CN110031325A - 一种桩身应力测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桩身应力测试系统和方法，所述包括桩身应变测试装置、控制装置、位移测量装置和应变温度测试仪；所述控制装置与所述桩身应变测试装置连接，用于控制桩身应变测试装置在桩孔中进行固定；所述位移测量装置和应变温度测试仪均与所述桩身应变测试装置连接，所述位移测量装置用于测量桩身应变测试装置距离桩身顶部的距离变化量，所述应变温度测试仪用于从桩身应变测试装置读取记录应变值变化以及温度变化。本发明应用范围广、操作简便、灵活性强、成本低、精度高。

Description

一种桩身应力测试系统和方法

技术领域

本发明涉及应力测试领域，具体涉及一种桩身应力测试系统和方法。

背景技术

桩是一种历史悠久且应用广泛的建筑基础形式，我国采用桩基础的历史可追溯至几千年前，桩的材料也由原来的木桩逐步向耐久性较好强度较高的钢、水泥、混凝土以及钢筋混凝土转变。同时，随着现代国民经济的发展以及建设施工水平的提高，民用建筑规模不断往大型以及超大型规模发展，而桩基础作为建筑物底层支撑构件，其设计是否合理性、施工质量是否满足要求就很大程度影响了上层建筑的使用安全。按照国家标准规范要求，要验证桩基础施工质量是否满足设计要求，就需要对基桩进行质量检测。

目前，桩的质量检测主要为桩身完整性检测和承载力检测，桩的承载力检测主要有静载试验和高应变试验。静载试验属于直接法，一般只取得桩的承载力和桩顶沉降量，若需获取桩身某截面位移或应力则需在桩身预埋相应的传感器进行测量；高应变试验属于半直接法，可获得桩身截面位移和应力变化，但由于其分析理论存在一定的假设性，因此其测量结果与实际具有一定的偏差。因此，桩身应力的测量作为桩基质量检测和使用监测的一种重要手段，据了解目前国内主要有下面几种方法：1)钢筋计法；2)滑动测微计法；3)光纤传感器法。其中，钢筋计法是将钢筋计预埋在桩身主筋上，监测桩身某一截面的应力，但其传感器的成活率低，误差大；滑动测微计法是用测微计沿着预先埋设在桩身的测微管，从下往上每段测读桩身应变，具有可进行连续测量、精度较高、可长期观测的优点，但测量工序复杂测量成本高；分布式光纤和光纤光栅技术体积小、精度高、可长期测量，但由于测量前需提前预埋传感器，而且对预埋技术要求较高故影响其广泛应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种桩身应力测试系统和方法，用于解决上述问题。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种桩身应力测试系统，包括桩身应变测试装置、控制装置、位移测量装置和应变温度测试仪；

所述控制装置与所述桩身应变测试装置连接，用于控制桩身应变测试装置在桩孔中的位置；

所述位移测量装置和应变温度测试仪均与所述桩身应变测试装置连接，所述位移测量装置用于测量桩身应变测试装置距离桩身顶部的距离变化量，所述应变温度测试仪用于从桩身应变测试装置读取记录应变值变化以及温度变化。

所述桩身应变测试装置包括：定位卡盘、导向杆、中心导杆、FBG应变传感器和FBG温度传感器；

所述定位卡盘包括上定位卡盘和下定位卡盘，所述导向杆和中心导杆的两端均分别连接上定位卡盘和下定位卡盘；所述FBG应变传感器设置在导向杆上，所述FBG温度传感器设置在中心导杆上；

所述导向杆由第一內杆和第一套管组成，所述第一套管套接于所述第一內杆外侧；所述中心导杆由第二内杆和第二套管组成，所述第二套管套接于所述第二内杆外侧。

所述中心导杆上设置有锁定装置，用于防止中心导杆在非测试状态时，内管和套管之间发生轴向变形。

所述导向杆的內杆和套管上分别设置有一支座，两个支座与FBG应变传感器连接，以确保测试时所述两个支座与上定位卡盘和下定位卡盘一起同步位移。

本发明还提供了一种桩身应力测试方法，应用于桩身应力测试系统，所述桩身应力测试方法包括：

放置桩身应变测试装置；

读取FBG应变传感器的初始值和FBG温度传感器的初始值；

对桩身施加不同的荷载，并记录FBG应变传感器和FBG温度传感器在不同荷载下的读数，根据所述读数计算不同荷载下，桩身的应变量、桩身内力和桩侧单位摩阻力；

回收桩身应变测试装置。

本发明的有益效果为：

本发明应用范围广，可应用于：1)测定桩受到静载荷时不同截面处的桩身内力；2)测定桩端处桩端端阻力；3)配合特定采样设备，按照一定采样周期对桩身受力情况进行长期监测；4)根据不同截面桩身受荷变形情况判断桩身质量。

本发明无需预埋传感器或测管，将传感器安放到位后可直接进行测量，操作简便。

本发明可根据实际情况设置传感器数量或针对某一断面进行测量，灵活性较强。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1示出了本发明一个示例性实施例的结构图。

图2示出了本发明一个示例性实施例的桩身应变测试装置的结构图。

图3为图2中的A处放大图。

图4为图2中的B处放大图。

图5示出了本发明一个示例性实施例的控制装置的结构图。

图6示出了本发明一个示例性实施例的压力提供装置的结构图。

图7示出了本发明一个示例性实施例的桩身应变测试装置的剖面图。

附图标记：

应变测试装置1、控制装置2、位移测量装置3、应变温度测试仪4、上定位卡盘11、下定位卡盘12、导向杆13、中心导杆14、FBG应变传感器15、FBG温度传感器16、锁定装置17、支座18、液(气)压缸19、伸缩顶杆20、复位弹簧21、压力提供装置22、控制管23、位移钢丝24、测量光缆25、第一內杆131、第一套管132、第二内杆141、第二套管142、溢流阀221、电磁阀222、减压阀223、压力源224。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本发明提供了一种桩身应力测试系统，包括桩身应变测试装置1、控制装置2、位移测量装置3和应变温度测试仪4；

所述控制装置2与所述桩身应变测试装置1连接，用于控制桩身应变测试装置1在桩孔中的位置；

所述位移测量装置3和应变温度测试仪4均与所述桩身应变测试装置1连接，所述位移测量装置3用于测量桩身应变测试装置1距离桩身顶部的距离变化量，所述应变温度测试仪4用于从桩身应变测试装置1读取记录应变值变化以及温度变化。

所述桩身应变测试装置1包括：定位卡盘、导向杆13、中心导杆14、FBG应变传感器15和FBG温度传感器16；

所述定位卡盘包括上定位卡盘11和下定位卡盘12，所述导向杆13和中心导杆14的两端均分别连接上定位卡盘11和下定位卡盘12；所述FBG应变传感器15设置在导向杆13上，所述FBG温度传感器16设置在中心导杆14上；

所述导向杆13由第一內杆131和第一套管132组成，所述第一套管132套接于所述第一內杆131外侧；所述中心导杆14由第二内杆141和第二套管142组成，所述第二套管142套接于所述第二内杆141外侧。

所述中心导杆14上设置有锁定装置17，用于防止中心导杆14在非测试状态时，第二套管142和第二内杆141之间发生轴向变形。

所述导向杆13的內杆和套管上分别设置有一支座18，所述支座18与FBG应变传感器15连接，以确保测试时两个支座18与上定位卡盘11和下定位卡盘12一起同步位移。

在一种实施方式中，所述中心导杆14的两端分别连接上定位卡盘11和下定位卡盘12的中央。

在一种实施方式中，所述FBG温度传感器16的数量为1个，所述导向杆13的数量为3根，所述3根导向杆13环形分布于上定位卡盘11和下定位卡盘12之间，所述3根导向杆13之间互为120度夹角，每根所述导向杆13上均设置有FBG应变传感器15。

FBG温度传感器16的数量为1个只是其中一种较优的实施方式，FBG温度传感器为其它的数量也是可行的，例如所述数量为2，所述数量为3等。导向杆的数量为3根以及3根导向杆之间互为120度夹角只是一种较优的实施方式，导向杆的数量为其它的数量也是可行的，例如导向杆的数量设为2；导向杆之间的位置关系是其它的关系也是可行的，例如当导向杆的数量为4时，导向杆之间互为90度夹角。

在一种实施方式中，所述上定位卡盘11和下定位卡盘12中均设置有液(气)压缸19和伸缩顶杆20，所述液(气)压缸19与所述伸缩顶杆20配合连接，通过控制液(气)压缸19的压力可控制伸缩顶杆20顶出的力度。

在一种实施方式中，所述液(气)压缸指的是既可以是液压缸，也可以是气压缸。

在一种实施方式中，所述伸缩顶杆20的数量为3根或3根以上。

在一种更优的实施方式中，当导向杆数量为3根时，3根伸缩顶杆20之间互为120度夹角。

在一种实施方式中，所述伸缩顶杆20上设置有复位弹簧21，用于使得伸缩顶杆20顶出时，使桩身应变测试装置1保持在桩孔的中心。

在一种实施方式中，所述控制装置2包括压力提供装置22、控制管23、位移钢丝24、测量光缆25，所述控制管23的一端与所述动力提供装置连接，另一端与所述液(气)压缸19连接，所述位移钢丝24一端与位移测量装置3连接，另一端与所述桩身应变测试装置1连接，所述测量光缆25一端与FBG应变传感器15、FBG温度传感器16分别连接，另一端与应变温度测试仪4连接，所述压力提供装置22用于控制所述控制管23内的压力，所述控制管23还与所述锁定装置17连接，用于控制所述锁定装置17的开关。

在一种实施方式中，所述压力提供装置22包括依次连接的压力源224、减压阀223、电磁阀222和溢流阀221，所述溢流阀221与所述控制管23连接。

本发明还提供了一种桩身应力测试方法，应用于桩身应力测试系统，所述桩身应力测试方法包括：

放置桩身应变测试装置1；

读取FBG应变传感器15的初始值和FBG温度传感器16的初始值；

对桩身施加不同的荷载，并记录FBG应变传感器15和FBG温度传感器16在不同荷载下的读数，根据所述读数计算不同荷载下，桩身的应变量、桩身内力和桩侧单位摩阻力；

回收桩身应变测试装置1。

在一种实施方式中，所述所述放置桩身应变测试装置1包括：

清理桩身预留的桩孔，使桩孔通道上下畅通；

通过锁定装置17将桩身应变测试装置1中的中心导杆14锁定，测量上定位卡盘11和下定位卡盘12之间的距离L；

将预设数量的桩身应变测试装置1依次放入到预设的距离桩顶不同深度的截面中，所述截面概念上是一个截面，实际指的是长度为L_p的一段桩身，在距离桩顶的设定深度范围内选择一个截面作为标定截面，在标定截面中放置一个桩身应变测试装置1；

对每一个桩身应变测试装置1，通过压力提供装置22和控制管23增加液(气)压缸19内的压力，从而使定位卡盘中的伸缩顶杆20向桩孔内壁顶出，使得桩身应变测试装置1固定在桩身上；

对每一个桩身应变测试装置1，松开锁定装置17对中心导杆14的锁定，使得FBG应变传感器15随上定位卡盘11和下定位卡盘12之间的桩身段自由变形。

在一种优选的实施方式中，所述设定深度范围为距离桩身顶部1米以内的深度范围。

在一种实施方式中，所述读取在FBG应变传感器15的初始值和FBG温度传感器16的初始值，包括：

在桩身无荷载的状态下，测读每个桩身应变测试装置1中FBG应变传感器15的初始值和FBG温度传感器16的初始值其中，标定截面为第1个截面，i表示所述FBG应变传感器15位于从标定截面开始算起的第i个截面，j表示所述FBG应变传感器15为所述第i个截面的第j个应变传感器，j∈[1,J]，J为第i个截面中的桩身应变测试装置1所包含的FBG应变传感器15的总数。

在一种实施方式中，所述对桩身施加不同的荷载，并记录FBG应变传感器15和FBG温度传感器16在不同荷载下的读数，根据所述读数计算不同荷载下，桩身的应变量、桩身内力和桩侧单位摩阻力，包括：

对桩身施加预设的不同的各级荷载，并测读计算在所述各级荷载中，FBG应变传感器15的变形值和FBG温度传感器16的变形值其中，k表示各级荷载的编号，k大于等于1；

按照下述式子计算各FBG应变传感器15的应变量：

式中，表示在编号为k的荷载下，第i个截面的第j个FBG应变传感器15的应变量；表示第i个截面的第j个FBG应变传感器15的温度灵敏度；表示第i个截面的第j个FBG应变传感器15的应变灵敏度；表示第i个截面的FBG温度传感器16的温度灵敏度；第i个截面的第j个FBG应变传感器15的中心波长；表示第i个截面的FBG温度传感器16的中心波长；

按照下述式子计算桩身的应变量：

式中，表示在编号为k的荷载下，第i个截面的桩身应变量；b为FBG应变传感器15的标定长度；根据各级荷载下标定截面的各桩身应变量回归计算各桩身应变量对应弹性模量E_k；

根据下述公式计算桩身内力和桩侧单位摩阻力：

式中，表示在编号为k的荷载下，第i个截面处的桩身内力，f_i ^k表示在编号为k的荷载下，第i个截面处的桩侧单位摩阻力，A表示桩身截面面积，E_k表示在编号为k的荷载下的弹性模量，D表示桩身截面直径，Z_i表示第i个截面的中点和第i+1个截面的中点之间的距离。

在一种实施方式中，所述回收桩身应变测试装置1，包括：

通过锁定装置17将中心导杆14锁定，通过压力提供装置22和控制管23减少液(气)压缸19内的压力，从而使得伸缩顶杆20缩回，然后通过位移钢丝24向上回收各测试截面的桩身应变测试装置1。

本发明的有益效果为：

本发明应用范围广，可应用于：1)测定桩受到静载荷时不同截面处的桩身内力；2)测定桩端处桩端端阻力；3)配合特定采样设备，按照一定采样周期对桩身受力情况进行长期监测；4)根据不同截面桩身受荷变形情况判断桩身质量。

本发明无需预埋传感器或测管，将传感器安放到位后可直接进行测量，操作简便。

本发明可根据实际情况设置传感器数量或针对某一断面进行测量，灵活性较强。

本发明可根据测试需求加大上下卡盘之间的距离L(测量范围)，使测量结果更能反映桩身应变情况。

本发明测试后传感器可回收，减低了测试成本以及可实现对疑问数据的重复测量。

本发明伸缩顶杆20上设置有复位弹簧21，能使伸缩顶杆20顶出时桩身应变测试装置1保持在桩孔中心。

本发明采用FBG应变传感器15，一根光缆可同时设置多个应变传感器，分辨率可达1με、精度可达1pm；

本发明设置有FBG温度传感器16可修正因温度变化导致应变传感器波长变化以及因热胀冷缩造成桩身变形。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种桩身应力测试系统，其特征在于，所述包括桩身应变测试装置、控制装置、位移测量装置和应变温度测试仪；

所述控制装置与所述桩身应变测试装置连接，用于控制桩身应变测试装置在桩孔中的位置；

所述位移测量装置和应变温度测试仪均与所述桩身应变测试装置连接，所述位移测量装置用于测量桩身应变测试装置距离桩身顶部的距离变化量，所述应变温度测试仪用于从桩身应变测试装置读取记录应变值变化以及温度变化。

2.根据权利要求1所述的一种桩身应力测试系统，其特征在于，所述桩身应变测试装置包括：定位卡盘、导向杆、中心导杆、FBG应变传感器和FBG温度传感器；

所述定位卡盘包括上定位卡盘和下定位卡盘，所述导向杆和中心导杆的两端均分别连接上定位卡盘和下定位卡盘；所述FBG应变传感器设置在导向杆上，所述FBG温度传感器设置在中心导杆上。

3.根据权利要求2所述的一种桩身应力测试系统，其特征在于，所述导向杆由第一內杆和第一套管组成，所述第一套管套接于所述第一內杆外侧；所述中心导杆由第二内杆和第二套管组成，所述第二套管套接于所述第二内杆外侧；

所述中心导杆上设置有锁定装置，用于防止中心导杆在非测试状态时，第二套管和第二内杆之间发生轴向变形；

所述导向杆的內杆和套管上分别设置有一支座，所述支座与FBG应变传感器连接，以确保测试时两个支座与上定位卡盘和下定位卡盘一起同步位移；

所述中心导杆的两端分别连接上定位卡盘和下定位卡盘的中央。

4.根据权利要求2所述的一种桩身应力测试系统，其特征在于，所述上定位卡盘和下定位卡盘中均设置有液(气)压缸和伸缩顶杆，所述液(气)压缸与所述伸缩顶杆配合连接，通过控制液(气)压缸的压力可控制伸缩顶杆顶出的力度；

所述伸缩顶杆的数量为3根或3根以上；

所述伸缩顶杆上设置有复位弹簧，用于使得伸缩顶杆顶出时，使桩身应变测试装置保持在桩孔的中心。

5.根据权利要求4所述的一种桩身应力测试系统，其特征在于，所述控制装置包括压力提供装置、控制管、位移钢丝、测量光缆，所述控制管的一端与所述动力提供装置连接，另一端与所述液(气)压缸连接，所述位移钢丝一端与位移测量装置连接，另一端与所述桩身应变测试装置连接，所述测量光缆一端与FBG应变传感器、FBG温度传感器分别连接，另一端与应变温度测试仪连接，所述压力提供装置用于控制所述控制管内的压力，所述控制管还与所述锁定装置连接，用于控制所述锁定装置的开关。

6.一种桩身应力测试方法，应用于桩身应力测试系统，其特征在于，所述方法包括：

放置桩身应变测试装置；

读取FBG应变传感器的初始值和FBG温度传感器的初始值；

对桩身施加不同的荷载，并记录FBG应变传感器和FBG温度传感器在不同荷载下的读数，根据所述读数计算不同荷载下，桩身的应变量、桩身内力和桩侧单位摩阻力；

回收桩身应变测试装置。

7.根据权利要求6所述的一种桩身应力测试方法，其特征在于，所述放置桩身应变测试装置包括：

清理桩身预留的桩孔，使桩孔通道上下畅通；

通过锁定装置将桩身应变测试装置中的中心导杆锁定，测量上定位卡盘和下定位卡盘之间的距离L；

将预设数量的桩身应变测试装置依次放入到预设的距离桩顶不同深度的截面中，所述截面指的是长度为L_p的一段桩身，在距离桩顶的设定深度范围内选择一个截面作为标定截面，在标定截面中放置一个桩身应变测试装置；

对每一个桩身应变测试装置，通过压力提供装置和控制管增加液(气)压缸内的压力，从而使定位卡盘中的伸缩顶杆向桩孔内壁顶出，使得桩身应变测试装置固定在桩身上；

对每一个桩身应变测试装置，松开锁定装置对中心导杆的锁定，使得FBG应变传感器随上定位卡盘和下定位卡盘之间的桩身段自由变形。

8.根据权利要求6所述的一种桩身应力测试方法，其特征在于，所述读取在FBG应变传感器的初始值和FBG温度传感器的初始值，包括：

在桩身无荷载的状态下，测读每个桩身应变测试装置中FBG应变传感器的初始值和FBG温度传感器的初始值T_i ⁰，其中，标定截面为第1个截面，i表示所述FBG应变传感器位于从标定截面开始算起的第i个截面，j表示所述FBG应变传感器为所述第i个截面的第j个FBG应变传感器，j∈[1,J]，J为第i个截面中的桩身应变测试装置所包含的FBG应变传感器的总数。

9.根据权利要求6所述的一种桩身应力测试方法，其特征在于，所述对桩身施加不同的荷载，并记录FBG应变传感器和FBG温度传感器在不同荷载下的读数，根据所述读数计算不同荷载下，桩身的应变量、桩身内力和桩侧单位摩阻力，包括：

对桩身施加预设的不同的各级荷载，并测读计算在所述各级荷载中，FBG应变传感器的变形值和FBG温度传感器的变形值其中，k表示各级荷载的编号，k大于等于1；

按照下述式子计算各FBG应变传感器的应变量：

式中，表示在编号为k的荷载下，第i个截面的第j个FBG应变传感器的应变量；表示第i个截面的第j个FBG应变传感器的温度灵敏度；表示第i个截面的第j个FBG应变传感器的应变灵敏度；表示第i个截面的FBG温度传感器的温度灵敏度；第i个截面的第j个FBG应变传感器的中心波长；表示第i个截面的FBG温度传感器的中心波长；

按照下述式子计算桩身的应变量：

式中，表示在编号为k的荷载下，第i个截面的桩身应变量；b为FBG应变传感器的标定长度；根据各级荷载下标定截面的各桩身应变量回归计算各桩身应变量对应弹性模量E_k；

根据下述公式计算桩身内力和桩侧单位摩阻力：

式中，表示在编号为k的荷载下，第i个截面处的桩身内力，f_i ^k表示在编号为k的荷载下，第i个截面处的桩侧单位摩阻力，A表示桩身截面面积，E_k表示在编号为k的荷载下的弹性模量，D表示桩身截面直径，Z_i表示第i个截面的中点和第i+1个截面的中点之间的距离。

10.根据权利要求6所述的一种桩身应力测试方法，其特征在于，所述回收桩身应变测试装置，包括：

通过锁定装置将中心导杆锁定，通过压力提供装置和控制管减少液(气)压缸内的压力，从而使得伸缩顶杆缩回，然后通过位移钢丝向上回收各测试截面的桩身应变测试装置。