CN109914490A - 一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统，包括桩孔、钢筋笼、荷载箱、油泵装置、位移测量杆以及数据采集设备。位移测量杆包括竖向设置的第一位移测量杆、第二位移测量杆、第三位移测量杆以及第四位移测量杆；第一位移测量杆、第二位移测量杆以及第四位移测量杆的第二端均伸出桩身且设置有位移传感器，第三位移测量杆的第二端设置有位移传感器；与第四位移测量杆连接的纵向钢筋上设置有应变片。本发明还公开了一种扩底桩竖向抗压承载力试验方法，包括打孔、安装、浇筑、加载试验以及分析运算等步骤。本发明的扩底桩竖向抗压承载力试验系统及方法，其能在检测扩底桩竖向抗压承载力时避免截断桩身的纵向钢筋，保证扩底桩的原有承载能力。

Description

一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统及方法

技术领域

本发明涉及基桩承载力试验技术领域，尤其涉及一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统及方法。

背景技术

随着我国工程建设的蓬勃发展，在桥梁、高层建筑、重型厂房、港口码头、海上采油平台等工程中大量采用桩基础。桩基已成为我国工程建设中非常重要的一种基础形式。据不完全统计，目前我国每年的用桩量已超过一百万根，而桩基的造价较高，一般占工程总造价的四分之一以上，因此，如何合理地确定桩的承载力，充分发挥桩基的技术经济效益，具有重要意义。

现有的确定承载力的方法很多，其中就包括自平衡法，相比于传统的静载方法，自平衡法有独特的优势。其装置比较简单，占用场地空间小，不需要运入数百吨或数千吨物料，不需要构筑笨重的反力架，可多根桩同时测试，试验准备工作省时、省力、安全。所以目前人们也常常会采用自平衡法检测扩底桩竖向抗压承载能力，采用自平衡法检测扩底桩竖向抗压承载能力时，必须将荷载箱埋置于桩身截面变化处或直径较大的桩身内部，如图1和图2所示，上述的两种荷载箱的布置方式都必须将桩身的纵向钢筋截断以焊接荷载箱，但这样又会在一定程度上影响桩身钢筋截断处的抗弯性能和水平承载力，使其无法满足设计要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统，本发明的目的之二在于提供一种扩底桩竖向抗压承载力试验方法，其能在检测扩底桩竖向抗压承载力时避免截断桩身的纵向钢筋，保证扩底桩的原有承载能力。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统，包括：

桩孔，所述桩孔分为上桩孔以及下桩孔，所述下桩孔直径大于所述上桩孔直径，所述桩孔内适于浇筑混凝土形成桩身；

钢筋笼，所述钢筋笼包括纵向钢筋以及环筋，所述钢筋笼沿所述桩孔的轴向方向设置在所述桩孔中；

荷载箱，所述荷载箱包括顶板、底板以及液压件；所述底板位于所述桩孔的孔底，所述顶板与所述钢筋笼的底部固定连接，所述顶板与所述底板之间通过所述液压件连接；

油泵装置，所述油泵装置包括油泵以及油管；所述油管两端分别与所述油泵以及所述液压件连通；

位移测量杆，所述位移测量杆包括竖向设置的第一位移测量杆、第二位移测量杆、第三位移测量杆以及第四位移测量杆；所述第一位移测量杆位于所述钢筋笼的内侧，所述第一位移测量杆的第一端与所述顶板固定连接，所述第一位移测量杆的第二端伸出桩身且设置有位移传感器；所述第二位移测量杆位于所述钢筋笼的内侧，所述第二位移测量杆的第一端与所述底板固定连接，所述第二位移测量杆的第二端伸出桩身且设置有位移传感器；所述第三位移测量杆位于桩身外部，所述第三位移测量杆的第一端与桩身顶部连接，所述第三位移测量杆的第二端设置有位移传感器；所述第四位移测量杆位于所述钢筋笼的内侧，所述第四位移测量杆的第一端与所述纵向钢筋固定连接，且位于桩身直径变化处，所述第四位移测量杆的第二端伸出桩身且设置有位移传感器；与所述第四位移测量杆连接的纵向钢筋上设置有应变片；

数据采集设备，用于接收所述位移传感器和所述应变片采集的数据信息。

进一步地，所述第一位移测量杆、所述第二位移测量杆以及所述第四位移测量杆的数量均为两根，所述第一位移测量杆以所述桩孔轴线呈对称分布，所述第二位移测量杆以所述桩孔轴线呈对称分布，所述第四位移测量杆以所述桩孔轴线呈对称分布。

进一步地，所述第一位移测量杆、所述第二位移测量杆以及第四位移测量杆之间相互间隔且等距设置。

进一步地，所述第一位移测量杆位于桩身内的部分设置有第一中空保护管；所述第二位移测量杆位于桩身内的部分设置有第二中空保护管，所述第四位移测量杆位于桩身内的部分设置有第三中空保护管。

进一步地，与所述第四位移测量杆连接的纵向钢筋上的应变片为多个，所述应变片分布在所述第四位移测量杆的第一端与所述钢筋笼的顶部之间，同一纵向钢筋上相邻的应变片之间等距设置，且同一纵向钢筋上相邻的应变片之间的距离在3m到3.5m之间。

进一步地，所述顶板与所述钢筋笼的底部焊接。

进一步地，所述第一位移测量杆同心设置在所述第一中空保护管内，所述第一中空保护管的第一端与所述顶板焊接，所述第一位移测量杆的第一端与所述顶板焊接；所述第二位移测量杆同心设置在所述第二中空保护管内，所述第二中空保护管的第一端与所述底板焊接，所述第二位移测量杆的第一端与所述底板焊接；所述第四位移测量杆同心设置在所述第三中空保护管内，所述第三中空保护管的第一端焊接有封堵板，所述第四位移测量杆的第一端与所述封堵板焊接，所述封堵板与所述纵向钢筋焊接。

进一步地，所述顶板与所述钢筋笼之间还连接有加强筋。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种扩底桩竖向抗压承载力试验方法，包括以下步骤：

根据上述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统搭建试验平台；

打孔步骤：采用成桩设备形成桩孔；

安装步骤：将荷载箱的顶板固定连接在钢筋笼的底部，将油管与荷载箱的液压件连通，将钢筋笼竖向放入桩孔内，直至荷载箱的底板与桩孔的孔底接触；

浇筑步骤：在安装步骤完成后向桩孔内浇筑混凝土形成桩身；

加载试验步骤：通过荷载箱对桩身施加荷载；

分析运算步骤：对采集到的位移传感器以及应变片的数据信息进行分析运算，得出扩底桩竖向抗压承载力的值。

进一步地，所述分析运算步骤包括：

通过公式计算桩端持力层单位极限应力P₁，其中N为利用荷载箱的对扩底桩加载到极限荷载的极限内力，A为扩底桩上部桩身的截面积；

通过公式Q_ud＝P₁A'计算桩端持力层极限竖向承载力Q_ud，其中A'为扩底桩底部桩身的截面积；

通过公式Q_uu＝Eε₁A计算扩底桩上部桩身竖向极限承载力，其中E为扩底桩混凝土的弹性模量，ε₁为应变片在桩身直径变化处测得的应变平均值；

计算Δ与之间的差值，当差值在2mm以内时，才通过公式计算扩底桩竖向抗压承载力Q_u，其中Δ为第四位移测量杆的位移量与第三位移测量杆的位移量的差值，n为同一纵向钢筋上应变片的数量，ε_i为纵向钢筋上某一应变片所在的截面处的应变平均值，l为同一纵向钢筋上相邻应变片之间的距离，W为上部桩身的自重，r₁为扩底桩的抗压摩阻力转换系数。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：将第一位移测量杆的第一端与荷载箱的顶板固定连接，将第二位移测量杆的第一端与荷载箱的底板连接，通过上述的方式，可以避免在测量时截断纵向钢筋，即在检测扩底桩竖向抗压承载力时避免了截断桩身的纵向钢筋，保证扩底桩的原有承载能力，使得在采用自平衡法检测扩底桩竖向抗压承载能力后，该桩仍然可作为工程桩使用。

附图说明

图1为传统的基桩承载力试验中荷载箱的第一种放置方式；

图2为传统的基桩承载力试验中荷载箱的第二种放置方式；

图3为本发明中扩底桩竖向抗压承载力试验系统的示意图；

图4为本发明中位移测量杆以及中空保护管的平面布置示意图；

图5为本发明第四位移测量杆、第三中空保护管以及封堵板的配合示意图。

图中：1、荷载箱；11、顶板；12、底板；21、油泵；22、油管；3、桩身；41、纵向钢筋；42、加强筋；51、第一位移测量杆；52、第二位移测量杆；53、第三位移测量杆；54、第四位移测量杆；55、位移传感器；56、应变片；6、数据采集设备；71、第一中空保护管；72、第二中空保护管；73、第三中空保护管；8、封堵板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以用许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图3-5所示，示出了本发明实施例提供的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其至少包括桩孔、钢筋笼、荷载箱1、油泵装置、位移测量杆以及数据采集设备6。其中，桩孔分为上桩孔以及下桩孔，下桩孔直径大于上桩孔直径，桩孔内适于浇筑混凝土形成桩身3；钢筋笼包括纵向钢筋41以及环筋，钢筋笼沿桩孔的轴向方向设置在桩孔中；荷载箱1包括顶板11、底板12以及液压件；底板12位于桩孔的孔底，顶板11与钢筋笼的底部固定连接，顶板11与底板12之间通过液压件连接；油泵装置包括油泵21以及油管22；油管22两端分别与油泵21以及液压件连通；位移测量杆包括竖向设置的第一位移测量杆51、第二位移测量杆52、第三位移测量杆53以及第四位移测量杆54；第一位移测量杆51位于钢筋笼的内侧，第一位移测量杆51的第一端与顶板11固定连接，第一位移测量杆51的第二端伸出桩身3且设置有位移传感器55；第二位移测量杆52位于钢筋笼的内侧，第二位移测量杆52的第一端与底板12固定连接，第二位移测量杆52的第二端伸出桩身3且设置有位移传感器55；第三位移测量杆53位于桩身3外部，第三位移测量杆53的第一端与桩身3的顶部连接，第三位移测量杆53的第二端设置有位移传感器55；第四位移测量杆54位于钢筋笼的内侧，第四位移测量杆54的第一端与纵向钢筋41固定连接，且位于桩身3直径变化处，第四位移测量杆54的第二端伸出桩身3且设置有位移传感器55；与第四位移测量杆54连接的纵向钢筋41上设置有应变片56；数据采集设备6用于接收位移传感器55和应变片56采集的数据信息。

本发明将荷载箱1直接埋置于桩身3的底部处进行加载，第一位移测量杆51的第一端与荷载箱1的顶板11固定连接，将第二位移测量杆52的第一端与荷载箱1的底板12连接，通过上述的方式，可以避免在测量时截断纵向钢筋41，即在检测扩底桩竖向抗压承载力时避免了截断桩身3的纵向钢筋41，保证扩底桩的原有承载能力，使得在采用自平衡法检测扩底桩竖向抗压承载能力后，该桩仍然可作为工程桩使用。

作为优选地实施方式，第一位移测量杆51、第二位移测量杆52以及第四位移测量杆54的数量均为两根，第一位移测量杆51以桩孔轴线呈对称分布，第二位移测量杆52以桩孔轴线呈对称分布，第四位移测量杆54以桩孔轴线呈对称分布。通过这样的设置方式，可以让位移传感器55的测出的结果更加符合真实情况。

优选地，第一位移测量杆51、第二位移测量杆52以及第四位移测量杆54之间相互间隔且等距设置。通过这样的设置方式，可以最大程度地减少第一位移测量杆51、第二位移测量杆52以及第四位移测量杆54之间的相互影响，同样也可以使得测出的结果更加符合真实情况。

优选地，第一位移测量杆51位于桩身3内的部分设置有第一中空保护管71；第二位移测量杆52位于桩身3内的部分设置有第二中空保护管72，第四位移测量杆54位于桩身3内的部分设置有第三中空保护管73。通过第一中空保护管71可以起到保护第一位移测量杆51的作用，减少第一位移测量杆51在浇筑的时候损坏的可能。同样，通过第二中空保护管72可以起到保护第二位移测量杆52的作用，减少第二位移测量杆52在浇筑的时候损坏的可能，通过第三中空保护管73可以起到保护第四位移测量杆54的作用，减少第四位移测量杆54在浇筑的时候损坏的可能。

优选地，与第四位移测量杆54连接的纵向钢筋41上的应变片56为多个，应变片56分布在第四位移测量杆54的第一端与钢筋笼的顶部之间，同一纵向钢筋上相邻的应变片56之间等距设置，且同一纵向钢筋上相邻的应变片56之间的距离在3m到3.5m之间。

具体地，顶板11与钢筋笼的底部焊接；第一位移测量杆51同心设置在第一中空保护管71内，第一中空保护管71的第一端与顶板11焊接，第一位移测量杆51的第一端与顶板11焊接；第二位移测量杆52同心设置在第二中空保护管72内，第二中空保护管72的第一端与底板12焊接，第二位移测量杆52的第一端与底板12焊接；第四位移测量杆54同心设置在第三中空保护管73内，第三中空保护管73的第一端焊接有封堵板8，第四位移测量杆54的第一端与封堵板8焊接，封堵板8与纵向钢筋41焊接。

优选地，顶板11与钢筋笼之间还连接有加强筋42。通过设置加强筋42，可以使得荷载箱1对桩身3进行加载时，桩身3的混凝土不会被压坏，保证浇筑完成后扩底桩的可靠性。

一种扩底桩竖向抗压承载力试验方法，包括以下步骤：

根据上述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统搭建试验平台；

打孔步骤：采用成桩设备形成桩孔；

安装步骤：将荷载箱1的顶板11固定连接在钢筋笼的底部，将油管22与荷载箱1的液压件连通，将钢筋笼竖向放入桩孔内，直至荷载箱1的底板12与桩孔的孔底接触；

浇筑步骤：在安装步骤完成后向桩孔内浇筑混凝土形成桩身3；

加载试验步骤：通过荷载箱1对桩身3施加荷载；

分析运算步骤：对采集到的位移传感器55以及应变片56的数据信息进行分析运算，得出扩底桩竖向抗压承载力的值。

具体地，分析运算步骤包括：

通过公式计算桩端持力层单位极限应力P₁，其中N为利用荷载箱1的对扩底桩加载到极限荷载的极限内力，A为扩底桩上部桩身的截面积；

通过公式Q_ud＝P₁A'计算桩端持力层极限竖向承载力Q_ud，其中A'为扩底桩底部桩身的截面积；

通过公式Q_uu＝Eε₁A计算扩底桩上部桩身竖向极限承载力，其中E为扩底桩混凝土的弹性模量，ε₁为应变片56在桩身3直径变化处测得的应变平均值；

计算Δ与之间的差值，当差值在2mm以内时，才通过公式计算扩底桩竖向抗压承载力Q_u。这样可以保证计算出来的扩底桩竖向抗压承载力Q_u的正确性。上述公式中，Δ为第四位移测量杆54的位移量与第三位移测量杆53的位移量的差值，n为同一纵向钢筋上应变片56的数量，ε_i为纵向钢筋上某一应变片56所在截面处的应变平均值，l相邻应变片56之间的距离，W为上部桩身的自重，r₁为扩底桩的抗压摩阻力转换系数。为了便于说明，这里将桩身直径变化处的应变片56记为第一应变片，从第一应变片依次往上，分别记为第二应变片、第三应变片，以此类推，直到第n应变片；记第一应变片测出的应变值为ε₁，记第二应变片测出的应变值为ε₂，依次类推记第n应变片测出的应变值为ε_n，即只有在Δ与(ε₁l+ε₂l+......+ε_nl)之间的差值在2mm以内时，才通过公式计算扩底桩竖向抗压承载力Q_u，在满足上述条件的情况下，算出来的扩底桩竖向抗压承载力Q_u才是正确的。而当Δ与之间的差值不在2mm以内时，通过公式计算扩底桩竖向抗压承载力Q_u将与实际情况存在较大偏差，造成这样的原因可能是应变片56损坏，所以这时应当更换应变片56后再判断Δ与之间的差值是否在2mm以内，直到Δ与之间的差值在2mm以内时才进行计算。

本发明中的扩底桩竖向抗压承载力试验系统以及基于该系统的扩底桩竖向抗压承载力试验方法主要有以下优点：

1、成功克服了目前扩底桩采用自平衡法检测其竖向承载力时，必须将纵向钢筋41截断的致命缺陷，本发明在检测扩底桩竖向抗压承载力时避免了截断桩身3的纵向钢筋41，保证扩底桩的原有承载能力，使得在采用自平衡法检测扩底桩竖向抗压承载能力后，该桩仍然可作为工程桩使用，填补了扩底桩竖向抗压承载力检测的空白。

2、通过计算Δ与之间的差值，当差值在2mm以内时，才通过公式计算扩底桩竖向抗压承载力Q_u，这样的方式使测试结果更加准确可靠。

以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，包括：

桩孔，所述桩孔分为上桩孔以及下桩孔，所述下桩孔直径大于所述上桩孔直径，所述桩孔内适于浇筑混凝土形成桩身；

钢筋笼，所述钢筋笼包括纵向钢筋以及环筋，所述钢筋笼沿所述桩孔的轴向方向设置在所述桩孔中；

荷载箱，所述荷载箱包括顶板、底板以及液压件；所述底板位于所述桩孔的孔底，所述顶板与所述钢筋笼的底部固定连接，所述顶板与所述底板之间通过所述液压件连接；

油泵装置，所述油泵装置包括油泵以及油管；所述油管两端分别与所述油泵以及所述液压件连通；

位移测量杆，所述位移测量杆包括竖向设置的第一位移测量杆、第二位移测量杆、第三位移测量杆以及第四位移测量杆；所述第一位移测量杆位于所述钢筋笼的内侧，所述第一位移测量杆的第一端与所述顶板固定连接，所述第一位移测量杆的第二端伸出桩身且设置有位移传感器；所述第二位移测量杆位于所述钢筋笼的内侧，所述第二位移测量杆的第一端与所述底板固定连接，所述第二位移测量杆的第二端伸出桩身且设置有位移传感器；所述第三位移测量杆位于桩身外部，所述第三位移测量杆的第一端与桩身的顶部连接，所述第三位移测量杆的第二端设置有位移传感器；所述第四位移测量杆位于所述钢筋笼的内侧，所述第四位移测量杆的第一端与所述纵向钢筋固定连接，且位于桩身直径变化处，所述第四位移测量杆的第二端伸出桩身且设置有位移传感器；与所述第四位移测量杆连接的纵向钢筋上设置有应变片；

数据采集设备，用于接收所述位移传感器和所述应变片采集的数据信息。

2.如权利要求1所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，所述第一位移测量杆、所述第二位移测量杆以及所述第四位移测量杆的数量均为两根，所述第一位移测量杆以所述桩孔轴线呈对称分布，所述第二位移测量杆以所述桩孔轴线呈对称分布，所述第四位移测量杆以所述桩孔轴线呈对称分布。

3.如权利要求2所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，所述第一位移测量杆、所述第二位移测量杆以及第四位移测量杆之间相互间隔且等距设置。

4.如权利要求1所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，所述第一位移测量杆位于桩身内的部分设置有第一中空保护管；所述第二位移测量杆位于桩身内的部分设置有第二中空保护管，所述第四位移测量杆位于桩身内的部分设置有第三中空保护管。

5.如权利要求2所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，与所述第四位移测量杆连接的纵向钢筋上的应变片为多个，所述应变片分布在所述第四位移测量杆的第一端与所述钢筋笼的顶部之间，同一纵向钢筋上相邻的应变片之间等距设置，且同一纵向钢筋上相邻的应变片之间的距离在3m到3.5m之间。

6.如权利要求1所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，所述顶板与所述钢筋笼的底部焊接。

7.如权利要求4所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，所述第一位移测量杆同心设置在所述第一中空保护管内，所述第一中空保护管的第一端与所述顶板焊接，所述第一位移测量杆的第一端与所述顶板焊接；所述第二位移测量杆同心设置在所述第二中空保护管内，所述第二中空保护管的第一端与所述底板焊接，所述第二位移测量杆的第一端与所述底板焊接；所述第四位移测量杆同心设置在所述第三中空保护管内，所述第三中空保护管的第一端焊接有封堵板，所述第四位移测量杆的第一端与所述封堵板焊接，所述封堵板与所述纵向钢筋焊接。

8.如权利要求1所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统，其特征在于，所述顶板与所述钢筋笼之间还连接有加强筋。

9.一种扩底桩竖向抗压承载力试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据权利要求5所述的扩底桩竖向抗压承载力试验系统搭建试验平台；

打孔步骤：采用成桩设备形成桩孔；

安装步骤：将荷载箱的顶板固定连接在钢筋笼的底部，将油管与荷载箱的液压件连通，将钢筋笼竖向放入桩孔内，直至荷载箱的底板与桩孔的孔底接触；

浇筑步骤：在安装步骤完成后向桩孔内浇筑混凝土形成桩身；

加载试验步骤：通过荷载箱对桩身施加荷载；

分析运算步骤：对采集到的位移传感器以及应变片的数据信息进行分析运算，得出扩底桩竖向抗压承载力的值。

10.如权利要求9所述的扩底桩竖向抗压承载力试验方法，其特征在于，所述分析运算步骤包括：

通过公式计算桩端持力层单位极限应力P₁，其中N为利用荷载箱的对扩底桩加载到极限荷载的极限内力，A为扩底桩上部桩身的截面积；

通过公式Q_ud＝P₁A'计算桩端持力层极限竖向承载力Q_ud，其中A'为扩底桩底部桩身的截面积；

通过公式Q_uu＝Eε₁A计算扩底桩上部桩身竖向极限承载力，其中E为扩底桩混凝土的弹性模量，ε₁为应变片在桩身直径变化处测得的应变平均值；

计算Δ与之间的差值，当差值在2mm以内时，才通过公式计算扩底桩竖向抗压承载力Q_u，其中Δ为第四位移测量杆的位移量与第三位移测量杆的位移量的差值，n为同一纵向钢筋上应变片的数量，ε_i为纵向钢筋上某一应变片所在的截面处的应变平均值，l为同一纵向钢筋上相邻应变片之间的距离，W为上部桩身的自重，r₁为扩底桩的抗压摩阻力转换系数。