CN110528601A - 基于高应变的phc-钢管组合桩单桩承载力检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高应变的PHC‑钢管组合桩单桩承载力检测装置及方法，PHC‑钢管组合桩上部是PHC管桩，下部是钢管桩，中间设有拼接装置，下部钢管桩底部设置钢桩尖；所述的单桩承载力检测方法包括瞬时激振系统，高应变检测系统、数据信号采集系统和数据处理系统。所述的高应变法是通过在桩顶施加一定的瞬时锤击力，使得桩的全部静摩阻力被激发出，测得桩的速度响应信号，从而根据高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式确定出单桩的承载力。本发明解决PHC‑钢管组合桩这种上部下部桩的种类、材料不同的基桩类型的单桩承载力检测问题。

Description

基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程桩基承载力检测领域，具体涉及一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测装置及方法。

背景技术

桩基础由于其适应性强、承载力高、稳定性好、沉降量小且均匀、施工方便等特点，越来越多的应用于码头、道路交通，海上平台等建设，为了适应不同的实际情况，桩的种类、形式也越来越多样化。单桩竖向承载力作为桩基础设计时的重要考虑项，其检测方法也在不断进步。

目前，常用的静载法和高应变法能够检测桩的承载能力。静载试验法是最直接、可靠也是较为古老的一种方法，但是所需要的费用较高，而且检测所需的时间周期比较长；高应变法原理是波动理论，利用重锤在桩顶处进行轰击，在距离桩顶一段距离处进行结果提取，而后根据提取到的结果进行一系列复杂的计算，从而得到力和速度时程曲线图，最后再通过计算确定基桩承载力。

高应变法检测桩基承载力属于动测法的一种，动测法对于桩基承载力的检测是依据桩身的阻抗。普通的单一材料的桩，其桩身阻抗在桩体的整个长度上是基本一致的，但是PHC-钢管组合桩完全不同于一般常规桩型，实际上是两种桩拼接而成，上下两段直径、密度不同，波阻抗也明显不同，它是一种非标准桩，难以按照规范教条地进行测桩和评定。

桩基承载力是桩基设计的关键问题，其能否合格直接关系到工程的安全。虽然利用高应变法检测基桩承载力已有研究，但较多的是针对桩身几何和材料性质没有变化的桩，目前国内外针对PHC-钢管组合桩这种特殊桩型动测法的相关报道相对较少，对PHC-钢管组合桩动测法的研究也较少，PHC-钢管组合桩的单桩承载力的检测方法，至今没有系统的研究。因此，PHC-钢管组合桩单桩承载力检测是一项亟需解决的关键问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测装置及方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测装置，所述的组合桩包括位于上端的PHC管桩和位于下端的钢管桩，通过位于中间的拼接装置连接在一起，所述的检测装置安装在PHC管桩上，包括：瞬时激振系统，通过在桩顶处进行轰击以产生在PHC-钢管组合桩中传输的应力波；高应变检测系统，安装在测试点处，包括冲击力传感器和冲击力响应传感器，分别用于采集重锤轰击后桩中应力波信号和速度响应信号；数据采集系统，与高应变检测传感器相连，用来采集速度响应信号；和数据处理系统，与高应变检测仪器相连。

应用该检测装置进行检测，所述的检测过程包括以下步骤：

步骤1，确定测试点的位置，在测试点处安装高应变检测传感器并完成所述的承载力检测装置的连接工作；

步骤2，在PHC管桩顶部进行轰击，产生在PHC-钢管组合桩中传输的应力波；

步骤3，高应变检测传感器检测应力波信号与速度响应信号，并将信号传输至高应变检测仪器记录下来，最后传输至数据处理系统进行处理；

步骤4，所述的数据处理系统根据采集的数据分析应力波在PHC-钢管中传输过程中的速度变化，并根据高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式计算桩基单桩承载力。

作为本发明的进一步改进，所述的测试点位于距桩顶1.5～2倍桩径处。

作为本发明的进一步改进，所述的冲击力传感器和所述的冲击力响应传感器安装在同一高度。

作为本发明的进一步改进，步骤2中，所述的PHC管桩在重锤的轰击下贯入度大小为2-6mm。

作为本发明的进一步改进，所述的数据处理系统根据所采集的数据得到速度时程图，在一个周期内的速度波形变化顺次对应于以下四个峰值：

第一个速度峰，对应于在桩顶施加瞬时激振后到达传感器的初始速度；

第二个速度峰，对应于应力波到达PHC管桩与钢管桩连接处的速度，速度方向与初始速度同相；

第三个速度峰，对应于应力波到达钢管桩桩底速度，速度方向与连接处的速度同相；

第四个速度峰，为反射波从钢管桩传到PHC管桩，速度方向与第三速度峰相反。

作为本发明的进一步改进，分析单桩承载力具体包括以下过程：

首先，通过CASE法计算上行波和下行波并得到上行波和下行波曲线图，

上行波：

下行波：

之后用高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式来计算单桩承载力，规定向上方向为正方向，向下为负方向，公式为：

其中，J_c为CASE阻尼系数，t₁为初始速度峰值时刻，选为对应t₁时刻的下行波的峰值，而t₂对应于一个周期结束的时刻，选为对应t₂时刻的上行波的峰值，Z为PHC-钢管组合桩的阻抗。

作为本发明的进一步改进，步骤4中还包括对PHC-钢管组合桩的阻抗的分析，首先分别分析PHC管桩的阻抗Z₁和钢管桩的阻抗Z₂，公式如下：

Z₁＝ρ₁c₁A₁

Z₂＝ρ₂c₂A₂

之后综合PHC管桩、钢管桩的长度和PHC-钢管组合桩的总长度，分别为L₁、L₂、L，根据以下公式得到PHC-钢管组合桩的阻抗；

本发明的有益效果：本发明基于高应变法，通过在桩顶施加一定的瞬时锤击力，使得桩的全部静摩阻力被激发出，测得桩的速度响应信号，从而根据高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式确定出单桩的承载力。采用本发明中的方法能够解决PHC-钢管组合桩这种上部下部桩的种类、材料不同的基桩类型的单桩承载力检测问题。

附图说明

图1为本发明实施例中PHC-钢管组合桩单桩承载力检测装置及方法示意图；

图2为本发明实施例中检测方法系统示意框图；

图3为本发明一个具体实施例的力、速度时程图；

图4为本发明一个具体实施例的上行波、下行波曲线图；

图中：1、PHC管桩；2、拼接装置；3、钢管桩；4、冲击力传感器；5、冲击力响应传感器；6、高应变检测仪器；7、数据处理系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，PHC-钢管组合桩的上部为PHC管桩1，下部为钢管桩3，二者通过拼接装置2拼接起来。所设置的单桩承载力检测包括瞬时激振系统、高应变检测传感器，高应变检测仪器6和数据处理系统。其中，所述的瞬时激振系统为用于采用如重锤这样的重物在桩顶处完成瞬间的轰击以产生在PHC-钢管组合桩中传输的应力波。所述的高应变检测传感器由冲击力传感器4和冲击力响应传感器5组成，安装在PHC管桩1外侧，两者处于同一高度，分别用于采集重锤轰击后桩中应力波信号和速度响应信号。在本发明的一种实施例中，所述的冲击力传感器4采用的是BX1000-6AA芯片，所述的冲击力响应传感器5采用的是BHF1000-2FG芯片，两者通过导线与高应变检测仪器6连接，所述的高应变检测仪器6又通过导线连接至数据处理系统7，即计算机系统，所述的数据处理系统7通过对高应变检测仪器6输入的信号进行分析得到PHC-钢管组合桩单桩承载力。

如图2所示，对PHC-钢管组合桩单桩承载力检测的具体过程如下：

步骤1，确定测试点位置，在测试点处设置高应变检测传感器，包括冲击力传感器4和冲击力响应传感器5，并通过导线连接到高应变检测仪器6，高应变检测仪器也通过导线与计算机系统7相连；

步骤2，在PHC管桩顶用重锤轰击；

步骤3，高应变检测传感器4和5检测桩顶锤击作用下桩的的应力波信号与速度响应信号，并将信号传输至高应变检测仪器6记录下来，最后通过数据处理系统7的分析处理得到速度时程图；

步骤4，所述的数据处理系统根据所采集的数据先分析PHC-钢管组合桩的阻抗，之后根据高应变CASE法分析单桩极限承载力的RSP公式计算桩基单桩承载力。

其中，步骤1中所述的确定测试点位置，一般在距桩顶1.5～2倍桩径处，以便减少应力集中引起的偏心影响。

进一步的，所述的在PHC管桩1顶用重锤轰击产生瞬时激振，要求桩顶冲击力达到使桩-土产生足够大的相对位移程度，当用贯入度表征时，要求贯入度介于2～6mm之间，以充分激发桩侧阻力和桩端阻力；瞬时激振产生的脉冲力为一应力波信号，应力波从桩顶沿桩身往桩底传播，在传播过程中，在PHC管桩1和钢管桩3连接处由于桩身截面的几何和材料性质发生变化，则应力波将在该界面处将发生反射和透射，反射部分的波将传回桩顶。

如图3所示的通过数据处理系统7处理得到的速度时程图，其在一个周期内的速度波形变化规律为：第一个速度峰为在桩顶施加瞬时激振后到达传感器的初始速度，第二个速度峰为PHC管桩1与钢管桩3连接处的速度，此时是从阻抗大的PHC管桩1传到阻抗小的钢管桩3，速度与初始速度同相，反应在曲线上就出现类似“缩颈”现象；第三个峰为钢管桩3桩底速度，由钢管桩3到阻抗为0的桩底后进行反射，此时速度与连接处的速度同相；第四个峰为反射波从钢管桩3传到PHC管桩1，是由阻抗小传到阻抗大的桩，因此第四个速度峰与第三个速度峰反向；由于应力波在PHC管桩1与钢管桩3连接处消耗了一定的能量，当应力波传到桩底的时候的速度幅值比初始速度峰值要小；如图3所示，展示了本发明一个具体实施例的速度时程图。

由此可以看出应力波在不同材料中的传播速度不同，不同材料的阻抗也不同，故对于PHC-钢管组合桩的阻抗需要先分析PHC管桩1和钢管桩3各自的阻抗，公式如下：

Z₁＝ρ₁c₁A₁

Z₂＝ρ₂c₂A₂

其中，将PHC-钢管组合桩的桩身当作是分段匀质弹性杆件；c₁，c₂分别为应力波在PHC管桩1和钢管桩3中的传播速度，m/s；E₁、E₂分别为PHC管桩1和钢管桩3的弹性模量，MPa；ρ₁、ρ₂分别为PHC管桩1和钢管桩3的桩身密度，kg/m³；A₁、A₂分别为PHC管桩1和钢管桩3的断面面积，m²；Z₁，Z₂分别为PHC管桩1和钢管桩3的阻抗，kg/s；

考虑到PHC-钢管组合桩上下阻抗不同，为计算其阻抗，用以下公式：

其中，L₁，L₂，L分别为上部PHC管桩1的长度，下部钢管桩3的长度，PHC-钢管组合桩的总长，m；Z为PHC-钢管组合桩的阻抗，kg/s。

之后根据高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式计算桩基单桩承载力，具体为：

首先，通过CASE法计算上行波和下行波并得到上行波和下行波曲线图，

上行波：

下行波：

如图4所示，展示了本发明一个具体实施例的上行波和下行波曲线图；

然后，用高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式来计算单桩承载力，规定向上方向为正方向，向下为负方向，公式为：

其中，为t₁时刻的力与速度值；为t₂时刻的力与速度值；J_c为CASE阻尼系数，Z为PHC-钢管组合桩的阻抗；一般情况下t₁选为初始速度峰值时刻，选为对应t₁时刻的下行波的峰值，而t₂选为一个周期结束的时刻，选为对应t₂时刻的上行波的峰值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测装置，所述的组合桩包括位于上端的PHC管桩和位于下端的钢管桩，通过位于中间的拼接装置连接在一起，所述的检测装置安装在PHC管桩上，其特征在于，包括：

瞬时激振系统，通过在桩顶处进行轰击以产生在PHC-钢管组合桩中传输的应力波；

高应变检测系统，安装在测试点处，包括冲击力传感器和冲击力响应传感器，分别用于采集重锤轰击后桩中应力波信号和速度响应信号；

数据采集系统，与高应变检测传感器相连，用来采集速度响应信号；

和数据处理系统，与高应变检测仪器相连。

2.一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：应用权利要求1所述的检测装置进行检测，所述的检测过程包括以下步骤：

步骤1，确定测试点的位置，在测试点处安装高应变检测传感器并完成所述的承载力检测装置的连接工作；

步骤2，在PHC管桩顶部进行轰击，产生在PHC-钢管组合桩中传输的应力波；

步骤3，高应变检测传感器检测应力波信号与速度响应信号，并将信号传输至高应变检测仪器记录下来，最后传输至数据处理系统进行处理；

步骤4，所述的数据处理系统根据采集的数据分析应力波在PHC-钢管中传输过程中的速度变化，并根据高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式计算桩基单桩承载力。

3.根据权利要求2所述的一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：所述的测试点位于距桩顶1.5～2倍桩径处。

4.根据权利要求2或3所述的一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：所述的冲击力传感器和所述的冲击力响应传感器安装在同一高度。

5.根据权利要求2所述的一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：步骤2中，所述的PHC管桩在重锤的轰击下贯入度大小为2-6mm。

6.根据权利要求2所述的一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：所述的数据处理系统根据所采集的数据得到速度时程图，在一个周期内的速度波形变化顺次对应于以下四个峰值：

第一个速度峰，对应于在桩顶施加瞬时激振后到达传感器的初始速度；

第二个速度峰，对应于应力波到达PHC管桩与钢管桩连接处的速度，速度方向与初始速度同相；

第三个速度峰，对应于应力波到达钢管桩桩底速度，速度方向与连接处的速度同相；

第四个速度峰，为反射波从钢管桩传到PHC管桩，速度方向与第三速度峰相反。

7.根据权利要求2所述的一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：分析单桩承载力具体包括以下过程：

首先，通过CASE法计算上行波和下行波并得到上行波和下行波曲线图，

上行波：

下行波：

之后用高应变CASE法检测单桩极限承载力的RSP公式来计算单桩承载力，规定向上方向为正方向，向下为负方向，公式为：

其中，J_c为CASE阻尼系数，t₁为初始速度峰值时刻，选为对应t₁时刻的下行波的峰值，而t₂对应于一个周期结束的时刻，选为对应t₂时刻的上行波的峰值，Z为PHC-钢管组合桩的阻抗。

8.根据权利要求2或7所述的一种基于高应变的PHC-钢管组合桩单桩承载力检测方法，其特征在于：步骤4中还包括对PHC-钢管组合桩的阻抗的分析，首先分别分析PHC管桩的阻抗Z₁和钢管桩的阻抗Z₂，公式如下：

Z₁＝ρ₁c₁A₁

Z₂＝ρ₂c₂A₂

之后综合PHC管桩、钢管桩的长度和PHC-钢管组合桩的总长度，分别为L₁、L₂、L，根据以下公式得到PHC-钢管组合桩的阻抗；