CN111576504B - 基于光纤应变的phc桩身内力测试方法及光纤布设方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法及光纤布设方法，包括准备阶段、预埋打桩阶段：在所述PHC桩上铺设分布式光纤传感器，并将所述PHC桩打入相应的预设地点中；测量阶段：利用光纤应变分析仪对所述PHC桩的加卸载进行测试；内力计算阶段：通过获取到的光纤的轴向压应变数据，分别计算桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩；和检测结果数据分析：分别对每根所述PHC桩的桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩的数据进行分析，确定桩身轴力与桩身侧摩阻力随深度分布，以及桩端阻力、桩身侧摩阻力及桩身弯矩随桩顶荷载的变化规律；本测试方法测试过程清晰有序，光纤布设合理，获得的数据正确性高，能够为场地施工提供可靠的数据及理论依据。

Description

基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法及光纤布设方法

技术领域

本发明涉及到桩基施工检测测试领域，具体涉及到基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法及光纤布设方法。

背景技术

基桩是工程建设中常用的地基处理方法，它不仅仅承担竖向荷载，且往往承担水平荷载。近些年来，PHC管桩(即预应力高强度混凝土管桩)以其优异的承载性能、低廉的造价以及生产、施工速度快等特点在高层建筑、道路、桥梁、港口、码头等工程中得到了广泛的应用。作为上部结构荷载与底层基础之间的传递介质，基桩的安全性和适用性对于整个工程的重要性是不言而喻的，而对桩身应力、应变的检测又是评价基桩安全性与适用性非常关键的一环。因此，研究PHC管桩在竖向荷载、水平荷载的受力传递机理和结构损伤之间的规律具有十分重要的意义。

如中国发明专利申请(公开号：CN102936903A)在2013年公开了一种PHC管桩试桩应力、应变检测的方法，具有放样、切槽、连线、放线、测试、固定走线、配胶、检测等步骤；该检测方法能够使用于简单的管桩应力、应变测试，但是其测量的准确性和有效性不高；主要是其光纤布设合理不够合理，和光纤保护不够，光纤容易损坏和产生波动。

而且随着高层建筑的快速发展，管桩深度越来越深，在较长的桩孔中需要多段管桩进行对接，对于多段管桩的对接，光纤的布置也十分重要，操作不当容易造成光纤损坏。

另外，在现有的测试方法中，缺少规范化的数据测试过程和数据分析方法，检测的应力应变值不能够很好的反映出管桩的受力、承载性能，对于后续的施工缺乏准确而有效的指导，实际参考的意义有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法及光纤布设方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，所述测试方法包括如下步骤：

步骤一，准备阶段：选取若干PHC桩，对每根所述PHC桩进行编号，并记录相应的PHC桩试验参数；确定每根所述PHC桩的预设地点及所述PHC桩的打桩顺序；选取和准备光纤、光纤传感器和光纤应变分析仪；

步骤二，预埋打桩阶段：在所述PHC桩上铺设分布式光纤传感器，并将所述PHC桩打入相应的预设地点中；

步骤三，测量阶段：利用光纤应变分析仪对所述PHC桩的加卸载进行测试，每级荷载下测试时间选在位移观测判断稳定后进行，采集结束后方可加、卸下一级荷载，每次采集时间3～6分钟；得到若干组光纤的轴向压应变数据；

步骤四，内力计算阶段：通过获取到的光纤的轴向压应变数据，分别计算桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩，并将制作相应的应变曲线、桩身Q-S曲线和方波图；

步骤五，检测结果数据分析：分别对每根所述PHC桩的桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩的数据进行分析，确定桩身轴力与桩身侧摩阻力随深度分布，以及桩端阻力、桩身侧摩阻力及桩身弯矩随桩顶荷载的变化规律。

本测试方法通过预先铺设的分布式光纤传感器进行桩身应力、应变测试，能够获得试验桩在竖向荷载和水平荷载作用下，桩身阻力、桩身轴力及其分布规律，获得最大弯距深度等参数，有利于确定施工所在区域工程桩的施工工艺、成桩质量和施工方案的可行性；测试过程清晰有序，光纤布设合理，获得的数据正确性高，能够为场地施工提供可靠的数据及理论依据。

进一步的，每根所述PHC桩均由上桩、中桩和下桩拼接而成；所述PHC桩记录的试验参数包括桩径、桩长、混凝土强度、桩顶标高、入土深度和有效测试长度，以及所述PHC桩的桩身混凝土的弹性模量。

预先将每根所述PHC桩的相关参数准备好，有利于快速设计试验方案，在数据计算和整理阶段，参数的取值能够随时调用，提升数据分析效率。

进一步的，每根所述PHC桩的所述弹性模量根据混凝土的标号及配筋率查询相关规范、结合所述PHC桩的桩头附近测得的应变值作适当修正而确定。

通过每根所述PHC桩的实际情况，对所述弹性模量进行修正，能够获取更加准确的计算数据，使计算结果更加贴近实际。

进一步的，在所述步骤二中，所述光纤的出线部位离所述PHC桩的桩顶1～1.5m，所述PHC桩的桩顶距泥面(地面)位置为0.3～0.6m，所述PHC桩的桩身下部光纤布设安装位置距桩底为0.5～1m。

进一步的，在所述桩身轴力的计算过程中，将测得的各级荷载下的应变值与初始应变值做差得出桩身的各级荷载下附加应变值，所述附加应变值与桩身混凝土的弹性模量相乘等出桩身各截面的应力值，应力值再与桩身截面积来修正出所述桩身轴力，得出轴力分布。

进一步的，所述桩身侧摩阻力按土层进行计算，在同一土层的桩身上取代表其段内大体趋势的一小段，得到两个横截面，利用所述桩身轴力的计算方法得出两截面上的轴力值，轴力值之差与该段内桩周边面积之比为所述桩身侧摩阻力，所述桩身侧摩阻力值以土层为界限以方波形式表达在图上。

本测试方法中，采用基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术-BOFDA(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis)。BOFDA技术是通过测试复杂的基带传输函数来推算布里渊散射光频移，该基带函数和沿光纤相向传输的泵浦光和斯托克斯光的振幅有关。布里渊散射光频移同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线全程的温度和应变分布信息。

布里渊频移与光纤应变之间的线性关系，线性关系的斜率取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前对其进行标定，以提高测试的准确性。

具体的计算过程如下：

将测得的所述光纤的轴向压应变数据记为ε(Z)，在静载压力下，所述光纤的轴向变形与所述PHC桩的桩身混凝土轴向变形一致，所述PHC桩的桩身混凝的压应变也为ε(Z)，

则桩身压力σ(Z)为：σ(Z)＝ε(Z)·E_c

则桩身轴力Q(Z)为：Q(Z)＝σ(Z)·A

由桩的载荷传递基本微分方程，计算桩身侧分布摩阻力q_s(Z)

其中，A为所述PHC桩的桩身截面面积，U为所述PHC桩的桩身周长，ΔQ(Z)为某土层内桩身两截面间轴力变化量，ΔZ为该土层内桩身两截面间深度差，Δε为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量，E为所述PHC桩的桩身混凝土的弹性模量，弹性模量E根据混凝土的标号及配筋率查询相关规范结合桩头附近测得的应变值作适当修正而确定。

进一步的，所述光纤采用0.6～1mm的应变传感光纤，在每根所述PHC桩的桩身上中心对称的设置两条或四条所述光纤。

由于桩体在静载过程中存在一定的偏心荷载及挠曲，其桩身表现出对称性的应力应变差异，因此利用同截面两条光纤或者四条光纤的应变数据的平均值作为实际计算值效果更好。

进一步的，所述PHC桩在测试过程中承载竖向载荷和水平载荷，将所述PHC桩平均分为两组，分别进行抗压试验和水平试验；载荷范围为1000KN～5500KN，按照每500KN为一级进行递增；所述PHC桩所处的地层包括淤泥质粉质粘土层、粘土层、粉质粘土层、粉细砂层；所述测试方法中对每层地层逐级载荷下的所述桩身轴力、所述桩身侧摩阻力以及所述桩身弯矩分别进行计算和记录。

采用这种分层分级和分类的方法，能够尽可能的反映出试桩在地面下的受力状态，能够确定试桩的各种内力的临界点和变化点，有利于后期施工工艺的设计，在确保安全和可靠性的前提下完成地面设施的建立。

进一步的，一种用于PHC桩身内力测试方法的光纤布设方法，所述光纤采用十字对称方式沿所述PHC桩的管身上下布设，布设方法如下：

(1)表面开槽：在所述PHC桩预制时，用切割机对称的切割出宽2～4mm、深2～4mm的走线槽，清理干净待用；

(2)布线填胶：将所述光纤预拉后固定与所述走线槽中并使所述光纤紧贴所述走线槽的槽底，将调制好的环氧树脂胶回填至槽中；用热风枪将所述环氧树脂胶修整平整，12小时后，所述环氧树脂胶完全固化后方可移动所述PHC桩以铺设另一面；

其中，所述光纤预拉后将两端分别绑扎在所述走线槽两端的所述PHC桩的端部，所述环氧树脂胶固化后松开绑扎；

(3)引线保护：将所述光纤的引线固定保护以防止打桩过程中的破坏，铺设完成24小时以后方可将预制的所述PHC桩打入预设地点中；

(4)接桩处理：待多段所述PHC桩的下桩沉桩完成后，将中桩或上桩吊起、对齐，将上、中、下多节所述PHC桩的光纤分别熔接，保护好放入桩身内部，并在缺口出补填环氧树脂胶。

进一步的，在所述布线填胶的步骤中，所述光纤的两端分别绑扎在销钉上，所述光纤预拉后将所述销钉分别插入所述PHC桩的端部的销孔或圆孔中保持预拉状态，待所述环氧树脂胶完全固化后松开并拔除所述销钉；

在所述引线保护的步骤中，将所述引线通过软布和钢丝网覆盖并系住；当需要熔接或者与通信接口连接时，依次打开所述钢丝网和所述软布即可；

在所述接桩处理的步骤中，上、中、下三段桩身对接时，每根桩身上的所述走线槽一一对应并对其，将多段桩身紧固后进行光纤的熔接，光纤熔接后补填环氧树脂胶并进行数分钟的烘干，随后一同打入地下。

通过上述方法能够牢固而稳定的将光纤嵌入所述PHC桩的桩身上，避免光纤在打桩过程中受到损伤或独自移动，光纤始终以拉紧的状态贴合在所述PHC桩的外圆周上，能够跟随所述PHC桩变形和移动，使得所述光纤的应变与所述PHC桩的应变基本相同，一致性高；而且对光纤头部及引线进行保护，在施工间隙和待工过程中引线不受损坏，有利于测试时接线；而且本方法能够适用于较深需要多段桩拼接的工程中，在多段桩拼接的同时完成光纤的熔接，并确保光纤的拉伸状态，以及对熔接部分的光纤进行保护和回位，确保光纤的完整性、连续性和有效性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本测试方法通过预先铺设的分布式光纤传感器进行桩身应力、应变测试，能够获得试验桩在竖向荷载和水平荷载作用下，桩身阻力、桩身轴力及其分布规律，获得最大弯距深度等参数，有利于确定施工所在区域工程桩的施工工艺、成桩质量和施工方案的可行性；测试过程清晰有序，光纤布设合理，获得的数据正确性高，能够为场地施工提供可靠的数据及理论依据；2、根据本产生方法所得的光纤应变数据与所述PHC桩的应变一致性高，通过该数据即可准确计算桩身的各项内力，计算方法简单、准确性好；3、采用分层、分级和分类的方法，能够尽可能的反映出试桩在地面下的受力状态，能够确定试桩的各种内力的临界点和变化点，有利于后期施工工艺的设计，在确保安全和可靠性的前提下完成地面设施的建立；4、光纤布设方法能够牢固而稳定的将光纤嵌入所述PHC桩的桩身上，避免光纤在打桩过程中受到损伤或独自移动；而且能够解决多段桩身拼接时光纤布设的问题；5、充分的对光纤头部及引线进行保护，在施工间隙和待工过程中引线不受损坏，避免了光纤出现故障而导致试验失败。

附图说明

图1为本发明桩身轴力测试成果示意图；

图2为本发明摩擦阻力测试成果示意图；

图3为本发明各土层侧摩阻力发挥图；

图4为本发明水平静载桩身弯矩变化图

图中：a、粉细砂；b、粉质粘土；c、粘土；d、淤泥质粉质粘土。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

本实施例提供了一种基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，所述测试方法包括如下步骤：

步骤一，准备阶段：选取若干PHC桩，对每根所述PHC桩进行编号，并记录相应的PHC桩试验参数；确定每根所述PHC桩的预设地点及所述PHC桩的打桩顺序；选取和准备光纤、光纤传感器和光纤应变分析仪；

步骤二，预埋打桩阶段：在所述PHC桩上铺设分布式光纤传感器，并将所述PHC桩打入相应的预设地点中；

步骤三，测量阶段：利用光纤应变分析仪对所述PHC桩的加卸载进行测试，每级荷载下测试时间选在位移观测判断稳定后进行，采集结束后方可加(卸)下一级荷载，每次采集时间5分钟；得到若干组光纤的轴向压应变数据；

步骤四，内力计算阶段：通过获取到的光纤的轴向压应变数据，分别计算桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩，并将制作相应的应变曲线、桩身Q-S曲线和方波图；

步骤五，检测结果数据分析：分别对每根所述PHC桩的桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩的数据进行分析，确定桩身轴力与桩身侧摩阻力随深度分布，以及桩端阻力、桩身侧摩阻力及桩身弯矩随桩顶荷载的变化规律。

本测试方法通过预先铺设的分布式光纤传感器进行桩身应力、应变测试，能够获得试验桩在竖向荷载和水平荷载作用下，桩身阻力、桩身轴力及其分布规律，获得最大弯距深度等参数，有利于确定施工所在区域工程桩的施工工艺、成桩质量和施工方案的可行性；测试过程清晰有序，光纤布设合理，获得的数据正确性高，能够为场地施工提供可靠的数据及理论依据。

进一步的，每根所述PHC桩均由上桩、中桩和下桩拼接而成；所述PHC桩记录的试验参数包括桩径、桩长、混凝土强度、桩顶标高、入土深度和有效测试长度，以及所述PHC桩的桩身混凝土的弹性模量。

预先将每根所述PHC桩的相关参数准备好，有利于快速设计试验方案，在数据计算和整理阶段，参数的取值能够随时调用，提升数据分析效率。

进一步的，每根所述PHC桩的所述弹性模量根据混凝土的标号及配筋率查询相关规范、结合所述PHC桩的桩头附近测得的应变值作适当修正而确定。

通过每根所述PHC桩的实际情况，对所述弹性模量进行修正，能够获取更加准确的计算数据，使计算结果更加贴近实际。

进一步的，在所述步骤二中，所述光纤的出线部位离所述PHC桩的桩顶1.5m，所述PHC桩的桩顶距泥面(地面)位置为0.5m，所述PHC桩的桩身下部光纤布设安装位置距桩底为0.7m。

相对于所述光纤在桩身的顶部和底部分别预留出一小截距离，间距的设置能够确保所述光纤在打桩过程中或者施加载荷过程中不直接受到外力冲击，既能够保护光纤，也能够提高检测的准确性。

进一步的，在所述桩身轴力的计算过程中，将测得的各级荷载下的应变值与初始应变值做差得出桩身的各级荷载下附加应变值，所述附加应变值与桩身混凝土的弹性模量相乘等出桩身各截面的应力值，应力值再与桩身截面积来修正出所述桩身轴力，得出轴力分布。

进一步的，所述桩身侧摩阻力按土层进行计算，在同一土层的桩身上取代表其段内大体趋势的一小段，得到两个横截面，利用所述桩身轴力的计算方法得出两截面上的轴力值，轴力值之差与该段内桩周边面积之比为所述桩身侧摩阻力，所述桩身侧摩阻力值以土层为界限以方波形式表达在图上。

具体的计算公式如下：

将测得的所述光纤的轴向压应变数据记为ε(Z)，在静载压力下，所述光纤的轴向变形与所述PHC桩的桩身混凝土轴向变形一致，所述PHC桩的桩身混凝的压应变也为ε(Z)，

则桩身压力σ(Z)为：σ(Z)＝ε(Z)·E_c

则桩身轴力Q(Z)为：Q(Z)＝σ(Z)·A

由桩的载荷传递基本微分方程，计算桩身侧分布摩阻力q_s(Z)

其中，A为所述PHC桩的桩身截面面积，U为所述PHC桩的桩身周长，ΔQ(Z)为某土层内桩身两截面间轴力变化量，ΔZ为该土层内桩身两截面间深度差，Δε为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量，E为所述PHC桩的桩身混凝土的弹性模量，弹性模量E根据混凝土的标号及配筋率查询相关规范结合桩头附近测得的应变值作适当修正而确定。

进一步的，所述光纤采用直径0.9mm的应变传感光纤，在每根所述PHC桩的桩身上中心对称的设置两条或四条所述光纤。

由于桩体在静载过程中存在一定的偏心荷载及挠曲，其桩身表现出对称性的应力应变差异，因此利用同截面两条光纤或者四条光纤的应变数据的平均值作为实际计算值效果更好。

进一步的，所述PHC桩在测试过程中承载竖向载荷和水平载荷，将所述PHC桩平均分为两组，分别进行抗压试验和水平试验；载荷范围为1000KN～5500KN，按照每500KN为一级进行递增；所述PHC桩所处的地层包括淤泥质粉质粘土层、粘土层、粉质粘土层、粉细砂层；所述测试方法中对每层地层逐级载荷下的所述桩身轴力、所述桩身侧摩阻力以及所述桩身弯矩分别进行计算和记录。

采用这种分层分级和分类的方法，能够尽可能的反映出试桩在地面下的受力状态，能够确定试桩的各种内力的临界点和变化点，有利于后期施工工艺的设计，在确保安全和可靠性的前提下完成地面设施的建立。

实施例二：

本实施例提供了一种实施例一中光纤布设的方法，所述光纤采用十字对称方式沿所述PHC桩的管身上下布设，布设方法如下：

(1)表面开槽：在所述PHC桩预制时，用切割机对称的切割出宽3mm、深3mm的走线槽，清理干净待用；正方形截面的走线槽在填充环氧树脂胶后，能够确保所述光纤受力均匀；

(2)布线填胶：将所述光纤预拉后固定与所述走线槽中并使所述光纤紧贴所述走线槽的槽底，将调制好的环氧树脂胶回填至槽中；用热风枪将所述环氧树脂胶修整平整，12小时后，所述环氧树脂胶完全固化后方可移动所述PHC桩以铺设另一面；避免光纤没有完全固定住而移动试桩使光纤产生位移形变，影响后续检测数据的准确性；

其中，所述光纤预拉后将两端分别绑扎在所述走线槽两端的所述PHC桩的端部，所述环氧树脂胶固化后松开绑扎；在整个环氧树脂胶固化的过程中，始终保持所述光纤处于预拉状态，避免所述环氧树脂胶在固化过程中热胀冷缩带动所述光纤位移和收缩，光纤的拉直状态能够得到较好保持；

(3)引线保护：将所述光纤的引线固定保护以防止打桩过程中的破坏，铺设完成24小时以后方可将预制的所述PHC桩打入预设地点中；

(4)接桩处理：待多段所述PHC桩的下桩沉桩完成后，将中桩或上桩吊起、对齐，将上、中、下多节所述PHC桩的光纤分别熔接，保护好放入桩身内部，并在缺口出补填环氧树脂胶。

进一步的，在所述布线填胶的步骤中，所述光纤的两端分别绑扎在销钉上，所述光纤预拉后将所述销钉分别插入所述PHC桩的端部的销孔或圆孔中保持预拉状态，待所述环氧树脂胶完全固化后松开并拔除所述销钉；通过销钉的绑扎和拔插，方便快捷、不占用太大空间，拔掉后桩身能够回复原样，不影响拼接；

在所述引线保护的步骤中，将所述引线通过软布和钢丝网覆盖并系住；当需要熔接或者与通信接口连接时，依次打开所述钢丝网和所述软布即可；软布提供一个柔软的环境能够防止引线和接头受损，同时能够吸收振动，钢丝网从外部包裹住避免硬物碰撞，而且方便拆卸和打开；

在所述接桩处理的步骤中，上、中、下三段桩身对接时，每根桩身上的所述走线槽一一对应并对其，将多段桩身紧固后进行光纤的熔接，光纤熔接后补填环氧树脂胶并进行数分钟的烘干，有一定的强度后，随后一同打入地下，由于熔接的区域较小，填充的环氧树脂胶也较少，干的较快，对光纤产生的影响较小。

实施例三：

本实施例提供了一种具体的测试方法。

所述PHC桩为六根，两组Φ600mmPHC管桩抗压试验各3根(次)，两组Φ600mmPHC管桩水平试验各3根(次)，共计6根(次)。

试桩编号分别为SZ1-1^#、SZ1-2^#、SZ1-3^#、SZ3-1^#、SZ3-2^#、SZ3-3^#，每根试桩均由上桩、中桩和下桩拼接而成，其中上桩为13m，中桩为11m，下桩为14m，桩径为600mm，壁厚110mm，桩体具体参数见表1：

表1：所述PHC桩的桩身参数

桩号

桩径

桩长

硂强度

桩顶标高

入土深度

有效测试长度

SZ1-1<sup>#</sup>

600mm

38m

C80

23.79m

37.50m

35.80m

SZ1-2<sup>#</sup>

600mm

38m

C80

23.80m

37.50m

35.80m

SZ1-3<sup>#</sup>

600mm

38m

C80

23.84m

37.50m

35.80m

SZ3-1<sup>#</sup>

600mm

38m

C80

23.77m

37.50m

35.80m

SZ3-2<sup>#</sup>

600mm

38m

C80

23.87m

37.50m

35.80m

SZ3-3<sup>#</sup>

600mm

38m

C80

23.84m

37.50m

35.80m

由于实际打桩和桩身本身产生的误差，桩头标高为23.77m～23.84m，具有0.07m的波动，属于正常误差范围内。

测试时采用的光纤应变分析仪为德国fibrisTerre公司生产的fTB2505型BOFDA光纤应变分析仪，开槽布设完毕后，所有试桩及设备均安装到位后开始测试。

利用BOFDA仪器对试桩的加卸载进行测试，每级荷载下测试时间选在位移观测判断稳定后进行，采集结束后方可加(卸)下一级荷载，基本测量参数如表2所示：

表2：测试方法中确定的基本参数

测量距离	120m	扫频范围	10.6GHz-11.2GHz
				空间分辨率	1m	EDFA输出功率	15
采样间隔	0.05m	扫描频宽	1MHz

测试后将得到的光纤应变数据记录下来，并根据实施例一中的计算方法将每根试桩的桩身轴力、所述桩身侧摩阻力以及所述桩身弯矩计算出来，并表格和图标。

以试桩SZ1-1^#为例，各土层桩身轴力、所述桩身侧摩阻力如表3所示，

表3：试桩SZ1-1^#在各土层及各级载荷下的桩身轴力、所述桩身侧摩阻力

进一步对数据进行分析，能够得到试验桩桩身内力测试成果图和试验桩各土层侧摩阻力发挥图，以及水平静载桩身弯矩变化图。

如图1～图4所示，图1和图2中十条曲线分别代表1000KN～5500KN范围内在每500KN为一级的载荷；图3的横坐标为载荷、纵坐标为侧摩擦阻力；图4的横坐标为桩身高度(m)、纵坐标为弯矩(KN*m)、曲线代表载荷。

编号为SZ1-1^#的所述PHC试桩，在距作用点6.4m处出现拉应变，在距作用点8.2m处应变回归零值，直至桩底应变全部为零。

截取两根光纤测线应变测试数据进行平均处理和数据计算，得到桩身应变变化值，从而得出桩身弯矩值，如图4所示，随着每级荷载增大，桩身弯矩曲线整体增大；从桩顶到桩底，呈现先增大后减小，底部有负弯矩现象。在距作用点2.8m处弯矩达到最大921.7042kN*m，弯矩最大点位于桩身顶部；在距作用点6.4m处出现负弯矩，至距作用点8.2m处弯矩回归零值，直至桩底弯矩全部为零。

通过对每根所述PHC桩的测试分析，至少能够获取如下测试结果，初级荷载传递力损严重，桩身累计沉降量主要由桩身自身下沉提供，上部土层(淤泥质粘土和粘土)侧摩阻力整体发挥较小；下部土层桩身侧摩阻力相对较大，随着荷载增大逐渐发挥；弯矩最大点位于桩身顶部，弯矩达到最大921.70～979.34kN*m，距作用点6.4～6.6m处出现负弯矩，至距作用点8.2-8.8m处弯矩回归零值；水平推力作用均位于第一节桩内；比较勘察成果，淤泥质粉质粘土桩极限侧阻力降低，粉细砂的桩极限侧阻力明显提高。

通过对数据和图表的分析，能够得到对于施工非常重要的指导性结论和依据，有利于后续施工的安全可靠进行。本测试方法有效可行，能够为施工提供具体而又实际的帮助，具有较好的实践意义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

步骤一，准备阶段：选取若干PHC桩，对每根所述PHC桩进行编号，并记录相应的PHC桩试验参数；确定每根所述PHC桩的预设地点及所述PHC桩的打桩顺序，每根所述PHC桩均由上桩、中桩和下桩拼接而成；选取和准备光纤、光纤传感器和光纤应变分析仪；

步骤二，预埋打桩阶段：在所述PHC桩上铺设分布式光纤传感器，并将所述PHC桩打入相应的预设地点中；所述光纤的出线部位离所述PHC桩的桩顶1.5m，所述PHC桩的桩顶距地面位置为0.5m，所述PHC桩的桩身下部光纤布设安装位置距桩底为0.7m；

步骤三，测量阶段：利用光纤应变分析仪对所述PHC桩的加卸载进行测试，每级荷载下测试时间选在位移观测判断稳定后进行，采集结束后方可加卸下一级荷载，每次采集时间3～6分钟；得到若干组光纤的轴向压应变数据；

步骤四，内力计算阶段：通过获取到的光纤的轴向压应变数据，分别计算桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩，并将制作相应的应变曲线、桩身Q-S曲线和方波图；

桩身侧分布摩阻力

的计算公式如下:

，

其中，A为所述PHC桩的桩身截面面积，U为所述PHC桩的桩身周长，

为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量，

为该土层内桩身两截面间深度差，E为所述PHC桩的桩身混凝土的弹性模量；

所述PHC桩所处的地层包括淤泥质粉质粘土层、粘土层、粉质粘土层和粉细砂层；所述测试方法中对每层地层逐级载荷下的所述桩身轴力、所述桩身侧摩阻力以及所述桩身弯矩分别进行计算和记录；

步骤五，检测结果数据分析：分别对每根所述PHC桩的桩身轴力、桩身侧摩阻力以及桩身弯矩的数据进行分析，确定桩身轴力与桩身侧摩阻力随深度分布，以及桩端阻力、桩身侧摩阻力及桩身弯矩随桩顶荷载的变化规律。

2.根据权利要求1所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，所述PHC桩记录的试验参数包括桩径、桩长、混凝土强度、桩顶标高、入土深度和有效测试长度，以及所述PHC桩的桩身混凝土的弹性模量。

3.根据权利要求2所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，每根所述PHC桩的所述弹性模量根据混凝土的标号及配筋率查询相关规范并结合所述PHC桩的桩头附近测得的应变值作适当修正而确定。

4.根据权利要求1所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，在所述桩身轴力的计算过程中，将测得的各级荷载下的应变值与初始应变值做差得出桩身的各级荷载下附加应变值，所述附加应变值与桩身混凝土的弹性模量相乘得出桩身各截面的应力值，应力值再与桩身截面积来修正出所述桩身轴力，得出轴力分布。

5.根据权利要求1所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，所述桩身侧摩阻力按土层进行计算，在同一土层的桩身上取代表其段内大体趋势的一小段，得到两个横截面，利用所述桩身轴力的计算方法得出两截面上的轴力值，轴力值之差与该段内桩周边面积之比为所述桩身侧摩阻力，所述桩身侧摩阻力值以土层为界限以方波形式表达在图上。

6.根据权利要求1所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，所述光纤采用直径为0.6~1mm的应变传感光纤，在每根所述PHC桩的桩身上中心对称的设置两条或四条所述光纤。

7.根据权利要求1所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法，其特征在于，所述PHC桩在测试过程中承载竖向载荷和水平载荷，将所述PHC桩平均分为两组，分别进行抗压试验和水平试验；载荷范围为1000KN～5500KN，按照每500KN为一级进行递增。

8.一种用于权利要求1所述的基于光纤应变的PHC桩身内力测试方法的光纤布设方法，其特征在于，所述光纤采用十字对称方式沿所述PHC桩的管身上下布设，布设方法如下：

（1）表面开槽：在所述PHC桩预制时，用切割机对称的切割出宽2～4mm、深2～4mm的走线槽，清理干净待用；

（2）布线填胶：将所述光纤预拉后固定与所述走线槽中并使所述光纤紧贴所述走线槽的槽底，将调制好的环氧树脂胶回填至槽中；用热风枪将所述环氧树脂胶修整平整，12小时后，所述环氧树脂胶完全固化后方可移动所述PHC桩以铺设另一面；

其中，所述光纤预拉后将两端分别绑扎在所述走线槽两端的所述PHC桩的端部，所述环氧树脂胶固化后松开绑扎；

（3）引线保护：将所述光纤的引线固定保护以防止打桩过程中的破坏，铺设完成24小时以后方可将预制的所述PHC桩打入预设地点中；

（4）接桩处理：待多段所述PHC桩的下桩沉桩完成后，将中桩或上桩吊起、对齐，将上、中、下多节所述PHC桩的光纤分别熔接，保护好放入桩身内部，并在缺口出补填环氧树脂胶；

在所述布线填胶的步骤中，所述光纤的两端分别绑扎在销钉上，所述光纤预拉后将所述销钉分别插入所述PHC桩的端部的销孔或圆孔中保持预拉状态，待所述环氧树脂胶完全固化后松开并拔除所述销钉；

在所述引线保护的步骤中，将所述引线通过软布和钢丝网覆盖并系住；当需要熔接或者与通信接口连接时，依次打开所述钢丝网和所述软布即可；

在所述接桩处理的步骤中，上、中、下三段桩身对接时，每根桩身上的所述走线槽一一对应并对其，将多段桩身紧固后进行光纤的熔接，光纤熔接后补填环氧树脂胶并进行数分钟的烘干，随后一同打入地下。

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