CN111189774A - 一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置及测定方法，包括外筒、内筒、内筒荷载传感器和应变测试系统，所述应变测试系统包括应变片和内筒荷载传感器；在所述外筒内设置所述内筒，在内筒顶部外筒内设有内筒荷载传感器，在外筒外侧和内筒内侧布设应变片；所述的内筒为外径略小于外筒内径的两端开口圆筒，内筒上部通过内筒荷载传感器紧抵外筒的筒盖板，使得内筒处于轴向预荷载状态。本发明装置可实现大管径钢管桩的桩内和桩外侧摩擦阻力和桩端部承载力的精确测定，定量精确研究桩内土塞效应。

Description

一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及桩基测试技术，尤其涉及一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置及测定方法。

背景技术

钢管桩基础广泛应用于海上风电、港口码头、桥梁等工程中，钢管桩基础具有单桩承载力高、水平抗弯性能好、施工简单、对环境扰动小等优点。随着海洋油气和风能资源开发力度的加大，钢管桩基础的桩径和埋深也随之不断增加。钢管桩基础为开口桩，在沉桩过程中部分土体会挤入桩内形成土塞，土塞会对管桩内壁产生内阻力而形成的土塞效应。土塞效应实际上是桩内土体对管桩的内摩擦阻力。当前管桩摩擦阻力的测试只能测定管桩外摩擦阻力及分布，无法对管桩内摩擦阻力进行测定。有效准确的测定管桩内摩擦阻力是深入研究土塞效应及管桩承载能力的重要手段。

专利CN203908924U公布了一种桩周土侧摩擦力检测装置，该装置通过提升两个半圆筒状的加载片测定管桩与桩周围的侧摩擦阻力，这种方法在测试时已经改变了管桩与桩周土的接触状态，测得的桩周土侧摩擦力准确性无法保证；此外，也无法测量管桩轴向的应力分布状态。专利ZL201410077507.7提供了一种能量桩桩-土接触面摩擦力测试装置及测试方法。该方法通过混凝土桩试样内预埋的传热管连接到桩试样温度循环控制系统，混凝土桩试样顶端通过传力杆连接到加载系统，传力杆上设置有应力传感器和位移传感器，密封压力室上的进水口和出水口连接到压力室温度循环控制系统，桩试样和压力室温度循环控制系统均由密闭容器、抽水泵和温度计组成。该方法利用温度循环控制系统将桩体和土体温度控制在设计值内，通过应力传感器和位移传感器测得能量桩桩-土接触面的摩擦力。目前的管桩-土体侧摩擦阻力测定装置都无法完成管桩内摩擦阻力的测定。因此，研制一种适用于钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置既是科学研究急需的试验手段，也是工程现场所需要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，可以同时测定钢管桩桩内和桩外侧摩擦阻力的大小及分布，能够更加明确开口管桩的土塞效应。本发明的目的是这样实现的：

一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，其特征在于包括外筒、内筒、内筒荷载传感器和应变测试系统，所述应变测试系统包括应变片和内筒荷载传感器；

在所述外筒内设置所述内筒，在内筒顶部外筒内设有内筒荷载传感器，在外筒外侧和内筒内侧布设应变片；

所述的外筒包括内径略大于内筒外径的筒身，外筒筒身顶部设有筒盖板；筒盖板可以对内筒施加荷载，并限制内筒向上的位移；

由内筒和外筒构成的钢管桩桩身设有刃脚；

所述的内筒为外径略小于外筒内径的两端开口圆筒，内筒上部通过内筒荷载传感器紧抵外筒的筒盖板，使得内筒处于轴向预荷载状态。

进一步地，所述刃脚设置在外筒的底部，内筒底部紧抵刃脚。

进一步地，所述外筒外侧和内筒内侧沿轴向等间隔设置多个应变片。

进一步地，所述等间隔设置的多个应变片构成一列，沿筒的周向，外筒外侧和内筒内侧贴有多列应变片，外筒外侧的多列应变片之间，相对应的应变片大致处于同一高度，内筒内侧的多列应变片之间，相对应的应变片大致处于同一高度，这样，可以平均同一段的各个应变片所测得的应变量而获得该段的应变量计算值，有助于获得更准确的摩擦阻力。

进一步地，外筒的应变片和内筒的应变片与应变采集仪相连，内筒荷载传感器与数据采集卡相连；计算机与数据采集卡连接。

以上进一步的技术方案也可组合使用。

本发明的另一个目的是提供一种根据上述的钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置测定钢管桩桩内和桩外侧摩擦阻力的方法，其特征在于：

将贴有应变片、带有内筒荷载传感器的钢管桩桩身通过对筒盖板施加载荷而打入土体；

所述外筒、内筒分别等间距分为若干段，在每段中间位置处设置应变片，通过贴在各段桩身的应变片获得内筒和外筒的各段应变量，由内筒和外筒的各段应变量按公式(1)获得钢管桩各段的桩内轴力

Q_i＝ε_i*E*A_i (1)

Q_i—第i段桩身轴力；ε_i—第i段应变值；E—桩身材料的弹性模量，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的桩身材料的弹性模量，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的桩身材料的弹性模量；A_i—第i段的桩身横截环形面积，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的第i段的横截面积，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的第i段的横截面积。

由内筒和外筒的各段轴力按公式(2)获得钢管桩各段的桩内侧摩擦阻力和桩外侧摩擦阻力，并获得摩擦阻力的分布；

f_i—第i段桩身侧摩擦阻力；Δε_i—第i段与第i+1段的应变差值；R—桩身半径，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的外径，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的内径；Δt—桩身圆筒壁厚，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的壁厚，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的壁厚；Δh—在高度方向上，相邻两个应变片之间的高度差。

进一步地：根据获得的钢管桩各段的桩内侧摩擦阻力和桩外侧摩擦阻力，由公式(3)获钢管桩端部承载力：

F_end—作用于管桩端部承载力；F_总—作用于管桩的总荷载；

—内筒总荷载，为内部荷载传感器的测量值；

—外筒的第i段外侧摩擦阻力，由式(1)计算得出；

—内筒的第i段内侧摩擦阻力，由式(1)计算得出；

—外筒第i段的桩身外表面积；

—内筒第i段的桩身内表面积；f_end—桩底的端部承载阻力；A_end—桩底的总横截环形面积；

—外筒第i段的重力；

—内筒第i段的重力。

本发明装置采用双层筒结构，外筒和内筒受到侧摩擦阻力后发生的应变相互不干扰，可以独立测量相应侧摩擦阻力，具有很高独立性。

本发明装置的内筒顶部设有内部荷载传感器可以精确测量内筒受到的总荷载，也可验证测得的应变值的准确性，提高测试结果的可靠性。

本发明装置的外筒和内筒在轴向上布设应变片可以监测筒身的应变变化，进而计算出筒身的侧摩擦阻力的分布情况，尤其是钢管桩内部侧摩擦阻力的分布。

本发明装置可实现大管径钢管桩的桩内和桩外侧摩擦阻力和桩端部承载力的精确测定，定量精确研究桩内土塞效应。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图；

图2是本发明外管的穿线孔示意图；

图3是本发明装置整体受力分布原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，外筒1、内筒2、内筒荷载传感器3和应变测试系统4，在外筒1内设有内筒2，在内筒2顶部外筒1内设有内筒荷载传感器3，在外筒1外侧和内筒2内侧布设应变片。

所述的外筒1包括内径略大于内筒2外径的筒身12，外筒筒身12底部设有刃脚11，筒身12顶部设有筒盖板13，在筒身12上部设有长圆孔14用于引出内部荷载传感器3和内筒应变片42的信号线；刃脚11可以便于插入土体；筒盖板13可以对内筒施加预荷载，并限制内筒2向上的位移。

所述的内筒2为外径略小于外筒1内径的两端开口圆筒，内筒2在安装筒盖板13前可以在外筒1内自由上下滑动，使用润滑剂减小摩擦，其受到的摩擦力很小可以忽略；刃脚11具有向内的突出结构，而使得刃脚具有更高的强度，且内筒2底部能紧抵外筒1的刃脚11，内筒2上部通过内筒荷载传感器3紧抵筒盖板13，使得内筒2处于轴向预荷载状态。

所述的应变测试系统4包括，外筒应变片41、内筒应变片42、应变采集仪43、数据采集卡5和计算机6。外筒应变片41沿外筒1轴向等间隔粘贴在外筒1外侧，外筒1四周粘贴多列应变片，测量外筒1轴向应变大小进而计算出外筒1受到的桩外摩擦阻力；内筒应变片42沿内筒2轴向等间隔粘贴在内筒2内部，并粘贴多列应变片，测量内筒2的轴向应变大小进而计算出内筒2受到的桩内摩擦阻力；应变测试仪43与外筒应变片41和内筒应变片42相连接，测量外筒1和内筒2的应变；数据采集卡5与应变测试仪4-3和内部荷载传感器3相连接；计算机6与数据采集卡5连接，记录和存储内筒2的总荷载、内筒2和外筒1的应变。

结合图3，由筒身应变计算筒身侧摩擦阻力的计算方法为：

f—桩身第i段侧摩阻力；Δε_i—第i+1段与第i段应变差值，系统测得；E—桩身材料的弹性模量，是筒身材料系数，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的桩身材料的弹性模量，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的桩身材料的弹性模量；A_i—第i段的桩身横截环形面积，由筒身尺寸计算得出，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的第i段的横截环形面积，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的第i段的横截环形面积；Δt—桩身圆筒壁厚，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的壁厚，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的壁厚；Δh—桩身第i段与第i+1段的高度差，也即高度方向上，相邻两个应变片之间的距离。由内筒每段的应变值可以计算出内筒每段的侧摩擦阻力，即钢管桩桩内侧摩擦阻力的分布。由外筒每段的应变值可以计算出外筒每段的侧摩擦阻力，即钢管桩桩外侧摩擦阻力的分布。

管桩端部承载力计算方法为：

F_end—作用于管桩端部承载力；F_总—作用于管桩的总荷载，由外部加载系统的直接测量；

—内筒总荷载，内部荷载传感器的测量值；

—外筒的第i段外侧摩擦阻力，由式(1)计算得出；

—内筒的第i段内侧摩擦阻力，由式(1)计算得出；

—外筒第i段的桩身面积，计算得出；

—内筒第i段的桩身面积，计算得出；f_end—桩底的端部承载阻力，由式(2)计算得出；A_end—桩底的总横截环形面积，也即内筒环形的横截面积和外筒环形的横截面积之和，计算得出；

—外筒第i段的重力，计算得出；

—内筒第i段的重力，计算得出。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的结构类型或技术方案进行修改或者替换，但都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，其特征在于包括外筒、内筒、内筒荷载传感器和应变测试系统，所述应变测试系统包括应变片和内筒荷载传感器；

在所述外筒内设置所述内筒，在内筒顶部外筒内设有内筒荷载传感器，在外筒外侧和内筒内侧布设应变片；

所述的外筒包括内径略大于内筒外径的筒身，外筒筒身顶部设有筒盖板；筒盖板可以对内筒施加荷载，并限制内筒向上的位移；

由内筒和外筒构成的钢管桩桩身设有刃脚；

所述的内筒为外径略小于外筒内径的两端开口圆筒，内筒上部通过内筒荷载传感器紧抵外筒的筒盖板，使得内筒处于轴向预荷载状态。

2.如权利要求1所述的一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，其特征在于所述刃脚设置在外筒的底部，内筒底部紧抵刃脚。

3.如权利要求1所述的一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，其特征在于所述外筒外侧和内筒内侧沿轴向等间隔设置多个应变片。

4.如权利要求1所述的一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，其特征在于所述等间隔设置的多个应变片构成一列，沿筒的周向，外筒外侧和内筒内侧贴有多列应变片，外筒外侧的多列应变片之间，相对应的应变片大致处于同一高度，内筒内侧的多列应变片之间，相对应的应变片大致处于同一高度。

5.如权利要求1所述的一种钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置，其特征在于外筒的应变片和内筒的应变片与应变采集仪相连，内筒荷载传感器与数据采集卡相连；计算机与数据采集卡连接。

6.权利要求3所述钢管桩桩内侧摩擦阻力测定装置测定钢管桩桩内和桩外侧摩擦阻力的方法，其特征在于：

将贴有应变片、带有内筒荷载传感器的钢管桩桩身通过对筒盖板施加载荷而打入土体；

所述外筒、内筒分别等间距分为若干段，在每段中间位置处设置应变片，通过各个应变片获得内筒和外筒的各段应变量，由内筒和外筒的各段应变量按公式(1)获得钢管桩各段的桩内轴力

Q_i＝ε_i*E*A_i (1)

Q_i—第i段桩身轴力；ε_i—第i段应变值；E—桩身材料的弹性模量，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的桩身材料的弹性模量，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的桩身材料的弹性模量；A_i—第i段的桩身横截环形面积，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的第i段的横截面积，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的第i段的横截面积。

由内筒和外筒的各段轴力按公式(2)获得钢管桩各段的桩内侧摩擦阻力和桩外侧摩擦阻力，并获得摩擦阻力的分布；

f_i—第i段桩身侧摩擦阻力；Δε_i—第i段与第i+1段的应变差值；R—桩身半径，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的外径，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的内径；Δt—桩身圆筒壁厚，当计算桩外侧摩阻力时，为外筒的壁厚，当计算桩内侧摩阻力时，为内筒的壁厚；Δh—在高度方向上，相邻两个应变片之间的高度差。

7.权利要求6所述的方法，其特征在于：根据获得的钢管桩各段的桩内侧摩擦阻力和桩外侧摩擦阻力，由公式(3)获钢管桩端部承载力：

F_end—作用于管桩端部承载力；F_总—作用于管桩的总荷载；

—内筒总荷载，为内部荷载传感器的测量值；

—外筒的第i段外侧摩擦阻力，由式(1)计算得出；

—内筒的第i段内侧摩擦阻力，由式(1)计算得出；

—外筒第i段的桩身外表面积；

—内筒第i段的桩身内表面积；f_end—桩底的端部承载阻力；A_end—桩底的总横截环形面积；

—外筒第i段的重力；

—内筒第i段的重力。

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