CN109653262B - 一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩 - Google Patents
一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，包括桩体、传感器系统、数据采集及控制系统；本装置所采用的开口桩优选采用三层薄壁钢管开口桩，每层开口桩之间设置有仅可在桩体轴向面内转动的低阻力的滚珠，实现除传感器之间力外无其他竖向力，从而将桩体内摩擦力、外摩擦力和端阻力分离开来。在开口桩试验过程中，通过外部加载装置施加确定的竖向力，使桩体竖向匀速缓慢贯入土体。本发明的开口桩可测量获得在安装及承载过程中所受各种阻力(土体对钢管桩外壁的摩阻力、土塞对钢管桩内壁的摩阻力和桩端土对钢管桩壁的端阻力)的大小及分担比，并获得孔压、土压力以及土塞的发展过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种桩体，尤其涉及一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，可用于分析开口桩在安装及承载过程中所受各种阻力(土体对钢管桩外壁的摩阻力、土塞对钢管桩内壁的摩阻力和桩端土对钢管桩壁的端阻力)的大小及分担比，并实时获得安装和承载过程中孔压、土压力等参数，以及通过传感器获得桩内部土塞的发展和力学特性的发展过程。
背景技术
开口钢管桩具有抗冲击、打入容易、回收方便等优点，在近年来得到了越来越广泛的应用。但是由于安装过程中“挤土效应”和“土塞效应”存在，开口钢管桩竖向承载特性比闭口桩的更加复杂，需要更加关注。
目前对于开口钢管桩的竖向承载特性的评估多是采用数值模拟或理论公式计算，不能准确地得到桩阻力中各组成所占的比例。此外，还可以采用现场试验或模型试验的方法，但试验复杂，且试验成本高。本发明提出了一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，将竖向承载力各部分间分割开来，快速准确地得到开口桩所受的桩阻力中各阻力大小及分担比。并且，根据布置的多种传感器连续监测获得安装和承载过程中孔压、土压力等参数，以及通过传感器获得桩内部土塞的发展和力学特性的发展过程。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩。该装置特点是：将竖向承载力各部分间分割开来，快速准确地得到开口桩所受的桩阻力中各阻力大小及分担比。并且，根据布置的多种传感器连续监测获得安装和承载过程中孔压、土压力等参数，以及通过传感器获得桩内部土塞的发展和力学特性的发展过程。
本发明采取以下技术方案：
一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，包括桩体、传感器系统、数据采集及控制系统；
桩体由内摩阻力套管、端阻力套管、外摩阻力套管从内向外依次同轴套置，上端均封闭下端均开口，端阻力套管开口端管壁内外均具有凸缘，内、外摩阻力套管下端与凸缘之间均填充橡胶塞，在内摩阻力套管与端阻力套管之间，以及端阻力套管与外摩阻力套管之间设置有滚珠，滚珠仅可在桩体轴向平面转动；
传感器系统用于检测开口桩贯入土体时的待测数据，包括三个套管之间传递的轴力、土体作用于桩身的土压力、桩内顶部与土体表面的距离、土体的刚度；并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。
上述技术方案中，优选的，在内摩阻力套管外和端阻力套管外均固定有钢圈，所述的滚珠沿环向均布穿置在钢圈上。因此滚珠只能在桩体轴向平面内旋转，同时所述滚珠最好应圆度足够高、材料摩擦足够小并且涂抹润滑，以此来忽略钢珠产生的竖向力。在桩体套管沿竖向一定间隔布置若干排滚珠，以保证各层套管均能够竖向安装，防止内部套管发生旋转或倾斜影响试验结果正确性。
优选的，所述的传感器测量系统包括压电式轴力传感器、土压力计、激光测距仪、弯曲元；压电式轴力传感器布置于各层套管顶部之间，用于测量在套管之间传递的轴力；土压力计在内摩阻力套管的内侧以及外摩阻力套管的外侧沿竖向对称均布，如轴对称分布16个，用于测量土体作用于桩身的土压力，可以进一步分析土压力与侧摩阻力之间关系；激光测距仪布置于内摩阻力套管顶盖内侧，用于测量与土体表面的距离，在土塞发展过程中，桩体内部土体逐渐隆起与激光器距离缩短，进而可以得到安装过程中土塞发展情况；弯曲元设置于内摩阻力套管的内侧下端，用于实时测量土体的刚度变化。
更优选的，在所述的内摩阻力套管和端阻力套管之间、端阻力套管和外摩阻力套管之间分别设置呈轴对称的四个压电式轴力传感器，从而保证套管之间传递的力均被传感器采集到，同时套管不会发生倾斜或旋转。
优选的，所述的传感器系统还包括孔压传感器，黏贴在端阻力套管的底部，用于测量在安装和承载过程中开口桩端部的孔压变化。为保护孔压传感器的正常工作不被损坏，在孔压传感器的下部设置环形钢板进行保护。
优选的，传感器系统中每个传感器的数据传输线在桩体内部汇总至一起，穿过桩体顶盖边缘的数据通道口连接至数据采集及控制系统，数据通道口在数据传输线通过之后采用橡胶塞进行密封，保证套管的密合性。
上述方案中，所述的橡胶塞填充设置于端阻力套管分别与内摩阻力套管和外摩阻力套管的端部的缝隙中，防止开口桩安装和承载过程中土体进入套管之间影响试验准确性。同时由于橡胶塞的刚度远小于钢管开口桩套管，因此对于竖向轴力的影响可以忽略不计。
在外部加载装置作用下，桩体竖向匀速缓慢贯入土体，三层开口桩套管间通过竖向低阻力的滚珠实现除传感器之间力外无其他竖向力，从而将桩体内摩擦力，外摩擦力和端阻力分离开。本开口桩三层套管最好均采用薄壁钢管制作，使其在实验过程中所受的浮力远小于外部压力和所受阻力，因此浮力均忽略不计。内摩阻力套管仅受竖向自身重力、内摩阻力及传感器作用力，端阻力套管仅受自身重力、端阻力和传感器作用力，外摩阻力套管受自身重力、加载的竖向力、外摩阻力和传感器作用力。
所述的内摩阻力套管优选采用薄壁钢管，因此内摩阻力套管在安装过程中所受的浮力远小于其他作用力，可忽略不计。设内摩阻力套管与端阻力套管之间的压电式轴力传感器的数值之和为F1，内摩阻力套管自重为G1，整个桩体是匀速缓慢贯入土体，因此此时所受的内摩阻力为Qrk＝F1+G1。
所述的端阻力套管也优选采用薄壁钢管，因此端阻力套管所受的浮力可忽略不计。设端阻力套管与外阻力套管之间的压电式轴力传感器的数值之和为F2，端阻力套管的自重为G2，竖向缓慢贯入受力平衡，因此此时桩体所受的端摩阻力为Qpk＝F2+G2-F1。
所述的外摩阻力套管也优选采用薄壁钢管，所受的浮力可忽略不计。设外摩阻力套管所受的外部装置施加的轴力为F，外摩阻力套管的自重为G3，桩体竖向受力平衡，因此此时桩体所受的外摩阻力为Qsk＝F+G3-F2。
本发明具有以下优点：
1.本发明将开口桩在安装和承载过程中所受的内摩阻力、外摩摩阻力和端阻力分开，可以分别求出各阻力的大小以及分担比，对分析开口桩安装过程中的受力有重要作用。
2.本装置可以重复使用，在不同的土体类型以及不同荷载情况下进行研究，可用于评估桩在安装过程中内部土塞的发展及其工程特性，对研究土塞的发展演化有重要的参考意义。
3.本装置采用多种传感器采集实验过程中试验数据，更加精准的了解实验过程中几乎全部参量。
附图说明
图1是本发明的一种具体开口桩的竖向剖面结构示意图；
图2是本发明的一种具体开口桩的主视结构示意图；
图3是本发明的一种具体开口桩的仰视结构示意图；
图4是图1结构中A-A横向剖面示意图；
图5是图1开口桩桩底放大细部示意图；
其中，1.钢板、2.外摩阻力套管、3.端阻力套管、4内摩阻力套管、5.滚珠、6.土压力计、7.激光测距仪、8.压电式轴力传感器、9.外部加载装置、10.数据传输线、11.数据采集及控制系统、12.数据通道口、13.弯曲元、14.橡胶塞、15.孔压传感器、16.钢圈。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明做进一步说明。
一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，包括桩体、传感器系统、数据采集及控制系统；
桩体由内摩阻力套管4、端阻力套管3、外摩阻力套管2从内向外依次同轴套置，上端均封闭下端均开口，端阻力套管3开口端管壁内外均具有凸缘，内、外摩阻力套管下端与凸缘之间均填充橡胶塞14，在内摩阻力套管4外以及端阻力套管3外固定有若干钢圈16，钢圈16上均匀穿置有滚珠5，因此滚珠5仅可在桩体轴向平面转动；
所述的传感器系统包括压电式轴力传感器8、土压力计6、激光测距仪7、弯曲元13；在各层套管顶部之间均设置压电式轴力传感器8，用于测量在套管之间传递的轴力；内摩阻力套管4的内侧以及外摩阻力套管2的外侧轴对称的布置若干土压力计6，用于测量土体作用于桩身的土压力；激光测距仪7布置于内摩阻力套管4顶盖内侧，用于测量与土体表面的距离；弯曲元13设置于内摩阻力套管的下端内壁，用于测量土体的刚度变化。
在外部加载装置作用下，桩体竖向匀速缓慢贯入土体，三层开口桩套管间通过竖向低阻力滚珠实现除传感器之间力外无其他竖向力，从而将桩体内摩擦力，外摩擦力和端阻力分离开。内摩阻力套管仅受竖向自身重力、内摩阻力及传感器作用力，端阻力套管仅受自身重力、端阻力和传感器作用力，外摩阻力套管受自身重力、加载的竖向力、外摩阻力和传感器作用力。传感器系统用于检测装置中的待测数据，并通过数据传输孔传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。
具体的，如图1-5所示，一种具体实施例如下：
所述的低阻力的滚珠5沿环向均布穿在分别固定于内摩阻力套管和端阻力套管的钢圈16上，因此钢珠只能在竖直平面内旋转，同时要求钢珠圆度足够高、材料摩擦足够小并且涂抹润滑来忽略钢珠产生的竖向力。在桩体套管沿竖向一定间隔布置两排钢珠，以保证各层套管均能够竖向安装，防止内部套管发生旋转或倾斜影响试验结果正确性。
所述的端阻力套管3分别与内摩阻力套管4和外摩阻力套管2的端部的缝隙，采用橡胶塞14进行填充，防止开口桩安装和承载过程中土体进入套管之间影响试验准确性。同时由于橡胶塞14的刚度远小于钢管开口桩套管，因此对于竖向轴力的影响可以忽略不计。
所述的传感器测量系统包括压电式轴力传感器8、孔压传感器15、薄膜土压力计6、激光测距仪7、弯曲元13；传感器采用黏贴或支架固定的方式安装于指定位置，压电式轴力传感器8布置于各层套管之间，用于测量在套管之间传递的轴力；薄膜土压力计6在内摩阻力套管4的内侧以及外摩阻力套管2的外侧轴对称分布16个，用于测量土体作用于桩身的土压力，可以进一步分析土压力与侧摩阻力之间关系；激光测距仪7布置于内摩阻力套管4顶盖内侧，通过测量与土体表面的距离获得桩体内部土体表面变形和内部土塞的隆起情况；弯曲元13设置于内摩阻力套管的内侧下部，用于测量土体的刚度变化。
在内摩阻力套管4和端阻力套管3之间、端阻力套管3和外摩阻力套管2之间分别设置成轴对称的四个压电式轴力传感器8，从而保证套管之间传递的力均被传感器采集到，同时套管不会发生倾斜或旋转。
所述的孔压传感器15黏贴在端阻力套管3的端部，用于测量在安装和承载过程中开口桩端部的孔压变化。为保护孔压传感器15的正常工作不被损坏，在传感器的下部设置环形钢板1进行保护。
所述的感器系统的每个传感器的数据传输线10在桩体内部汇总至一起，穿过桩体顶盖边缘的数据通道口12连接至数据采集及控制系统11，数据通道口12在数据传输线10通过之后采用橡胶塞进行密封，保证套管的密合性。
下面以在软黏土中打入本开口试验桩为例，简述采用本发明上述实施例装置的一种具体试验过程：
1.各种传感器提前通过黏贴或支架安装在指定位置，并将传感器数据线穿过数据通道口连接至数据处理系统。
2.将开口桩三层套管按安装顺序依次套入外侧套管中，固定在内摩阻力套管和端阻力套管上的钢圈上均布穿满竖向低阻力钢珠。
3.通过外部固定装置将多层开口桩竖直悬挂在已经准备好的软黏土上方，竖向加载装置与桩体顶盖相连。
4.打开数据采集系统，将多层开口套管桩匀速缓慢竖直贯入土体中，读取加载装置施加的轴力数值，同时读取记录各传感器的采集到的数据。
5.试验完成，取下数据通道口处的橡胶塞，减压排水，回收试验装置。
Claims (7)
1.一种可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于：包括桩体、传感器系统、数据采集及控制系统；
桩体由内摩阻力套管（4）、端阻力套管（3）、外摩阻力套管（2）从内向外依次同轴套置，上端均封闭下端均开口，端阻力套管（3）开口端管壁内外均具有凸缘，内、外摩阻力套管下端与凸缘之间均填充橡胶塞（14），在内摩阻力套管（4）与端阻力套管（3）之间，以及端阻力套管（3）与外摩阻力套管（2）之间设置有滚珠（5），滚珠（5）仅可在桩体轴向平面转动；
传感器系统用于检测开口桩贯入土体时的待测数据，包括三个套管之间传递的轴力、土体作用于桩身的土压力、桩内顶部与土体表面的距离、土体的刚度；并传输至数据采集及控制系统中，数据采集及控制系统用于处理分析数据。
2.根据权利要求1所述的可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于，在内摩阻力套管（4）外和端阻力套管（3）外均固定有钢圈（16），所述的滚珠（5）沿环向均布穿置在钢圈（16）上。
3.根据权利要求1所述的可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于，所述的传感器系统包括压电式轴力传感器（8）、土压力计（6）、激光测距仪（7）、弯曲元（13）；在各层套管顶部之间均设置压电式轴力传感器（8），用于测量在套管之间传递的轴力；内摩阻力套管（4）的内侧以及外摩阻力套管（2）的外侧轴对称的布置若干土压力计（6），用于测量土体作用于桩身的土压力；激光测距仪（7）布置于内摩阻力套管（4）顶盖内侧，用于测量与土体表面的距离；弯曲元（13）设置于内摩阻力套管的下端内壁，用于测量土体的刚度变化。
4.根据权利要求3所述的可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于，在内摩阻力套管（4）顶部和端阻力套管（3）顶部之间、端阻力套管（3）顶部和外摩阻力套管（2）顶部之间分别设置轴对称的四个压电式轴力传感器（8）。
5.根据权利要求3所述的可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于，所述的传感器系统还包括孔压传感器（15），设置于端阻力套管（3）的底部，用于测量在安装和承载过程中开口桩端部的孔压变化。
6.根据权利要求5所述的可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于，在孔压传感器（15）下部设置有钢板（1）。
7.根据权利要求5所述的可用于测定桩阻力及评估内部土塞的多层套管开口桩，其特征在于，传感器系统中每个传感器的数据传输线（10）在桩体内部汇总至一起，穿过开于桩体顶盖边缘的数据通道口（12）连接至数据采集及控制系统（11），数据通道口（12）在数据传输线（10）通过之后采用橡胶塞进行密封，保证套管的密合性。
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