CN111254995A - 一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统及方法，适用于在实验室模拟处于地下桩基的受力状态及对桩基损伤的监测，也适用于现场建筑物桩基损伤的监测及评估。实验室条件下桩基的受载采用反力梁加载装置以模拟实际使用时桩基所受到的载荷作用，现场条件下桩基无须施加载荷，在被测桩基表面不同位置安装电极片，通过连接线采集电位信号，根据监测到的桩基表面电位信号变化评估出桩基的损伤情况，实现对桩基是否产生损伤、产生损伤的位置、损伤程度等判定及评估。本发明操作简单，检测效果好，可在不破坏桩基自身结构的条件下实现对深埋于地下桩基安全性的无损检测，并根据连续检测数据的变化规律评估桩基是否产生损伤及破坏。

Description

一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统及方法

技术领域

本发明属于桩基检测技术领域，尤其涉及一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统及方法。

背景技术

支盘桩具有承载力高、沉降小、施工机具简单等优点，是建筑物地基中的重要承载结构，桩基的稳定性及安全状态关系着整个建筑物的安危。支盘桩的优越性在大量的工程实践当中逐渐显现出来，但是同时桩基通常处于地下或者水下，目前对其稳定性及损伤程度的检测通常所用的是室外静载加载方法。

通常的桩基静载方法是通过在桩基上端架设平衡钢梁，然后在平衡钢梁上架设金属材质梁或者混凝土梁板组成一个承重平台。而现有的用于工程桩基检测的装置在进行使用时，由于现有技术用的是混凝土块来压载桩基上，使得吊运组装机拆卸成本高，吊装及检测试验过程存在严重的安全隐患，特别是使用大体积的混凝土块，因缺少有效保护，使得在实验过程中出现混凝土块滑落及压载体倒塌现象，造成检测人员伤亡等产生安全事故，同时还存在个组件安装拆卸、检测试验实施过程时间长等问题。此外，室外的反力梁静载试验通常用的是锚桩法，即在桩基的端头加一个反力梁，在反力梁下设置千斤顶底座，通过千斤顶提供的压力产生反力。但是实际操作过程中由于应力的增加，测试的桩基会对反力梁提供向上的拉拔力，造成锚桩的松动，通常锚桩的拉拔力极限无法满足桩基的静载需求，制约了反力梁静载试验的发展。

在对桩基检测的方法中，常用的是声波检测法，即在桩顶上面通过振锤敲击产生振动波，振动波通过周围的土层传送到桩基周围的传感器，根据声波传输的时间拐点判定桩基的破坏情况。但是当桩基周围阻抗差别较大的不均匀分层时，机械波的传输会存在传播速度的较大差异，从而造成时间拐点的误判，影响检测结果。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统及方法。根据混凝土桩基的表面电位产生机制及特征，通过电位信号的实时特征反映桩基的损伤破裂情况，可以在不破坏桩基完整性的基础上有效的对深埋地下的桩基进行实时的安全性监测及危险评价。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，包括支盘桩、电极片、加载装置、电位监测系统；所述加载装置包括千斤顶、反力梁、土体、加载箱体；所述电极片均匀布置在支盘桩表面，所述支盘桩位于加载箱体内部，并垂直于加载箱体底部放置，所述土体置于加载箱体内部，使支盘桩固定在加载箱体中并且土体高度低于支盘桩顶端；所述千斤顶的顶端在反力梁的下方，千斤顶的基底置于支盘桩顶端，千斤顶和支盘桩之间放置绝缘纸，千斤顶通过加载装置的反力梁将静载施加到支盘桩的顶端；所述反力梁与加载箱体固定连接，所述电极片通过电极连接线与电位监测系统相连。所述加装装置在实验室模拟使用，实际现场条件下桩基无须施加载荷，因此，现场不需要加载装置。

进一步地，在电极片和支盘桩接触面放置导电胶，以增强导电性。

进一步地，在电极片裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片，通过热熔胶将两者一并固定在支盘桩表面，热熔胶与支盘桩完全密闭接触。

进一步地，所述土体的颗粒粒径不超过30mm。

进一步地，所述千斤顶采用液压千斤顶，包括顶头，与顶头连接的油缸以及控制油缸的液控。

本发明所述检测系统工作原理如下：

实验室条件下，需要通过反力梁加载施加应力(或载荷)，将支盘桩表面电位变化趋势数应用于检测和评估地下桩基的完整性；首先，对桩基施加预应力，测得的支盘桩表面电位为正常沉降情况下桩基与土体摩擦产生的表面电位信号；预先施加的应力为正式加载过程中的电位信号的环境对照值，在正式的加载过程中，桩基与土体摩擦产生的表面电位的对照值作为干扰信号，不作为桩基稳定性评价的电位信号值。

本发明还提供了一种基于上述检测系统实现的基于电位信号的桩基无损实时检测试验方法，包括以下步骤：

步骤一，使用钢筋混凝土浇筑制作支盘桩，在支盘桩表面布置电极片，将支盘桩与经过筛选的土体固定，完成检测系统的连接；

步骤二，赋予支盘桩初始应力，采集支盘桩表面电位数据，将获取的支盘桩表面电位数据作为正常沉降情况下桩基与土体摩擦产生的摩擦效应的电位值；

步骤三，获得稳定的表面电位值后，赋予支盘桩静载应力，实时采集不同静载条件下的支盘桩表面电位数据；

步骤四，对支盘桩在受载过程中的电位信号的变化进行实时分析，当电位信号波动超过一定范围，表示桩基产生损坏；

步骤五，重复步骤三～步骤四，进一步改变静载值进行试验，试验结束后将支盘桩取出，对支盘桩表面不同电位通道的电位信号与桩基的破坏部分进行对应分析；对比监测到的支盘桩表面电位的变化曲线分析地下桩基的损坏情况。

进一步地，所述步骤一，按照标准配置混凝土，在预先制作好的模具中放入钢筋进行混凝土浇筑，制作得到支盘桩，将制作好的支盘桩养护n天；优选的，所述混凝土按照C40级别配置，骨料直径不超过10mm。

进一步地，所述步骤三，赋予支盘桩静载应力，实时采集不同静载条件下的支盘桩表面电位数据，其中每一级应力为1MPa，保持一分钟，然后增加1MPa继续施加应力，模拟不同静载条件下桩基的损伤情况，可以根据实验条件对静力分级进行调整。

本发明还提供了一种基于电位信号的现场桩基无损实时检测方法，具体如下：

结合现场检测的实际条件，在被检测桩基的不同部位的外表面粘贴带有一定长度的连接线的电极片；电极片和桩基接触面放置导电胶，以增强导电性；在电极片裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片及其与连接线的焊点，并通过热熔胶将两者一并固定在支盘桩表面，且热熔胶与桩基完全密闭接触，防止水分进入到电极片内，影响测试效果；通过电极连接线，将电极片与电位监测系统相连，实现基于电位信号的现场桩基实时监测；最后根据监测到的桩基表面电位信号变化规律评估出被测桩基的稳定性及损伤情况，包括是否产生损伤及破坏、产生损伤的位置、损伤程度。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

本发明的基于电位信号的桩基无损实时检测系统及方法，通过在实验室中利用反力梁加载装置，支盘桩的静载通过反力梁作用于加载装置的箱体，避免了锚桩松动的试验弊端；利用桩基受载破坏过程中的表面电位特性，进行接触式的表面电位监测，可以实时监测桩基的稳定性变化，可以适应室内外复杂的地质环境，在不破坏桩基完整性的前提下对桩基进行危险性评价及临灾预警。

本发明可在室内模拟不同静载梯度条件下的支盘桩受力情况，也可以直接应用于室外现场桩基，实时监测桩基的稳定性及破坏情况；同时可以根据试验现象随时调整静载的应力梯度或者可以根据现场桩基的受载实际情况，进一步实现了表面电位变化曲线对桩基的损伤情况实时监测，为桩基的失稳特征分析及致灾危险预警提供可靠依据。

附图说明

图1为本发明的组成结构及工作示意图；

图2为本发明使用的反力梁装置主视图；

图3为本发明使用的静力加载千斤顶示意图；

图4为本发明使用的预制支盘桩外观图；

图5为本发明使用的预制支盘桩截面图；

附图标记说明：1-反力梁，2-加载箱体，3-顶头，4-油缸，5-液控，6-支盘桩，7-电极片，8-支盘，9-钢筋，10-电位监测系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，如图1所示，包括支盘桩6、电极片7、加载装置、电位监测系统10；所述加载装置包括千斤顶、反力梁1、土体、加载箱体2。

所述电极片7均匀布置在支盘桩6表面，所述支盘桩6位于加载箱体2内部，并垂直于加载箱体2底部放置，所述土体置于加载箱体2内部，使支盘桩6固定在加载箱体2中并且土体高度低于支盘桩6顶端。

所述千斤顶的顶端在反力梁1的下方，千斤顶的基底置于支盘桩6顶端，千斤顶和支盘桩6之间放置绝缘纸，千斤顶通过加载装置的反力梁1将静载施加到支盘桩6的顶端；所述反力梁1与加载箱体2固定连接，所述电极片7通过电极连接线与电位监测系统10相连。

在电极片7和支盘桩6接触面放置导电胶，以增强导电性。在电极片7裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片7，通过热熔胶将电极片7和绝缘垫片一并固定在支盘桩6表面，热熔胶与支盘桩6完全密闭接触。所述土体的颗粒粒径不超过30mm。所述千斤顶采用液压千斤顶，包括顶头3，与顶头3连接的油缸4以及控制油缸4的液控5。

本发明所述检测系统工作原理如下：

通过反力梁1加载施加应力，将支盘桩6表面电位变化趋势数应用于检测地下桩基的完整性；首先，对桩基施加预应力，测得的支盘桩6表面电位为正常沉降情况下桩基与土体摩擦产生的表面电位信号；预先施加的应力为正式加载过程中的电位信号的环境对照值，在正式的加载过程中，桩基与土体摩擦产生的表面电位的对照值作为干扰信号，不作为桩基稳定性评价的电位信号值。

本发明还提供了一种基于上述检测系统实现的基于电位信号的桩基无损实时检测试验方法，包括以下步骤：

步骤一，按照标准配置混凝土，在预先制作好的模具中放入钢筋9进行混凝土浇筑，制作得到支盘桩6，截面如图5所示；将制作好的支盘桩6养护28天，试验备用；所述混凝土按照C40级别配置，骨料直径不超过10mm；在支盘桩6表面均匀布置电极片7，布置位置如图4所示，并在电极片7和桩身之间放入导电胶，以增强导电性，在电极片7裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片7，用热熔胶将电极片7和绝缘垫片一并固定在支盘桩6表面；

选取试验所需的泥土，对泥土的颗粒进行筛选，土体颗粒的粒径控制在30mm以内；将筛选好的土体铺在如图2所示的加载箱体2的底部，放入准备好的预制支盘桩6；将支盘桩6与经过筛选的土体固定；随后加入准备好的泥土并且在加入泥土的过程中将泥土打实；支盘桩6顶端放置如图3所示的施加静载的千斤顶，千斤顶和桩基之间放置绝缘纸，千斤顶通过加载装置的反力梁1将静载施加到桩基的顶端，通过桩身向下传递。

步骤二，支盘桩6封存完成后，手动加载千斤顶，赋予支盘桩6初始应力，采集支盘桩6表面电位数据，将获取的支盘桩6表面电位数据作为正常沉降情况下桩基与土体摩擦产生的摩擦效应的电位值。

步骤三，获得稳定的表面电位值后，手动加载千斤顶，赋予支盘桩6静载应力，同时启动电位监测系统10，实时采集不同静载条件下的支盘桩6表面电位数据；其中每一级应力为1MPa，保持一分钟，然后增加1MPa继续施加应力，模拟不同静载条件下桩基的损伤情况，可以根据实验条件对静力分级进行调整。

步骤四，对支盘桩6在受载过程中的电位信号的变化进行实时分析，当电位信号波动超过一定范围，表示桩基产生损坏。

步骤五，重复步骤三～步骤四，进一步改变静载值进行试验，试验结束后将支盘桩6取出，对表面不同电位通道的电位信号与桩基的破坏部分进行对应分析；对比监测到的支盘桩6表面电位的变化曲线分析地下桩基的损坏情况。

本发明还提供了一种基于电位信号的现场桩基无损实时检测方法，具体如下：

结合现场检测的实际条件，在被检测桩基的不同部位的外表面粘贴带有一定长度的连接线的电极片；电极片和桩基接触面放置导电胶，以增强导电性；在电极片裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片及其与连接线的焊点，并通过热熔胶将两者一并固定在桩基表面，且热熔胶与桩基完全密闭接触，防止水分进入到电极片内，影响测试效果；通过电极连接线，将电极片与电位监测系统相连，实现基于电位信号的现场桩基实时监测；最后根据监测到的桩基表面电位信号变化规律评估出被测桩基的稳定性及损伤情况，包括是否产生损伤及破坏、产生损伤的位置、损伤程度。

本发明可在室内模拟桩基所受的不同静载水平，也可以直接应用于室外现场桩基，同时可以根据试验现象随时调整静载的应力梯度或者可以根据现场桩基的受载实际情况，进一步实现了表面电位变化曲线对桩基的损伤情况实时监测，为桩基的失稳特征分析及致灾危险预警提供可靠依据。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，其特征在于：包括支盘桩、电极片、加载装置、电位监测系统；所述加载装置包括千斤顶、反力梁、土体、加载箱体；所述电极片均匀布置在支盘桩表面，所述支盘桩位于加载箱体内部，并垂直于加载箱体底部放置，所述土体置于加载箱体内部，使支盘桩固定在加载箱体中并且土体高度低于支盘桩顶端；所述千斤顶的顶端在反力梁的下方，千斤顶的基底置于支盘桩顶端，千斤顶和支盘桩之间放置绝缘纸，千斤顶通过加载装置的反力梁将静载施加到支盘桩的顶端；所述反力梁与加载箱体固定连接，所述电极片通过电极连接线与电位监测系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，其特征在于：在电极片和支盘桩接触面放置导电胶。

3.根据权利要求1所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，其特征在于：在电极片裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片，通过热熔胶将两者一并固定在支盘桩表面，热熔胶与支盘桩完全密闭接触。

4.根据权利要求1所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，其特征在于：所述土体的颗粒粒径不超过30mm。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测系统，其特征在于：所述千斤顶采用液压千斤顶，包括顶头，与顶头连接的油缸以及控制油缸的液控。

6.基于权利要求1所述的检测系统实现的一种基于电位信号的桩基无损实时检测试验方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一，使用钢筋混凝土浇筑制作支盘桩，在支盘桩表面布置电极片，将支盘桩与经过筛选的土体固定，完成检测系统的连接；

步骤二，赋予支盘桩初始应力，采集支盘桩表面电位数据，将获取的支盘桩表面电位数据作为正常沉降情况下桩基与土体摩擦产生的摩擦效应的电位值；

步骤三，获得稳定的表面电位值后，赋予支盘桩静载应力，实时采集不同静载条件下的支盘桩表面电位数据；

步骤四，对支盘桩在受载过程中的电位信号的变化进行实时分析，当电位信号波动超过一定范围，表示桩基产生损坏；

步骤五，重复步骤三～步骤四，进一步改变静载值进行试验，试验结束后将支盘桩取出，对支盘桩表面不同电位通道的电位信号与桩基的破坏部分进行对应分析；对比监测到的支盘桩表面电位的变化曲线分析地下桩基的损坏情况。

7.根据权利要求6所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测试验方法，其特征在于：所述步骤一，按照标准配置混凝土，在预先制作好的模具中放入钢筋进行混凝土浇筑，制作得到支盘桩，将制作好的支盘桩养护n天；所述混凝土按照C40级别配置，骨料直径不超过10mm。

8.根据权利要求6或7所述的一种基于电位信号的桩基无损实时检测试验方法，其特征在于：所述步骤三，赋予支盘桩静载应力，实时采集不同静载条件下的支盘桩表面电位数据，其中每一级应力为1MPa，保持一分钟，然后增加1MPa继续施加应力，模拟不同静载条件下桩基的损伤情况，根据实验条件对静力分级进行调整。

9.一种基于电位信号的桩基无损实时检测方法，其特征在于：具体实施步骤如下：

结合现场检测的实际条件，在被检测桩基的不同部位的外表面粘贴带有一定长度的连接线的电极片；电极片和桩基接触面放置导电胶；在电极片裸露的外表面覆盖绝缘垫片，绝缘垫片完全覆盖电极片及其与连接线的焊点，并通过热熔胶将两者一并固定在桩基表面，且热熔胶与桩基完全密闭接触；通过电极连接线，将电极片与电位监测系统相连，实现基于电位信号的现场桩基实时监测；最后根据监测到的桩基表面电位信号变化规律评估出被测桩基的稳定性及损伤情况，包括是否产生损伤及破坏、产生损伤的位置、损伤程度。

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