以通过螺钉穿过安装固定孔，将定位套管6固定在测斜管3上。

测试前，需对测试管桩进行内壁清洗，将管桩内壁粘附的泥皮清洗干净，同时将积水抽出。利用罗盘指示东西及南北方向，在管桩口标注方向红油漆。把安装好测斜管居中定位组件的测斜管逐节放入管桩中，两节测斜管之间采用接头连接，并用三只螺钉探紧。下放测斜管的过程中，注意使测斜管4条刻槽分别对准管桩口标注的方向，以确保管桩沿东西及南北两个方向进行测试，埋设测斜管时，定位杆前端的滑轮与管桩内壁保持平行状态滑入管桩，四个滑轮与管桩内壁紧密接触。测试时，测斜探头通过连接电缆与测斜读数仪相连，将测斜探头滑轮顺测斜管槽稳定降至测斜管底部，待测斜读数仪读数稳定后，上拉电缆线使测斜探头缓慢提升，每隔0.5m或1.0m测一个点，测斜读数仪自动存储数据直至探头拉出管口。为了消除加速度零位偏差的影响，一个方向测试正反两次，测完后根据测斜仪原理计算出管桩两个方向的水平位移，通过位移合成，得到管桩倾斜情况，然后根据桩身各点倾斜情况，计算桩身弯矩。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (1)

1.一种管桩测斜装置，包括测斜读数仪、测斜探头、测斜管、兼作提拉测斜探头用的电缆线，所述测斜探头通过滚轮沿着测斜管内的管槽滑动，所述测斜探头通过电缆线与测斜读数仪连接，还包括测斜管居中定位组件，所述测斜管居中定位组件设有多个，多个测斜管居中定位组件间隔分布在所述的测斜管上，所述测斜探头采用伺服加速度计式的测斜探头，其特征在于：测斜管居中定位组件包括定位套管、定位杆、滑轮和弹簧，所述定位套管用以套装在测斜管上，所述定位杆设有四个，四个定位杆沿着定位套管的周向分布，形成十字形结构，所述定位套管管外的圆周面上沿着周向分布焊接有4个固定板，所述固定板采用长条状固定板，长条状固定板与定位套管的轴线平行；所述定位杆的一端通过对应的固定板铰接在定位套管上，另一端设有所述的滑轮；所述定位杆是由两个板条构成，所述滑轮设在两个板条之间；一个定位杆对应一个所述的弹簧，所述弹簧的一端与定位杆的杆体中部的孔连接，另一端连接在定位套管上固定板的孔中且位于定位杆与固定板铰接处的下方；所述定位套管上预留有安装固定孔。