CN109056854B - 一种单桩竖向静载试验反力装置及施加方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单桩竖向静载试验反力装置及施加方法，装置包括反力架、支墩、盛砂盘、传力柱、动力源和控制器，反力架固定安装在支墩上方，反力架上安装有盛砂盘，传力柱安装在反力架内，反力架内设有励磁线圈，传力柱上绕制有感应线圈，动力源给励磁线圈和感应线圈提供电源，控制器与动力源连接，控制动力源工作。本发明基于电磁感应原理，根据试验目的不同（抗压或抗拔）以及磁场“同性相斥、异性相吸”的原理，通过不同的电流传输方向控制感应线圈带动传力柱（向下或向上）运动，进而实现传力柱向受检桩施加压力或上拔力的目的。本发明相比传统的静载试验反力装置，既省时省力，又经济安全，大大提高了试验工作效率。

Description

一种单桩竖向静载试验反力装置及施加方法

技术领域

本发明公开一种试验反力装置及方法，特别是一种单桩竖向静载试验反力装置及施加方法，属于建设工程中的基桩检测领域。

背景技术

单桩竖向静载试验是检测基桩竖向承载力的一种最直观、最可靠的传统方法，其原理是在受检桩桩顶逐级加载至接近于或略高于桩的实际工作条件的荷载，通过观测桩顶随荷载变化以及时间产生的沉降或上拔量，来确定相应的单桩竖向抗压承载力或单桩竖向抗拔承载力，为桩的设计与工程验收提供依据。根据试验目的的不同单桩竖向静载试验主要包括：单桩竖向抗压静载试验和单桩竖向抗拔静载试验两种。

目前，公知的单桩竖向静载试验反力装置形式主要有压重平台反力装置（俗称堆载法）、锚桩横梁反力装置、锚桩压重联合反力装置等。压重平台反力装置是由重块、主梁、次梁、千斤顶等构成，由于该方法涉及到重块和主、次梁的吊运、摆放以及主、次梁的搭接或焊接，既费时又费力，而且如果操作不当极易产生较大的安全事故，严重威胁着现场试验人员的人身安全。锚桩横梁反力装置是由锚桩、主梁、次梁、千斤顶等构成，由于该方法涉及到锚桩的施工，因此不仅需要很长的试验工期，而且成本投入巨大，不经济，另外该方法也涉及到主、次梁与锚桩的搭接或焊接，也存在着较大安全隐患。锚桩压重联合反力装置是指重块与锚桩联合提供反力，因此该方法更是兼具了上述两种方法的上述问题。

因此，建筑行业中急需要一种新型的既能提高试验效率，且安全、经济、省时、省力的竖向静载试验反力装置与施加方法。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的单桩竖向静载试验反力装置投入大，存在安全隐患的缺点，本发明提供一种单桩竖向静载试验反力装置及施加方法，其采用电磁感应原理，根据励磁线圈和感应线圈的磁场力实现传力柱向受检桩施加压力或上拔力的目的，结构简单，经济安全。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种单桩竖向静载试验反力装置，该装置包括反力架、支墩、盛砂盘、传力柱、动力源和控制器，反力架固定安装在支墩上方，反力架上安装有盛砂盘，传力柱安装在反力架内，反力架内设有励磁线圈，传力柱上绕制有感应线圈，动力源给励磁线圈和感应线圈提供电源，控制器与动力源连接，控制动力源工作。

一种单桩竖向静载试验反力施加方法，该施加方法包括下述步骤：

S1、准备工作：根据试验最大荷载选用合适的直流发电机、励磁线圈以及感应线圈的直径和匝数，选择是否需要盛砂盘以及装入砂石量；架设、整平装置；连接并检查装置各部件，确保各部件能正常工作；

S2、计算励磁线圈磁感应强度B：励磁线圈采用长直通电螺旋线管，根据直流发电机所提供的直流电大小I、真空磁导率μ、励磁线圈匝数N，采用电磁感应原理（B=μ*N*I）计算出励磁线圈内部的磁感应强度B；

S3、反算感应线圈所需电流I'：根据试验最大荷载以及荷载分级标准，计算出第一级荷载，再结合步骤S2计算出的磁感应强度B以及感应线圈的总长度L采用安倍力计算公式（F=B*I*L）反算出第一级荷载下感应线圈中所需的电流大小I'；

S4、荷载施加：通过控制器控制直流变压器，向感应线圈中输入步骤S3反算出的I'大小的直流电，该直流电在感应线圈中同样产生一个磁场，根据试验目的不同（抗压或抗拔）通过不同的电流传输方向来控制感应线圈带动传力柱向下或向上运动，进而实现传力柱向受检桩施加压力或上拔力的目的；

S5、分级加载：增加荷载，重复步骤S3和步骤S4，直至试验结束。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的反力架包括：反力筒、励磁线圈、肋板、反力梁、垫板、锚头、卡板，反力筒固定安装在反力梁上，反力梁与反力筒之间固定设置有肋板，肋板外侧端头位置处固定安装有卡板，反力梁外侧端上设置有锚头，反力梁两侧设置有垫板，励磁线圈安装在反力筒内，励磁线圈的输入接头和输出接头分别通过连接电缆与动力源连接，形成电流回路。

所述的支墩包括：螺柱、立柱、加固板、底座和锚孔，立柱固定安装在底座上，螺柱固定设置在立柱上方，立柱与底座之间设置有加固板，底座上开设有锚孔。

所述的反力架通过螺帽固定安装在支墩顶部。

所述的盛砂盘为四个大小相同的扇形容器，每个扇形容器的扇形角为90°。

所述的传力柱包括：柱体、感应线圈和锚盘，感应线圈绕制在柱体外侧，柱体下方固定设置有锚盘，锚盘上开设有用于与受检桩连接的锚洞。

所述的反力筒内径大于传力柱直径，所述的传力柱的直径为0.8m～1.2m之间。

所述的励磁线圈的直径比感应线圈的直径大100mm～200mm，所述的励磁线圈的高度为感应线圈的高度的5倍以上。

所述的动力源包括直流发电机和直流变压器，控制器采用计算机或PLC，直流发电机通过连接电缆与励磁线圈连接，计算机通过连接电缆与直流发电机连接，直流发电机通过连接电缆与直流变压器连接，直流变压器通过连接电缆与感应线圈连接，直流变压器通过连接电缆与计算机连接，通过计算机控制直流发电机和直流变压器工作，直流发电机为励磁线圈提供电源，直流发电机通过直流变压器为感应线圈提供电源。

本发明的有益效果是：本发明基于电磁感应原理，通过向励磁线圈中输入稳定且较大的直流电，在励磁线圈内部产生一个稳定且较强的磁场，再通过每级试验荷载大小反算出相匹配的直流电并输入感应线圈，在感应线圈内部同样产生一个稳定且相对较弱的磁场。根据试验目的不同（抗压或抗拔）以及磁场“同性相斥、异性相吸”的原理，通过不同的电流传输方向控制感应线圈带动传力柱（向下或向上）运动，进而实现传力柱向受检桩施加压力或上拔力的目的。本发明相比传统的静载试验反力装置，既省时省力，又经济安全，大大提高了试验工作效率。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的一种单桩竖向静载试验反力装置俯视结构示意图；

图2为本发明的一种单桩竖向静载试验反力装置侧视图（A-A方向）；

图3为本发明中的反力架俯视结构示意图；

图4为本发明中的反力架侧视结构示意图；

图5为本发明中的支墩俯视结构示意图；

图6为本发明中的支墩侧视（短边方向）结构示意图；

图7为本发明中的支墩侧视（长边方向）结构示意图；

图8为本发明中的盛砂盘俯视结构示意图；

图9为本发明中的盛砂盘侧视结构示意图；

图10为本发明中的传力柱俯视结构示意图；

图11为本发明中的传力柱侧视结构示意图；

图12为本发明的一种单桩竖向静载试验反力施加方法流程图。

其中，1、反力架；2、支墩；3、盛砂盘；4、传力柱；5、直流发电机；6、直流变压器；7、计算机；8、螺帽；9、连接电缆；10、受检桩；11、反力筒；12、励磁线圈；121、输入接头；122、输出接头；13、肋板；14、反力梁；15、垫板；16、锚头；17、卡板；21、螺柱；22、立柱；23、加固板；24、底座；25、锚孔；26、地基锚杆；41、柱体；42、感应线圈；421、上接头；422、下接头；43、锚盘；44、锚洞；101、受检桩主筋。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1和附图2，本发明中的单桩竖向静载试验反力装置，该装置主要包括反力架1、支墩2、盛砂盘3、传力柱4、动力源和控制器，反力架1固定安装在支墩2上方，反力架1上安装有盛砂盘3，传力柱4安装在反力架1内，反力架1内设有励磁线圈12，传力柱4上绕制有感应线圈42，动力源给励磁线圈12和感应线圈42提供电源，控制器与动力源连接，控制动力源工作。本实施例中，反力架1通过螺帽8固定安装在支墩2顶部。

请结合参看附图3和附图4，本实施例中，反力架1包括：反力筒11、励磁线圈12、肋板13、反力梁14、垫板15、锚头16、卡板17。其中，所述励磁线圈12有输入接头121和输出接头122，反力筒11固定安装在反力梁14上，本实施例中，反力梁14设有四个，四个反力梁14在反力筒11四周均匀分布，反力梁14与反力筒11之间固定设置有肋板13，可增强反力梁14与反力筒11之间的连接强度，肋板13外侧端头位置处固定安装有卡板17，反力梁14外侧端上设置有锚头16，通过锚头16与支墩2锚接，反力梁14两侧设置有垫板15，励磁线圈12安装在反力筒11内，励磁线圈12的输入接头121和输出接头122分别通过连接电缆9与动力源连接，形成电流回路。

本实施例中，动力源包括直流发电机5和直流变压器6，励磁线圈12的输入接头121和输出接头122分别通过连接电缆9与直流发电机5连接，形成电流回路。

请结合参看附图5、附图6和附图7，本实施例中，支墩2包括：螺柱21、立柱22、加固板23、底座24和锚孔25，立柱22固定安装在底座24上，螺柱21固定设置在立柱22上方，立柱22与底座24之间设置有加固板23，可通过加固板23对立柱22与底座24之间的连接起到加固作用。本实施例中，在底座24上开设有锚孔25，如有需要（竖向抗压静载试验时），支墩2也可以通过锚孔25与固定设置在地基内的地基锚杆26锚接，从而实现与地基锚接的目的，使其更加稳定。

请结合参看附图8和附图9，本实施例中，盛砂盘3为四个大小相同的扇形容器，用于盛放砂石，每个扇形容器的扇形角为90°，四个扇形容器围在一起形成环形，为了清楚起见，图8、图9中仅示出了其中一个盛砂盘。本实施例中，四个扇形盛砂盘3分别摆放在相邻肋板13之间的垫板15上，并用卡板17进行固定，使用时，盛砂盘3中根据最大试验荷载选择装入适量砂石。

请结合参看附图10和附图11，本实施例中，传力柱4包括：柱体41、感应线圈42和锚盘43，其中，感应线圈42绕制在柱体41外侧，柱体41下方固定设置有锚盘43，锚盘43上开设有锚洞44，感应线圈42有上接头421和下接头422。传力柱4通过锚盘43上的锚洞44与受检桩10锚接；感应线圈42固定在柱体41上，感应线圈42的上接头421和下接头422分别通过从受检桩10内部穿出的连接电缆9与直流变压器6连接，并形成电流回路；直流变压器6通过所述连接电缆9与直流发电机5和计算机7连接。

本实施例中，反力筒11内径略大于传力柱4直径，可使传力柱4安装在反力筒11内，本实施例中，传力柱4的直径控制在0.8m～1.2m之间，励磁线圈12的直径比感应线圈42的直径约大100mm～200mm，励磁线圈12的高度为感应线圈42的高度的5倍以上，励磁线圈12和所述感应线圈42在俯视视角均是自下而上逆时针方向缠绕，材料均为刷有绝缘漆的低电阻铜导线，导线直径可根据满足最大试验荷载的需求进行选用。

本实施例中，反力筒11和传力柱4均采用低磁导率的铜质材料。

本实施例中，控制器采用计算机7或PLC，直流发电机5通过连接电缆9与励磁线圈12连接，计算机7通过连接电缆9与直流发电机5连接，直流发电机5通过连接电缆9与直流变压器6连接，直流变压器6通过连接电缆9与感应线圈42连接，直流变压器6通过连接电缆9与计算机7连接，可通过计算机7控制直流发电机5和直流变压器6工作，直流发电机5为励磁线圈12提供电源，直流发电机5通过直流变压器6为感应线圈42提供电源。具体实施时，根据最大试验荷载选用合适的直流发电机5，在试验过程中，计算机7控制直流发电机5工作的启动与停止，直流发电机5一方面提供稳定的直流电通过连接电缆9传输至励磁线圈12，激励励磁线圈12在其内部产生稳定的磁场（磁力线方向指向上方），直流发电机5另一方面通过连接电缆9将稳定的直流电传输至直流变压器6，直流变压器6通过连接电缆9受计算机7控制，根据不同荷载等级产生相对应的直流电，再通过连接电缆9输入感应线圈42。根据试验目的的不同可分为两种工作模式：

A、抗压静载模式：电流从感应线圈42的下接头422输入上接头421输出，感应线圈42在励磁线圈12中将产生向下的运动，从而带动传力柱4向下运动；

B、抗拔静载模式：电流从感应线圈42的上接口421输入下接口422输出，感应线圈42在励磁线圈12中将产生向上的运动，从而带动传力柱4向上运动。

本发明还保护一种单桩竖向静载试验反力施加方法，请参看附图12，该施加方法主要包括以下步骤：

S1、准备工作：根据试验最大荷载选用合适的直流发电机5、励磁线圈12以及感应线圈42的直径和匝数等参数，选择是否需要盛砂盘3以及装入砂石量；架设、整平装置；连接并检查装置各部件，确保各部件能正常工作，对于不能正常工作的部件需立即更换或维修；

S2、计算励磁线圈磁感应强度B：励磁线圈12相比感应线圈42为长直通电螺旋线管，因此根据直流发电机5所提供的稳定且较大的直流电大小I、真空磁导率μ、励磁线圈12匝数N等参数，采用电磁感应原理（B=μ*N*I）可计算出励磁线圈12内部的磁感应强度B；

S3、反算感应线圈所需电流I'：根据试验最大荷载以及荷载分级标准，本实施例中，不同的规范标准所要求的荷载分级标准略有不同，以中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）为例，其第4.3.3条要求：加载应分级进行，且采用逐级等量加载；分级荷载宜为最大加载值（最大试验荷载）的1/10，其中第一级加载量可取分级荷载的2倍，具体实施时，根据具体应用具体设定，计算出第一级荷载，再结合步骤S2计算出的磁感应强度B以及感应线圈42的总长度L采用安倍力计算公式（F=B*I*L）可反算出第一级荷载下感应线圈42中所需的电流大小I'；

S4、荷载施加：通过计算机7控制直流变压器6，向感应线圈42中输入步骤S3反算出的I'大小的直流电，该直流电在感应线圈42中同样产生一个稳定且相对较弱的磁场，根据试验目的不同（抗压或抗拔）通过不同的电流传输方向来控制感应线圈42带动传力柱（向下或向上）运动，进而实现传力柱4向受检桩10施加压力或上拔力的目的；

S5、分级加载：增加荷载，重复步骤S3和步骤S4，直至试验结束。

综上所述，本发明公开了一种单桩竖向静载试验反力装置与施加方法，基于电磁感应原理，通过向励磁线圈中输入稳定且较大的直流电，在励磁线圈内部产生一个稳定且较强的磁场，再通过每级试验荷载大小反算出相匹配的直流电并输入感应线圈，在感应线圈内部同样产生一个稳定且相对较弱的磁场。根据试验目的不同（抗压或抗拔）以及磁场“同性相斥、异性相吸”的原理，通过不同的电流传输方向控制感应线圈带动传力柱（向下或向上）运动，进而实现传力柱向受检桩10施加压力或上拔力的目的。本发明相比传统的静载试验反力装置，既省时省力，又经济安全，大大提高了试验工作效率。

尽管上面已经对本发明的一种单桩竖向静载试验反力装置与施加方法进行了具体说明，但本领域普通技术人员也可以修改上述中的某些具体结构或者设想其它的等效过程来实现。因此，本发明并不具体限于上述实施方式的具体结构和过程，本发明的发明点主要在于通过电磁感应的原理，通过不同的电流传输方向来控制所述感应线圈带动所述传力柱（向下或向上）运动，进而实现传力柱向受检桩施加压力或上拔力的目的。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1. 一种单桩竖向静载试验反力装置，其特征是：所述的装置包括反力架、支墩、盛砂盘、传力柱、动力源和控制器，反力架固定安装在支墩上方，反力架上安装有盛砂盘，传力柱安装在反力架内，反力架内设有励磁线圈，传力柱上绕制有感应线圈，动力源给励磁线圈和感应线圈提供电源，控制器与动力源连接，控制动力源工作，所述的支墩包括：螺柱、立柱、加固板、底座和锚孔，通过锚孔与固定设置在地基内的地基锚杆锚接，立柱固定安装在底座上，螺柱固定设置在立柱上方，立柱与底座之间设置有加固板，底座上开设有锚孔，所述的盛砂盘为四个大小相同的扇形容器，每个扇形容器的扇形角为 90°，四个扇形盛砂盘分别摆放在相邻肋板之间的垫板上，并用卡板进行固定，所述的反力架包括：反力筒、励磁线圈、肋板、反力梁、垫板、锚头、卡板，反力筒固定安装在反力梁上，反力梁与反力筒之间固定设置有肋板，肋板外侧端头位置处固定安装有卡板，反力梁外侧端上设置有锚头，通过锚头与支墩锚接，反力梁两侧设置有垫板，励磁线圈安装在反力筒内，励磁线圈的输入接头和输出接头分别通过连接电缆与动力源连接，形成电流回路，所述的传力柱包括：柱体、感应线圈和锚盘，感应线圈绕制在柱体外侧，柱体下方固定设置有锚盘，锚盘上开设有用于与受检桩连接的锚洞，所述的励磁线圈的直径比感应线圈的直径大100mm～200mm，所述的励磁线圈的高度为感应线圈的高度的倍以上，反力筒和传力柱均采用低磁导率的铜质材料，所述的动力源包括直流发电机和直流变压器，控制器采用计算机或 PLC，直流发电机通过连接电缆与励磁线圈连接，计算机通过连接电缆与直流发电机连接，直流发电机通过连接电缆与直流变压器连接，直流变压器通过连接电缆与感应线圈连接，直流变压器通过连接电缆与计算机连接，通过计算机控制直流发电机和直流变压器工作，直流发电机为励磁线圈提供电源，直流发电机通过直流变压器为感应线圈提供电源。

2. 根据权利要求 1 所述的单桩竖向静载试验反力装置，其特征是：所述的反力架通过螺帽固定安装在支墩顶部。

3. 根据权利要求 1 所述的单桩竖向静载试验反力装置，其特征是：所述的反力筒内径大于传力柱直径，所述的传力柱的直径为 0 .8m～1 .2m 之间。

4. 一种采用如权利要求 1 至 3 中任意一项所述的单桩竖向静载试验反力装置进行的单桩竖向静载试验反力施加方法，其特征是：所述的方法包括下述步骤：

S1、准备工作：根据试验最大荷载选用合适的直流发电机、励磁线圈以及 感应线圈的直径和匝数，选择是否需要盛砂盘以及装入砂石量；架设、整平装置；连接并检查装置各部件，确保各部件能正常工作；

S2、计算励磁线圈磁感应强度 B：励磁线圈采用长直通电螺旋线管，根据直流发电机所提供的直流电大小 I、真空磁导率μ、励磁线圈匝数 N，采用电磁感应原理 B=μ*N*I 计算出励磁线圈内部的磁感应强度 B；

S3、反算感应线圈所需电流 I '：根据试验最大荷载以及荷载分级标准，计算出第一级荷载，再结合步骤 S2 计算出的磁感应强度 B 以及感应线圈的总长度L采用安倍力计算公式F=B*I*L反算出第一级荷载下感应线圈中所需的电流大小 I '；

S4、荷载施加：通过控制器控制直流变压器，向感应线圈中输入步骤 S3 反算出的 I '大小的直流电，该直流电在感应线圈中同样产生一个磁场，根据试验目的为抗压或抗拔时，通过不同的电流传输方向来控制感应线圈带动传力柱向下或向上运动，进而实现传力柱向受检桩施加压力或上拔力的目的；

S5、分级加载：增加荷载，重复步骤 S3 和步骤 S4，直至试验结束。