CN111535375B - 一种桩基水平承载力检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桩基水平承载力检测系统，包括两个半桩结构的试验桩，所述的两个半桩的桩顶之间安装有一个反力加载装置，所述的反力加载装置中安装有提供水平向荷载的加压装置，加压装置由千斤顶组成；反力加载装置用于在加压装置提供的水平荷载的作用下对试验桩的两个半桩分级加载，使半桩分别向两边土体倾斜变形；并在两个半桩之间自上而下每隔一段距离安装用于测量两个半桩向两边偏移的程度的双向水平位移计。本发明通过确定单桩水平承载力特征值和桩土相互作用关系，为基桩水平承载力设计提供依据，保证水平受荷桩的安全。反力加载装置从中间加压时，可分别对两边半桩施压，相当于同时检测两根桩的水平承载力，本检测装置有较高的推广价值。

Description

一种桩基水平承载力检测系统和方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，具体涉及一种桩基水平承载力检测系统和方法。

背景技术

桩基作为基础使用已经有很多年，国内外很多学者做了大量的研究，桩基础与其他基础相比具有很高的竖向刚度和较强的竖向抗压承载力。长期以来，人们一直偏重于将桩作为一种纯粹的抗压构件使用。随着经济发展，建筑行业迅猛发展，各种高层和超高层建筑拔地而起，越来越多的海洋工程投入使用，其上部结构时常受到诸如较大的风荷载、波浪荷载、轮船车辆撞击荷载等水平荷载的作用，由于以往对桩基水平承载力的忽视，造成了不少工程事故，因此工程界越来越重视对桩基水平荷载的控制。为更好地进行桩基水平承载力的设计，需事先进行桩基现场水平承载力测试。

目前国内外对桩基水平承载力的测试主要是在工程现场打入多根试验桩，通过大量的反力装置对试验桩施加水平荷载，观察试验桩的变形破坏情况。为了能给试验桩提供足够大的水平反力，在测试一根试验桩的同时需另外打入多根反力桩。此类方法的缺点显而易见，第一，需要为反力桩、反力装置提供较大的试验场地；第二，大量使用反力桩、反力装置，测试成本很高；第三，由于桩基础在使用过程中承受的水平荷载除了上部结构由于风荷载等作用提供的水平反力，还有部分由于周围土体堆载卸载等原因产生的水平荷载变化，而目前常规的桩基水平承载力检测方法，其水平荷载作用点一般只能作用于桩基地面以上部位，不能完全模拟实际工程中水平荷载情况；第四，由于现有方法水平荷载作用点位置较单一，造成桩身受力面积较小，局部压强过大，桩基自由端易出现折断、破损的现象，导致检测试验失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种桩基水平承载力检测系统和方法，通过确定单桩水平承载力特征值和桩土相互作用关系，为基桩水平承载力设计提供依据，保证水平受荷桩的安全。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种桩基水平承载力检测系统，包括两个半桩结构的试验桩，所述的两个半桩的桩顶之间安装有一个反力加载装置，所述的反力加载装置中安装有提供水平向荷载的加压装置，所述的加压装置由千斤顶组成；所述的反力加载装置用于在加压装置提供的水平荷载的作用下对试验桩的两个半桩分级加载，使半桩分别向两边土体倾斜变形；并在两个半桩之间自上而下每隔一段距离安装用于测量两个半桩向两边偏移的程度的双向水平位移计。

所述的反力加载装置为可伸缩的正方形钢盒，包括内盒和外盒，所述的内盒通过弹簧结构套于外盒中，所述正方形钢盒上设有线路预留孔；在正方形钢盒内布置若干个千斤顶，所述千斤顶的高度与反力加载装置相同，当千斤顶开始加载时伸长使反力加载装置的内盒和外盒两部分分开，分别顶向两边的半桩；正方形钢盒有两个作用，一是保护千斤顶不被混凝土破坏，而是分散千斤顶施加的水平荷载，增大面积，减小局部压强。

进一步的，在两个半桩顶部非固定连接的布置有桩顶基准梁装置，在桩顶基准梁装置上设有位移计。

进一步的，所述的半桩为半圆形或半椭圆形，两个半桩分别使用箍筋和纵筋绑扎形成钢筋笼，钢筋笼内浇筑混凝土；两个半桩的钢筋笼互相独立，在两个半桩的各自最外侧纵筋、内侧中心纵筋上从上至下每隔一段距离布置一个钢筋计。

进一步的，在布置钢筋计的纵筋一侧设有第一空心管道，用于布置钢筋计线路，将钢筋计的检测结果传回地面数据采集系统。

进一步的，两个半桩的钢筋笼均与中间的反力加载装置焊接；在反力加载装置旁预留第二空心管道，用于油压设备线路的布置。

进一步的，在半桩的钢筋笼与中间的反力加载装置间焊接K形钢板，K形钢板的竖边位于钢筋笼与反力加载装置之间，K形钢板的两个斜边位于半桩的截面上。

进一步的，双向水平位移计的外周设有可伸缩外壳，在双向水平位移计的可伸缩外壳与钢筋笼相应位置间焊接连接钢板；在连接钢板旁预留第三空心管道，用于布置双向水平位移计线路，将检测结果传回地面数据采集系统。

进一步的，在两个半桩的底部配置有能够包住两个半桩的桩头，在桩顶配置有包住两个半桩的带盖套筒。

所述的桩基水平承载力检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)试验桩设计；根据试验需要，设计半桩中间双向水平位移计的位置和两个半桩最外侧纵向钢筋、内侧中心纵向钢筋上钢筋计的位置；

2)制作钢筋笼；使用箍筋和纵筋绑扎好两个半桩的钢筋笼，根据步骤1)的设计在两个半桩最外侧纵向钢筋、内侧中心纵向钢筋上对应点布置钢筋计，在预留的第一空心管道布置钢筋计线路；在桩顶反力加载装置的对应位置将纵筋、箍筋以及K形钢板焊接，在反力加载装置旁预留的第二空心管道布置油压设备线路；在两半桩中间对应位置布置双向水平位移计，用于测量两边半桩的水平位移，在位移计作用位置两侧分别焊接连接钢板，在预留的第三空心管道，布置双向水平位移计线路；都焊接好后待用；

3)试验桩就位；

预制桩施工：将步骤2)焊接好的钢筋笼在地面上进行混凝土浇筑，待混凝土达到强度后运至现场，静力压桩；静力压桩时，用桩头将两个半桩包住，桩顶用带盖套筒包住，保证两边半桩同步下沉，形成预制桩；

灌注桩施工：先在桩位钻孔，将步骤2)焊接好的钢筋笼下放到指定位置后，再浇筑混凝土，形成灌注桩，待达到强度开始试验；

4)开始测试；通过对反力加载装置进行分级加载，同时记录每级荷载下，钢筋计、位移计读数，绘制荷载-位移曲线，荷载-应力曲线，桩身弯矩图，获得桩基水平承载力测试结果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

因水平受荷桩的水平承载力和变形主要取决于桩径、桩长和桩身抗弯刚度EI值，此处用半桩代替全桩，相同直径、桩长的半桩和全桩在受水平荷载产生偏移时与土体接触面积是相等的，因此考虑用同直径、同桩长的半桩代替全桩，并将其设计成与全桩相同的EI值，可有效降低试验成本，提高试验效率。本发明的桩基水平承载力检测装置无需另设反力装置，采用两根半桩互为反力装置，整个试验装置简单，成本低；水平荷载作用位置可根据工程实际情况沿桩身上下随意变化，更符合桩基在使用过程中的实际受力情况；可多点施加水平荷载，防止桩身局部压强过大导致试验失败；考虑实际试验时全桩也是仅有桩身一半作用于土体，本检测装置将桩从中间一分为二，反力加载装置从中间加压时，可分别对两边半桩施压，相当于同时检测两根桩的水平承载力，本检测装置有较高的推广价值。

附图说明

图1：本发明的桩基水平承载力检测系统的结构示意图。

图2：半桩结构俯视结构示意图。

图3：纵筋及钢筋计结构示意图。

图4：桩基水平承载力检测系统的透视结构示意图。

图5：K形钢板处的试验桩剖视结构示意图。

图6：双向水平位移计处的试验桩剖视结构示意图。

图7：反力加载装置的结构示意图。

图8：试验桩整体结构示意图。

图中：1-半桩结构，2-反力加载装置，3-加压装置，4-双向水平位移计，5-桩顶基准梁装置，6-位移计，7-箍筋，8-纵筋，9-钢筋计，10-第一空心管道，11-第二空心管道，12-K形钢板，13-第三空心管道，14-桩头，15-带盖套筒，16-可伸缩外壳，17-内盒，18-外盒，19-千斤顶，20-线路预留孔。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

一种桩基水平承载力检测系统，包括两个半桩结构1的试验桩，所述的两个半桩的桩顶之间安装有一个反力加载装置2，所述的反力加载装置2中安装有提供水平向荷载的加压装置3，所述的加压装置3由千斤顶19组成；所述的反力加载装置2用于在加压装置3提供的水平荷载的作用下对试验桩的两个半桩分级加载，使半桩分别向两边土体倾斜变形；并在两个半桩之间自上而下每隔一段距离安装用于测量两个半桩向两边偏移的程度的双向水平位移计4。

所述的反力加载装置2为可伸缩的正方形钢盒，包括内盒17和外盒18，所述的内盒17通过弹簧结构套于外盒18中，所述正方形钢盒上设有线路预留孔20；在正方形钢盒内布置若干个千斤顶19，所述千斤顶19的高度与反力加载装置2相同，当千斤顶19开始加载时伸长使反力加载装置2的内盒17和外盒18两部分分开，分别顶向两边的半桩；正方形钢盒有两个作用，一是保护千斤顶19不被混凝土破坏，而是分散千斤顶19施加的水平荷载，增大面积，减小局部压强。

在两个半桩顶部非固定连接的布置有桩顶基准梁装置5，在桩顶基准梁装置5上设有位移计6。

所述的半桩为半圆形或半椭圆形，两个半桩分别使用箍筋7和纵筋8绑扎形成钢筋笼，钢筋笼内浇筑混凝土；两个半桩的钢筋笼互相独立，在两个半桩的各自最外侧纵筋8和内侧中心纵筋8上从上至下每隔一段距离布置一个钢筋计9。

在布置钢筋计9的纵筋8一侧设有第一空心管道10，用于布置钢筋计9线路，将钢筋计9的检测结果传回地面数据采集系统。

两个半桩的钢筋笼均与中间的反力加载装置2焊接；在反力加载装置2旁预留第二空心管道11，用于油压设备线路的布置。

在半桩的钢筋笼与中间的反力加载装置2间焊接K形钢板12，K形钢板12的竖边位于钢筋笼与反力加载装置2之间，K形钢板12的两个斜边位于半桩的截面上。

双向水平位移计4的外周设有可伸缩外壳16，在双向水平位移计6的可伸缩外壳16与钢筋笼相应位置间焊接连接钢板；在连接钢板旁预留第三空心管道13，用于布置双向水平位移计4线路，将检测结果传回地面数据采集系统。

在两个半桩的底部配置有能够包住两个半桩的桩头14，在桩顶配置有包住两个半桩的带盖套筒15。

所述的桩基水平承载力检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)试验桩设计；根据试验需要，设计半桩中间双向水平位移计4的位置和两个半桩最外侧纵向钢筋8、内侧中心纵向钢筋8上钢筋计9的位置；

2)制作钢筋笼；使用箍筋7和纵筋8绑扎好两个半桩的钢筋笼，根据步骤1)的设计在两个半桩最外侧钢筋8和内侧中心纵筋8上对应点布置钢筋计9，在预留的第一空心管道10布置钢筋计9线路；在桩顶反力加载装置2的对应位置将纵筋8、箍筋7以及K形钢板焊接，在反力加载装置2旁预留的第二空心管道11布置油压设备线路；在两半桩中间对应位置布置双向水平位移计4，用于测量两边半桩的水平位移，在位移计6作用位置两侧分别焊接连接钢板，在预留的第三空心管道13，布置双向水平位移计4线路；都焊接好后待用；

3)试验桩就位；

预制桩施工：将步骤2)焊接好的钢筋笼在地面上进行混凝土浇筑，待混凝土达到强度后运至现场，静力压桩；静力压桩时，用桩头14将两个半桩包住，桩顶用带盖套筒15包住，保证两边半桩同步下沉，形成预制桩；

灌注桩施工：先在桩位钻孔，将步骤2)焊接好的钢筋笼下放到指定位置后，再浇筑混凝土，形成灌注桩，待达到强度开始试验；

4)开始测试；通过对反力加载装置2进行分级加载，同时记录每级荷载下，钢筋计9、位移计6读数，绘制荷载-位移曲线，荷载-应力曲线，桩身弯矩图，获得桩基水平承载力测试结果。

桩顶位移可以直接通过内置位移计6测量，也可以通过桩顶基准梁装置5利用位移计6测量。半桩为半圆形或半椭圆形均可，半椭圆形是考虑桩身刚度可更大。

通过在半桩的最外侧纵向钢筋上由上至下根据设计要求布置钢筋计9，通过测得的桩身不同位置的应力，利用相关公式获得桩身弯矩图。具体见图2。

两边半桩的钢筋笼通过中间的加载装置简单焊接，形成整体，周围浇筑混凝土，待加载装置开始加压，半桩中间混凝土开始开裂，待混凝土完全分开后，则相当于对左右两根试桩进行检测，见图4；

水平荷载加载装置与钢筋笼连接方式见图5，在试验桩上有加载装置位置纵筋8与箍筋7局部焊接，同时在此局部位置焊接一块K形钢板12，用于提高局部压强；

双向水平位移计4与钢筋笼连接方式见图6，双向水平位移计4外面设计一个可伸缩外壳16，用于保护位移计6，又不影响位移计6的变化，同时在此部位钢筋笼上局部焊接一块小薄钢板，保证位移计6能顶到钢板上，提高试验精度；

预制桩为便于压桩设置桩垂直护筒，为保证两个半桩在压桩过程中不发生错动，设置桩底特制桩头14，包住两个半桩。由于工程桩多为弹性长桩，水平荷载作用下桩底一般不会发生位移，因此即使桩端有特制桩头14包住，也不会引起测试结果的较大误差。

作为进一步的改进，对于钻孔灌注桩，可考虑在半桩中间设开洞钢板，方便两边半桩分开；将桩顶反力加载装置2改为动力室，如用化学试剂引爆，模拟船舶撞击等偶然荷载。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：包括两个半桩结构的试验桩，所述的两个半桩的桩顶之间安装有一个反力加载装置，所述的反力加载装置中安装有提供水平向荷载的加压装置，所述的加压装置由千斤顶组成；所述的反力加载装置用于在加压装置提供的水平荷载的作用下对试验桩的两个半桩分级加载，使半桩分别向两边土体倾斜变形；并在两个半桩之间自上而下每隔一段距离安装用于测量两个半桩向两边偏移的程度的双向水平位移计；所述的反力加载装置为可伸缩的正方形钢盒，包括内盒和外盒，所述的内盒通过弹簧结构套于外盒中，所述正方形钢盒上设有线路预留孔；在正方形钢盒内布置若干个千斤顶，所述千斤顶的高度与反力加载装置相同，当千斤顶开始加载时伸长使反力加载装置的内盒和外盒两部分分开，分别顶向两边的半桩。

2.根据权利要求1所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：在两个半桩顶部非固定连接的布置有桩顶基准梁装置，在桩顶基准梁装置上设有位移计。

3.根据权利要求1所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：所述的半桩为半圆形或半椭圆形，两个半桩分别使用箍筋和纵筋绑扎形成钢筋笼，钢筋笼内浇筑混凝土；两个半桩的钢筋笼互相独立，在两个半桩的各自最外侧纵筋、内侧中心纵筋上从上至下每隔一段距离布置一个钢筋计。

4.根据权利要求3所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：在布置钢筋计的纵筋一侧设有第一空心管道，用于布置钢筋计线路，将钢筋计的检测结果传回地面数据采集系统。

5.根据权利要求4所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：两个半桩的钢筋笼均与中间的反力加载装置焊接；在反力加载装置旁预留第二空心管道，用于油压设备线路的布置。

6.根据权利要求5所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：在半桩的钢筋笼与中间的反力加载装置间焊接K形钢板，K形钢板的竖边位于钢筋笼与反力加载装置之间，K形钢板的两个斜边位于半桩的截面上。

7.根据权利要求6所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：双向水平位移计的外周设有可伸缩外壳，在双向水平位移计的可伸缩外壳与钢筋笼相应位置间焊接连接钢板；在连接钢板旁预留第三空心管道，用于布置双向水平位移计线路，将检测结果传回地面数据采集系统。

8.根据权利要求7所述的一种桩基水平承载力检测系统，其特征在于：在两个半桩的底部配置有能够包住两个半桩的桩头，在桩顶配置有包住两个半桩的带盖套筒。

9.根据权利要求8所述的桩基水平承载力检测系统的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)试验桩设计；根据试验需要，设计半桩中间双向水平位移计的位置和两个半桩最外侧纵向钢筋、以及内侧中心纵筋上钢筋计的位置；

2)制作钢筋笼；使用箍筋和纵筋绑扎好两个半桩的钢筋笼，根据步骤1)的设计在两个半桩最外侧钢筋、以及内侧中心纵筋上对应点布置钢筋计，在预留的第一空心管道布置钢筋计线路；在桩顶反力加载装置的对应位置将纵筋、箍筋以及K形钢板焊接，在反力加载装置旁预留的第二空心管道布置油压设备线路；在两半桩中间对应位置布置双向水平位移计，用于测量两边半桩的水平位移，在位移计作用位置两侧分别焊接连接钢板，在预留的第三空心管道，布置双向水平位移计线路；都焊接好后待用；

3)试验桩就位；

预制桩施工：将步骤2)焊接好的钢筋笼在地面上进行混凝土浇筑，待混凝土达到强度后运至现场，静力压桩；静力压桩时，用桩头将两个半桩包住，桩顶用带盖套筒包住，保证两边半桩同步下沉，形成预制桩；

灌注桩施工：先在桩位钻孔，将步骤2)焊接好的钢筋笼下放到指定位置后，再浇筑混凝土，形成灌注桩，待达到强度开始试验；

开始测试；通过对反力加载装置进行分级加载，同时记录每级荷载下，钢筋计、位移计读数，绘制荷载-位移曲线，荷载-应力曲线，桩身弯矩图，获得桩基水平承载力测试结果。

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