CN111579355B - 一种混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，在混凝土灌注桩浇注过程中，在桩顶预埋若干周向分布的压电陶瓷片传感器，将压电陶瓷片传感器通过线缆引出桩身外与阻抗分析仪相连，将阻抗分析仪与计算机终端相连，浇注并养护混凝土灌注桩；养护结束后，搭建静载荷试验平台，将未加载时信号发生器通过压电陶瓷片传感器产生激励信号，压电陶瓷片传感器接收的电阻抗信号作为基准信号，载荷加载，监测不同加载阶段传感器的电阻抗信号，并与基准信号进行对比，通过电阻抗信号变化判断桩顶截面偏载。本发明成本低廉，监测与试验过程同步，可最大程度保证监测准确性。

Description

一种混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法

技术领域

本发明属于地基基础检测工程技术领域，涉及一种对混凝土灌注桩静载荷试验过程中灌注桩安全监测技术，具体涉及一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法。

背景技术

灌注桩静载荷试验对于检测基桩承载力来说被认为是一种最直观、最可靠的传统方法。常见的试验设备由反力装置、加载装置、荷载和位移测量装置以及数据采集装置组成。采用接近于竖向抗压桩的实际工作条件确定单桩竖向抗压承载力，是目前公认的检测基桩竖向抗压承载力最直观、最可靠的试验方法。

试验过程中常常由于设置反力平台时存在偏心，导致荷载分布不均匀，平台某一个角或某一边呈现悬空状，无法加载到设计的最大荷载值进而致使试验失败，造成经济损失，同时，提供反力的地基若发生不均匀沉降时也会出现类似情况。实际工程中，因偏载发现不及时而引起的反力平台垮塌事故也时有发生，这严重威胁到现场工程结构、施工机械和人员的安全，因此，监测灌注桩静载试验中是否出现偏载状态具有重大的现实意义。

压电陶瓷作为各类建筑结构物无损检测的智能材料已得到快速发展和应用。压电陶瓷片是一种能将机械能和电能互相转换的信息功能材料，因其具有正负压电效应、响应迅速、较宽的响应频带等优点，可以感知混凝土内部的应力变化并进行实时监测。由于灵敏度高、频带范围宽、易裁剪、能耗低、成本低廉等特点，在混凝土结构的检测、监测方面有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是针对目前对混凝土灌注桩静载荷试验过程安全监测领域的空白，提出一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，解决现有技术静载试验中偏载监测困难的问题。本发明利用线缆将环向均匀分布于桩头的压电陶瓷片连接到阻抗分析仪，实时分析其压电阻抗峰值频率的偏移情况，并从中提取压电陶瓷片所安装截面的应力分布特征，从而实现对静载荷试验过程中偏载情况的实时监控。本发明通过分析各压电陶瓷片的阻抗峰值频率偏移量来确定偏载方向，能够及时地预警偏载的发生，以便暂停试验并根据监测结果重新调整反力平台的重心分布，在实现中心受压后即可恢复试验，从而可有效避免因试验失败而引发的工程安全事故。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在混凝土灌注桩浇注过程中，在桩顶预埋若干周向分布的压电陶瓷片传感器，其中多个压电陶瓷片传感器位于同一层；

步骤2、将压电陶瓷片传感器通过线缆引出桩身外与阻抗分析仪相连，将阻抗分析仪与计算机终端相连，浇注并养护混凝土灌注桩；

步骤3、待混凝土灌注桩养护结束后，搭建静载荷试验平台，进行静载荷试验；

步骤4、在静载荷试验过程中，计算机终端通过阻抗分析仪产生扫频电压信号，扫频电压信号驱动所有压电陶瓷片传感器在混凝土灌注桩内产生机械振动，振动应力波信号在桩内相应区域内传播，之后应力波反馈信号又被所有压电陶瓷片传感器获取，转换为电阻抗信号，电阻抗信号经阻抗分析仪转化为数字信号，然后传输给计算机终端，通过计算机进行数据分析；

步骤5、按照步骤4方法，将静载荷试验未加载时，所测得的压电陶瓷片传感器的电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后监测加载各阶段所获取的电阻抗信号识别特征参数，将各阶段监测值与基准值对比分析，进而推出桩顶部位混凝土压应力的变化，判定静载荷试验的偏心状态和偏心方向。

优选的，所述步骤5中的具体方法如下：

通过计算机在电阻抗信号中提取混凝土桩身的特征频率，混凝土桩身的特征频率的变化定义如下：

ΔΩ_m＝λΔF₀                        公式(1)

公式(1)中ΔΩ_m为混凝土桩身的特征频率变化量，λ为与混凝土桩身相关的常数，ΔF₀为混凝土顶部桩身所受轴向压力的变化量，通过计算和对比每个压电陶瓷片传感器检测的测特征频率的偏移量，即可判断试验荷载所施加到桩顶截面的偏载方向。

优选的，所述压电陶瓷片传感器通过托板预埋在混凝土灌注桩顶部，所述托板包括环形骨架和若干均布于环形骨架上的卡座，所述卡座用于固定所述压电陶瓷片传感器。

优选的，所述压电陶瓷片传感器安装在卡座内后通过环氧树脂胶进行填充封装。

优选的，所述环形骨架外周上设有与混凝土灌注桩的桩身主筋配合的卡口。所述环形骨架通过卡口与桩身钢筋咬合定位后再焊接相连。

优选的，所述托板距设计桩顶标高不小于10cm，且不大于设计桩顶标高往下1倍桩径距离。

优选的，所述环形骨架上的压电陶瓷片传感器有5-12个。

优选的，连接压电陶瓷片传感器和阻抗分析仪的线缆为BNC线缆，连接阻抗分析仪与计算机终端的线缆为LAN线缆。

优选的，所述BNC线缆通过保护套管保护后绑扎在混凝土灌注桩的钢筋笼上。

本发明具有下列优点和积极效果：

①本发明适用于各种尺寸和各种施工工艺的灌注桩型，根据实际工程需求，灵活布置压电陶瓷片；

②本发明安装简便、成本低廉与桩基工程同步施工，与静载试验同步监测，是一种针对静载荷试验偏载的无损监测方法；

③本发明可实时监测加载时反力平台的偏心情况，通过监测值和基准值的比对能够准确地定位偏心方向，并以此作为暂停试验时调整加载装置的依据，在保证中心受压后可继续试验，能够有效地避免因偏载引起的反力平台垮塌事故。

综上所述，本发明安装和使用方便、成本低廉，伴随桩身混凝土浇筑一同完成，不影响施工工期和桩体强度，监测与试验过程同步，可实现试验全过程的实时监测，适用各种环境和各种施工工艺的灌注桩，尤其对大直径、大吨位的灌注桩效果显著。

附图说明

图1是本发明整体示意图。

图2是本发明桩身内部与钢筋连接示意图。

图3是本发明托板构造示意图。

图4是本发明实施例中卡座剖视图。

附图标记：1-混凝土桩身，2-主筋，3-箍筋，4-托板，5-压电陶瓷片传感器，6-阻抗分析仪，7-BNC线缆，8-LAN线缆，9-计算机终端，10-卡座，11-卡口，12-预留孔，13-环氧树脂。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明的具体实施方式作如下描述：

如图1至图3所示，一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测装置，包括托板4、若干压电陶瓷片传感器5、阻抗分析仪6和计算机终端9，托板4为环形钢板，托板4一面设有若干呈环形均布的卡座10，所述压电陶瓷片传感器5固定于相应的卡座10内，在钢制的托板4外侧预留与钢筋笼的主筋2连接的卡口11，数量根据设计桩身配筋数量确定，尺寸根据设计钢筋型号确定，能实现对钢筋的咬合连接，一般为半圆卡槽，混凝土桩身1的钢筋笼由主筋2和箍筋3绑扎而成。在托板4预制安装压电陶瓷片传感器5的卡座10，卡座10尺寸与具体工程所选用的压电陶瓷片尺寸匹配，卡座10数量根据桩径大小和监测需求确定，本实施例中，卡座10为焊接在环形骨架上的圆筒。圆筒侧壁开设有供BNC线缆7穿过的预留孔12，方便布线。

如图4所示，将压电陶瓷片传感器5分别安装入卡座10中，BNC线缆7从预留孔12中穿出，压电陶瓷片传感器5周围用环氧树脂13胶进行填充封装，形成一个压电陶瓷片传感器5环形阵列。

将安装好压电陶瓷片传感器5的托板4通过连接卡口11与主筋2一一咬后连接，将连接位置进行焊接，使托板4与各主筋2牢固连接在一起。

将安装好监测装置的钢筋笼吊装进入钻孔，做好BNC线缆7的保护工作并引出桩身外，浇筑桩身混凝土，等待到达龄期，对桩周土体进行开挖，整平场地，做好静载荷试验各项准备。

用BNC线缆7将压电陶瓷片传感器5与阻抗分析仪6连接；用LAN线缆8将阻抗分析仪6与计算机终端9连接。

计算机终端9通过LAN线缆8使阻抗分析仪6产生扫频电压信号，通过BNC线缆7传输到压电陶瓷片传感器5(同时激发所有的压电陶瓷片传感器5)中。由于压电材料的逆压电效应，扫频电信号驱动压电陶瓷片产生机械振动，从而带动压电陶瓷片传感器5周围的混凝土产生振动响应；振动响应信号又反过来被压电陶瓷片传感器5获取，利用压电材料的正压电效应，每个压电陶瓷片传感器5将获取到的振动响应信号转化电阻抗信号，经BNC线缆7传输给阻抗分析仪6，电阻抗信号经阻抗分析仪6转化为数字信号，通过LAN线缆8传输给计算机终端9。

在计算机分析系统中将静载准备工作全部就绪且试验尚未开始时所测得的压电陶瓷片传感器5的电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后监测加载各阶段所获取的电阻抗信号识别特征参数，将各阶段监测值与基准值对比分析，进而根据公式推出桩顶部位混凝土压应力的变化，判定静载荷试验的偏心状态和偏心方向。

基本原理

压电陶瓷片传感器5在高频交流电压的激励下，基于压电材料的逆压电效应，其将产生机械振动，从而促使与压电陶瓷片固结在一起的主体结构同时产生振动，同时，由于主体结构和压电陶瓷片之间存在耦合关系，压电陶瓷片的振动响应将携带主体结构物理参数(质量M、刚度K、阻尼C等)的变化特征，且该振动响应基于压电材料的正压电效应被转换为电阻抗信号，因此，主体结构被测区域的服役状态将可间接地从压电片电阻抗信号的变化中提取得来，进而评估混凝土灌注桩静载试验过程中桩顶部位的内力分布和幅值变化，为准确判定静载试验的偏心状态和偏心方向提供数据支持。

需要指出的是，大量试验研究表明，主体结构的特征频率与其自身受到的外力存在紧密联系。当混凝土桩身1受到的轴向压力改变时，将导致压电陶瓷片传感器5的电阻抗信号发生变化，且从信号中可以发现混凝土桩身1顶部的特征频率也将有所改变，即存在如下关系：

ΔΩ_m＝λΔF₀                               公式(1)

公式(1)中ΔΩ_m为混凝土桩身1顶部的特征频率变化量，λ为与混凝土桩身1、卡座10、托板4相关的常数，ΔF₀为混凝土桩身1顶部所受轴向压力的变化量。该公式表明，混凝土桩身1顶部的特征频率与其受到的轴向压力呈现正比例关系，而混凝土桩身1顶部的特征频率可以从压电陶瓷片传感器5的电阻抗信号中提取出来。当出现混凝土桩身1顶部出现偏载情况时，托板4上各个压电陶瓷片传感器5实际受到的压力将存在差异性，导致其监测到的混凝土桩身1顶部的特征频率各不相同，通过对比加载过程中各压电陶瓷片传感器5所测特征频率的偏移量，就可以判定偏载状态，即电阻抗信号中特征频率偏移量最大的压电陶瓷片传感器5，其对应的位置为偏载方向。

本发明提出的方法原理简单、操作易行，对偏载可以实现实时的监测和识别，大大降低试验过程的安全隐患，对偏载早监测、早发现、早纠正，节约检测造价成本，避免安全事故的发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施案例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在混凝土灌注桩浇注过程中，在桩顶预埋若干周向分布的压电陶瓷片传感器，其中多个压电陶瓷片传感器位于同一层；

步骤2、将压电陶瓷片传感器通过线缆引出桩身外与阻抗分析仪相连，将阻抗分析仪与计算机终端相连，浇注并养护混凝土灌注桩；

步骤3、待混凝土灌注桩养护结束后，搭建静载荷试验平台，进行静载荷试验；

步骤4、计算机终端通过阻抗分析仪产生扫频电压信号，扫频电压信号驱动所有压电陶瓷片传感器在混凝土灌注桩内产生机械振动，振动应力波信号在桩内相应区域内传播，之后应力波反馈信号又被所有压电陶瓷片传感器获取，转换为电阻抗信号，经阻抗分析仪转化为数字信号，然后传输给计算机终端，通过计算机进行数据分析；

步骤5、按照步骤4方法，将静载荷试验未加载时，所测得的压电陶瓷片传感器的电阻抗信号作为基准信号，构建识别特征参数基准值，之后监测加载各阶段所获取的电阻抗信号识别特征参数，将各阶段监测值与基准值对比分析，进而推出桩顶部位混凝土压应力的变化，判定静载荷试验的偏心状态和偏心方向；

所述步骤5中的具体方法如下：

通过计算机在电阻抗信号中提取混凝土桩身的特征频率，混凝土桩身的特征频率的变化定义如下：

公式（1）

公式（1）中为混凝土桩身的特征频率变化量，为与混凝土桩身相关的常数，为混凝土顶部桩身所受轴向压力的变化量，通过计算和对比每个压电陶瓷片传感器检测的特征频率偏移量，即可判断试验荷载所施加到桩顶截面的偏载方向；

所述压电陶瓷片传感器通过托板预埋在混凝土灌注桩内，所述托板包括环形骨架和若干均布于环形骨架上的卡座，所述卡座用于固定所述压电陶瓷片传感器。

2.如权利要求1所述一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于：所述压电陶瓷片传感器安装在卡座内后通过环氧树脂胶进行填充封装。

3.如权利要求1所述一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于：所述环形骨架外周上设有与混凝土灌注桩的桩身主筋配合的卡口；所述环形骨架通过卡口与桩身钢筋咬合定位后再焊接相连。

4.如权利要求1所述一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于：所述托板距设计桩顶标高不小于10cm。

5.如权利要求1所述一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于：所述环形骨架上的压电陶瓷片传感器有5-12个。

6.如权利要求1所述一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于：连接压电陶瓷片传感器和阻抗分析仪的线缆为BNC线缆，连接阻抗分析仪与计算机终端的线缆为LAN线缆。

7.如权利要求6所述一种基于压电阻抗频移的混凝土灌注桩静载荷试验偏载监测方法，其特征在于：所述BNC线缆通过保护套管保护后绑扎在混凝土灌注桩的钢筋笼上。

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