CN113202153B - 大直径管桩的动力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大直径管桩的动力测试装置及方法，包括土工离心机，其转臂一端设置离心机箱；离心机箱的内顶部中央设有提物装置、细绳、实心球，实心球的正下方设置有可变形管桩模型，可变形管桩模型垂直立于地基土模型上，可变形管桩模型的端头设置有速度传感器，其内外壁均贴有光纤光栅传感器；动力测试装置安装完成后，启动土工离心机，达到试验所需离心加速度后，开始锤击测试，检测桩顶质点的振动速度和沉桩过程中可变形管桩模型与进入其中的地基土之间的摩阻力。本发明大直径管桩的动力测试装置及方法准确测得管桩模型试验中桩顶质点振动速度以及动力沉桩过程所受阻力，为实际工程动力沉桩过程及桩身质量评价提供技术支撑。

Description

大直径管桩的动力测试装置及方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及大直径管桩的动力测试装置及方法。

背景技术

随着我国土木建筑工程的日益发展，桩基础在桥梁、高层建筑、海上采油平台等工程中得到越来越多的应用。然而，桩是一种地下隐蔽工程，出现质量事故时不易直接发现。尤其是动力沉桩过程中，管桩可能存在断裂、扩颈、缩颈、离析等问题。这些问题的出现，直接降低了桩基础的承载能力，严重时会导致工程事故的发生。为确保工程质量安全，需要在沉桩时或沉桩后对桩身质量进行检验测试。近年来，低应变法以简便、迅速的优点成为了普遍的现场测试桩身质量的检验方法。这种方法主要是根据低能量瞬态或稳态激振方式，实测桩顶质点振动速度响应曲线形状，判断桩身缺陷的类型与位置。

然而，对于直径超过100cm的大直径或超大直径的管桩工程的研究，由于其体积大，现场试验困难，考虑可实施性、成本性等问题，往往要进行室内模型试验。但是，大直径管桩进行室内模型试验，会遇到以下几个问题：一、管桩模型的缩尺，激振对试验模型的影响较大，桩顶质点振动速度响应测试不准，常规的低应变法不再适用。二、管桩模型与地基模型进行缩尺后，引起了自重应力损失，不能够准确模拟实际工程中大直径管桩的动力沉桩过程。三、实际工程中用到的管桩模型尺寸确定，一旦管桩直径改变，或者试验条件改变，便需要重新准备其它尺寸的管桩模型，常需要准备十几或几十根直径或高度尺寸大小不一的管桩模型，管桩模型的制备过程比较繁杂，导致试验过程冗长、成本提高、试验结果不准等问题。

因此，进行大直径管桩的桩顶质点振动速度响应测试等动力测试，必须解决以上几个问题，才能建立起大直径管桩室内模型试验，对大直径管桩的沉桩过程和桩身质量分析研究。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供大直径管桩的动力测试装置及方法，准确测得管桩模型试验中桩顶质点振动速度以及动力沉桩过程所受阻力，为实际工程动力沉桩过程及桩身质量评价提供技术支撑；同时，该方案提供的可变形管桩模型，可准确根据管桩尺寸和离心加速度确定可变形管桩模型的直径和高度尺寸，试验结果准确性高，同时节省材料，降低试验成本，解决了现有技术中存在的不能够准确模拟实际工程中大直径管桩的动力沉桩过程以及管桩模型尺寸固定的问题。

本发明所采用的技术方案是，大直径管桩的动力测试装置，包括土工离心机，土工离心机包括转臂，转臂中心位置固定于转台，转臂中心处还设置数采系统，转臂的两端分别设置配重箱、离心机箱；

离心机箱的内顶部中央设置有提物装置，提物装置的下端连接有细绳，细绳的下端连接实心球，提物装置、细绳、实心球的外部套设有导管，导管的外部套设有导管固定架，导管固定架固定在离心机箱的内壁上，实心球的正下方设置有可变形管桩模型，可变形管桩模型垂直立于地基土模型上，地基土模型设置在模型槽中，模型槽设置在离心机箱的底部中央，可变形管桩模型的端头外侧对称设置有两个速度传感器，速度传感器与设置在离心机箱的内壁上的速度检测仪信号连接，可变形管桩模型的内外壁均贴有光纤光栅传感器，用于测量沉桩过程中可变形管桩模型与进入其中的地基土之间的摩阻力，可变形管桩模型的外部套设有管桩固定架，管桩固定架通过两端设置的伸缩杆固定在模型槽的内壁上，离心机箱的内顶部一侧设置有光测系统装置，光测系统装置包括摄像头，摄像头的朝向对准可变形管桩模型的方向，光测系统装置与控制计算机信号连接。

进一步地，离心机箱的形状为方形箱，其尺寸为长1.2m×宽1.2m×高1.5m。

进一步地，导管为透明材料制成，导管的上端固定在离心机箱的内顶上部，导管的下端为敞口结构。

进一步地，实心球的直径小于导管直径，其质量为10kg~20kg。

进一步地，提物装置与提物装置控制器无线信号连接，提物装置控制器设置在提物装置的可接收信号范围内。

进一步地，模型槽为方形钢槽，用于使地基土模型成型，模型槽的框架均采用角钢，框架的侧壁和底部均采用有机玻璃板组装而成，有机玻璃板的接缝处涂有密封胶，组装完成后的有机玻璃板侧壁内部和底部上面均设置有塑料薄膜。

进一步地，每个光纤光栅传感器均通过跳线与解调仪连接，解调仪设置在模型槽内地基土模型上端的一侧，用于连接各光纤光栅传感器，并解调纪录各光纤光栅传感器采集的数据。

进一步地，地基土模型为设置在模型槽内的三层土样，模型槽的底部上设置粉砂层，粉砂层的厚度范围是10cm~15cm，粉砂层的上部设置粉土层，粉土层的厚度范围是10cm~20cm，粉土层的上部设置粉质黏土层，粉质黏土层的厚度范围是10cm~20cm。

进一步地，所述可变形管桩模型分为上段、中段和下段，每一段均由四块平行四边形片材构成圆筒状结构，分别为：一对对向设置的第一平行四边形片材和第三平行四边形片材，另一对对向设置的第二平行四边形片材和第四平行四边形片材，第一平行四边形片材与第三平行四边形片材作为外层片材，第二平行四边形片材和第四平行四边形片材作为内层片材，第一平行四边形片材与第三平行四边形片材围合成一个在两侧接口处留有一定宽度间隙的圆筒状结构，在两个留有一定宽度间隙的接口处内侧分别设置第二平行四边形片材和第四平行四边形片材作为内层片材，第二平行四边形片材和第四平行四边形片材弯曲的曲率与第一平行四边形片材与第三平行四边形片材围合的圆筒状结构的曲率相同，在第二平行四边形片材或第四平行四边形片材的两侧、分别与第一平行四边形片材与第三平行四边形片材围合的圆筒状结构通过直径伸缩固定铆钉固定连接。

本发明的另一发明目的，在于提供采用上述大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，包括以下步骤：

将离心机箱放入土工离心机的转臂一侧，并在转臂的另一侧放入与离心机箱相同质量的配重箱；启动土工离心机，达到试验所需离心加速度后，离心机保持离心加速度继续旋转，开始锤击测试，锤击分为重击和轻击；首先进行轻击，通过提物装置控制器控制提物装置将实心球拉至距可变形管桩模型的桩顶1cm~3cm高度处，释放细绳，实心球自由落下，击打可变形管桩模型的桩顶，做桩顶质点的振动速度响应测试，再进行重击，提物装置控制器控制提物装置将实心球拉至距可变形管桩模型的桩顶25cm~35cm高度处，释放细绳，实心球自由落下，可变形管桩模型沉入地基土模型中，模拟实际动力沉桩过程；按照先轻击后重击的顺序，交替锤击若干次，通过光测系统装置观测，直至可变形管桩模型沉入深度达到标记处，停止重击，进行最后一次轻击，轻击后提物装置提起实心球；

轻击时，速度传感器测得可变形管桩模型的桩顶质点振动速度，由速度检测仪纪录保存，第一次轻击，速度传感器测得的数据为可变形管桩模型未打入地基土模型前的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点初始振动速度；中间轻击过程速度传感器测得的数据，为可变形管桩模型打入地基土模型中的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点中间振动速度；最后一次轻击，速度传感器测得的数据为可变形管桩模型沉入地基土模型时的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点终点振动速度；在重击沉桩结束后，光纤光栅传感器测得可变形管桩模型在不同深度处受到的地基土模型的摩擦阻力和进入管桩内部不同高度处的土塞摩擦阻力，并由解调仪纪录试验数据。

本发明的有益效果是：本发明具体实施例通过该大直径管桩的动力测试装置及方法，通过在离心条件下测试，解决室内测试法因土体试样缩尺而引起的自重应力损失的问题，准确测得管桩模型试验中桩顶质点振动速度以及动力沉桩过程所受阻力，为实际工程动力沉桩过程及桩身质量评价提供技术支撑。同时，该方案提供的可变形管桩模型，可准确根据管桩尺寸和离心加速度确定可变形管桩模型的直径和高度尺寸，试验结果准确性高，同时节省材料，降低试验成本。此外，本发明亦可将管桩模型设置有缺陷的模型用于桩身完整性对比试验，试验结果与理论和数值模拟对比进行验证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例离心机箱的结构示意图。

图2是本发明实施例可变形管桩模型直径伸缩固定图。

图3是本发明实施例可变形管桩模型的高度伸缩示意图。

图4是本发明实施例可变形管桩模型直径扩变示意图。

图5是本发明实施例光纤光栅传感器位置示意图。

图6是本发明实施例土工离心机主视图。

图7是本发明实施例土工离心机俯视图。

附图中，1-模型槽、2-离心机箱、3-粉质黏土层、4-粉土层、5-粉砂层、6-可变形管桩模型、7-管桩固定架、8-速度传感器、9-光纤光栅传感器、10-速度检测仪、11-导线、12-实心球、13-导管固定架、14-细绳、15-提物装置、16-导管、17-光测系统装置、18-配重箱、19-转台、20-数采系统、21-转臂、22-跳线、23-解调仪；

6-1-第一平行四边形片材、6-2-第二平行四边形片材、6-3-第三平行四边形片材、6-4-第四平行四边形片材。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~图7所示，大直径管桩的动力测试装置，包括土工离心机，用于试验提供高速旋转，可提供最大离心加速度为100g，土工离心机包括转臂21，转臂21中心位置固定于转台19，转台19带动转臂21旋转，转臂21中心处设置数采系统20，数采系统20的通道数为32道，最高采样频率为1000kHz/通道，用于采集土工离心机工作状态时的运行参数，转臂21的两端分别设置配重箱18和离心机箱2，离心机箱2用于提供可变形管桩模型6的动力测试的空间。

离心机箱2的形状优选为方形箱，其尺寸优选为长1.2m×宽1.2m×高1.5m，离心机箱2的内顶部中央设置有提物装置15，提物装置15的下端连接有细绳14，细绳14的下端连接实心球12，细绳14的承重需远大于实心球12在Ng离心条件下的N倍实际质量，提物装置15、细绳14、实心球12的外部套设有导管16，用于控制实心球12下落的方向，导管16为透明材料制成，导管16的上端固定在离心机箱2的内顶上部，导管16的下端为敞口结构，实心球12用于锤击可变形管桩模型6的桩顶，实心球12的直径小于导管16直径即可，其质量优选为10~20kg，提物装置15与提物装置控制器无线信号连接，提物装置控制器设置在提物装置15的可接收信号范围内，提物装置控制器用于控制提物装置15拉起或落下实心球12，导管16的外部套设有导管固定架13，用于使导管16的位置稳定固定，导管固定架13通过螺丝固定在离心机箱2的内壁上，实心球12的正下方设置有可变形管桩模型6，可变形管桩模型6垂直立于地基土模型上，地基土模型设置在模型槽1中，模型槽1设置在离心机箱2的底部中央，模型槽1优选为方形钢槽，其具体尺寸优选为长0.6m×宽0.6m×高0.8m，模型槽1用于使地基土模型成型，模型槽1的框架均采用角钢，框架的侧壁和底部均采用有机玻璃板组装而成，有机玻璃板的接缝处涂密封胶，有机玻璃板组装完成后侧壁内部和底部上面均设置有塑料薄膜，用于防止试验过程中地基土模型含水量发生变化，可变形管桩模型6的端头外侧对称设置有两个速度传感器8，速度传感器8为压阻式传感器，量程为100g，体积小，尺寸优选为长2mm×宽2mm×厚1mm，稳定性较好，工作温度为-40℃~85℃，耐各种恶劣环境，其接口及壳体均采用不锈钢封装，具有良好的动静态特性，速度传感器8与设置在离心机箱2的内壁上的速度检测仪10信号连接，速度检测仪10有记忆功能，用于检测可变形管桩模型6的桩顶质点的振动速度。可变形管桩模型6的内外壁均贴有光纤光栅传感器9，用于测量沉桩过程中可变形管桩模型6与进入其中的地基土之间的摩阻力，每个光纤光栅传感器9均通过跳线22与解调仪23连接，解调仪23设置在模型槽1内地基土模型上端的一侧，用于连接各光纤光栅传感器9，并解调纪录各光纤光栅传感器9采集的数据，可变形管桩模型6的外部套设有管桩固定架7，用于固定可变形管桩模型6，管桩固定架7通过两端设置的伸缩杆固定在模型槽1的内壁上，具体是通过调整管桩固定架7两端设置的伸缩杆的长度，并分别通过伸缩杆端头的防滑底座固定在模型槽1的内壁上，地基土模型为设置在模型槽1内的三层土样，模型槽1的底部上设置粉砂层5，粉砂层5的厚度范围是10cm~15cm，粉砂层5的上部设置粉土层4，粉土层4的厚度范围是10cm~20cm，粉土层4的上部设置粉质黏土层3，粉质黏土层3的厚度范围是10cm~20cm，地基土模型为自下而上依次设置的粉砂层5、粉土层4、粉质黏土层3，用于模拟实际状态下的地基土层分布，离心机箱2的内顶部一侧设置有光测系统装置17，光测系统装置17包括摄像头，摄像头的朝向对准可变形管桩模型6的方向，用于拍摄实验过程中离心机箱2内的视频， 光测系统装置17与控制计算机信号连接。

可变形管桩模型6分为上段、中段和下段，每一段均由四块平行四边形片材构成圆筒状结构，分别为：一对对向设置的第一平行四边形片材6-1和第三平行四边形片材6-3，另一对对向设置的第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4，第一平行四边形片材6-1与第三平行四边形片材6-3作为外层片材，第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4作为内层片材，第一平行四边形片材6-1与第三平行四边形片材6-3围合成一个在两侧接口处留有一定宽度间隙的圆筒状结构，两处间隙的宽度可随缩尺后管桩模型直径随时调整，提高了可变形管桩模型6的重复利用率，在两个留有一定宽度间隙的接口处内侧分别设置第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4作为内层片材，第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4弯曲的曲率与第一平行四边形片材6-1与第三平行四边形片材6-3围合的圆筒状结构的曲率相同，在第二平行四边形片材6-2或第四平行四边形片材6-4的两侧、分别与第一平行四边形片材6-1与第三平行四边形片材6-3围合的圆筒状结构通过直径伸缩固定铆钉固定连接。

可变形管桩模型6可变形为不同尺寸的管桩模型，用于模拟各种不同直径及高度的管桩，这种设置方式的优势在于：实际中同一尺寸大小的管桩在不同转速离心条件下或不同尺寸大小的管桩在相同转速离心条件下所对应的管桩模型尺寸大小不同，以往离心试验，一般都是按照确定尺寸大小定制多个不可变形的管桩模型，当离心试验转速不同时或实际大小不同的管桩较多时，需要定制的管桩模型的数量很大。本申请采用可变形管桩模型6，与土工离心机离心试验结合，制备得到大直径管桩的动力测试装置，可根据试验情况不同，及时调整管桩模型大小，并且由于可变形管桩模型6的可变形性，节约制作管桩模型的材料，节省制作管桩模型的时间，与离心试验更为契合，更加快速、便捷地进行大直径管桩的动力测试试验。

可变形管桩模型6，选用弹性模量与混凝土弹性模量相接近的钢材料制作，上下伸缩可改变管桩模型的高度，旋转伸缩可改变管桩模型的直径，通过直径伸缩固定铆钉固定其直径尺寸，通过高度伸缩固定铆钉固定其高度尺寸，本申请地基土模型的厚度应大于可变形管桩模型6的桩身长度的2/3。

以可变形管桩模型6的桩底至桩身长度的2/3处的长度为基础，在可变形管桩模型6的内外壁的竖直方向上等间距设置有光纤光栅传感器9。

大直径管桩的动力测试装置的安装，包括以下步骤：

步骤一、地基土模型制作：

模型槽1的框架采用角钢，首先用角钢构建框架，框架的侧壁和底部均安装有机玻璃板，有机玻璃板的接口处粘贴密封胶，有机玻璃板组装后侧壁内部和底部上面均铺设塑料薄膜，防止试验时模型槽1内地基土模型的含水量发生变化，完成模型槽1的拼接组装；

其次向模型槽1中按照粉砂层5、粉土层4、粉质黏土层3的顺序自下而上依次填入，本申请优选填入八层土层，每填一层，对土层进行一定程度的压实，每填下一层时，需对上一层土层的表面进行拉毛，每完成一层，在该层非可变形模型桩6打入区用环刀采样，测试该土层的密度、含水率和压缩度指标，与现场采集的天然地基的测定指标相近时（含水率相差±1%，密度、压实度相差±2%范围内），地基土填入完成后在模型槽1的上表面上覆盖塑料薄膜至密封的状态，防止水分蒸发散失，静置一周，使地基土充分固结，完成地基土模型的制作。

步骤二、确定可变形管桩模型6的试验尺寸：根据实际工程中的管桩的直径和桩长，在离心机Ng的转速下，缩尺比例为1/N，确定可变形管桩模型6的试验直径尺寸和试验桩长尺寸，可变形管桩模型6分为上段、中段和下段，为了便于操作，按照“先调整直径，再调整桩长”的调整原则，首先调整中段的直径：将第一平行四边形片材6-1和第三平行四边形片材6-3对向设置，围合成可变形管桩模型6的试验直径尺寸的圆筒状结构，在圆筒状结构的两处接口处分别将第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4放置于圆筒状结构内层，第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4的曲率与圆筒状结构的曲率相同，然后通过直径伸缩固定铆钉将第二平行四边形片材6-2和第四平行四边形片材6-4的两侧分别与圆筒状结构固定连接，形成试验直径尺寸的中段，然后以中段的外径为直径，分别确定并调整上段和下段的直径，然后再调整可变形管桩模型6的长度，首先根据确定的可变形管桩模型6的试验桩长尺寸，确定上段和下段套住的中段的长度，通过高度伸缩固定铆钉分别将上段与中段、中段与下段固定连接，完成可变形管桩模型6的尺寸调整。

下次使用时，只需要根据新确定的试验直径尺寸，调整中段的直径尺寸，取下中段的直径伸缩固定铆钉和高度伸缩固定铆钉，沿径向向外拉伸或向内挤压收缩各平行四边形片材，改变中段的直径大小，在游标卡尺的测量下，调整中段的直径大小为确定的试验直径尺寸，然后各片材之间通过直径伸缩固定铆钉固定连接，然后再分别调整上段和下段的直径尺寸，然后再根据新确定的试验桩长尺寸，在刻度尺的测量下，通过向外拉伸或向内压缩，改变上下段套住的中段的长度，再通过高度伸缩固定铆钉分别将上段与中段、中段与下段固定连接，完成可变形管桩模型6的尺寸调整。

可变形管桩模型6的尺寸调整后，作为当次试验用管桩模型，用刻度尺测量，在当次试验用管桩模型上距桩底2/3位置处采用记号笔作上标记，作为标记处。

以实际尺寸长10m，直径100cm的管桩为例，在20g的离心加速度下，模型管桩的尺寸长为50cm，直径为5cm，用铆钉枪取下各固定铆钉，采用刻度尺测量，调整可变形管桩模型6为计算后的尺寸，即为本次试验的管桩模型，将各段各部分采用固定铆钉固定连接，防止试验时固定铆钉松动、管桩模型尺寸大小发生改变，如图1所示。采用记号笔，用刻度尺测量，在可变形管桩模型6上距桩底2/3处（距桩底约33.3cm）位置作上标记。标记尽可能明显，通过光测系统装置17可清晰观察到。

步骤三、布置光纤光栅传感器9：以可变形管桩模型6的桩底至作标记处的长度为基础，在可变形管桩模型6的内外壁的竖直方向上等间距贴放光纤光栅传感器9，距桩底2.5cm开始，间距为5cm等间距贴光纤光栅传感器9，以调整后的可变形模型管桩6长度为50cm为例，光纤光栅传感器9的布设方案如图2所示，然后将光纤光栅传感器9与解调仪23通过跳线22相连，跳线22足够长，解调光纤光栅传感器9采集的数据。由于试验过程时间较短，光纤光栅传感器9可不考虑温度补偿。

步骤四、测试装置安装：将模型槽1转移并固定于土工离心机的离心机箱2中，地基土模型已整平好的打入点区域竖向垂直安放可变形管桩模型6，并使用管桩固定架7在水平方向上对可变形管桩模型6进行固定，确保可变形管桩模型6在打入过程中不会倾斜，可变形管桩模型6的顶端两侧安放速度传感器8，将速度传感器8通过导线11与速度检测仪10相连，为确保导线11足够长，可以将速度检测仪10固定在离心机箱2的侧壁，实心球12通过细绳14与提物装置15相连，提物装置15固定于可变形管桩模型6正上方的离心机箱2的内顶部，导管16套于实心球12外侧，并通过导管固定架13固定。

本发明采用上述装置进行的大直径管桩的动力测试方法，具体按照以下步骤进行：

大直径管桩的动力测试装置全部安装完成后，将离心机箱2放入土工离心机的转臂21一侧，并在转臂21的另一侧放入与离心机箱2相同质量的配重箱18；启动土工离心机，达到试验所需离心加速度后，离心机保持离心加速度继续旋转，开始锤击测试，锤击分为重击和轻击，首先进行轻击，通过提物装置控制器控制提物装置15将实心球12拉至距可变形管桩模型6的桩顶1cm~3cm高度处，释放细绳14，实心球12自由落下，击打可变形管桩模型6的桩顶，做桩顶质点的振动速度响应测试，再进行重击，提物装置控制器控制提物装置15将实心球12拉至距可变形管桩模型6的桩顶25cm~35cm高度处，释放细绳14，实心球12自由落下，重力势能作用下将可变形管桩模型6沉入地基土模型中，模拟实际动力沉桩过程；按照先轻击后重击的顺序，交替锤击若干次，通过光测系统装置17观测，直至可变形管桩模型6沉入深度达到标记处，停止重击，进行最后一次轻击，轻击后提物装置15提起实心球12，轻击过程中，由于桩体沉入深度与重击阶段相比较小，轻击桩体沉入深度忽略不计。

轻击时，速度传感器8测得可变形管桩模型6的桩顶质点振动速度，由速度检测仪10纪录保存，第一次轻击，速度传感器8测得的数据为可变形管桩模型6未打入地基土模型前的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点初始振动速度；中间轻击过程速度传感器8测得的数据，为可变形管桩模型6打入地基土模型中的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点中间振动速度；最后一次轻击，速度传感器8测得的数据为可变形管桩模型6沉入地基土模型时的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点终点振动速度；在重击沉桩结束后，光纤光栅传感器9测得可变形管桩模型6在不同深度处受到的地基土模型的摩擦阻力和进入管桩内部不同高度处的土塞摩擦阻力，并由解调仪23纪录试验数据。

本申请得到沉桩摩擦阻力的方式与现有技术相比，采用离心条件下由大直径管桩的动力测试装置测得，突破了以往模型管桩土塞效应测试中未能考虑到由于模型缩尺导致与实际沉桩应力状态不符的因素，使得测定值更为准确。

需要说明的是，在本申请中，诸如第一、第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，所述大直径管桩的动力测试装置包括土工离心机，土工离心机包括转臂(21)，转臂(21)中心位置固定于转台(19)，转臂(21)中心处还设置数采系统(20)，所述转臂(21)的两端分别设置配重箱(18)、离心机箱(2)；

所述离心机箱(2)的内顶部中央设置有提物装置(15)，提物装置(15)的下端连接有细绳(14)，细绳(14)的下端连接实心球(12)，提物装置(15)、细绳(14)、实心球(12)的外部套设有导管(16)，导管(16)的外部套设有导管固定架(13)，导管固定架(13)固定在离心机箱(2)的内壁上，实心球(12)的正下方设置有可变形管桩模型(6)，可变形管桩模型(6)垂直立于地基土模型上，地基土模型设置在模型槽(1)中，模型槽(1)设置在离心机箱(2)的底部中央，可变形管桩模型(6)的端头外侧对称设置有两个速度传感器(8)，速度传感器(8)与设置在离心机箱(2)的内壁上的速度检测仪(10)信号连接，可变形管桩模型(6)的内外壁均贴有光纤光栅传感器(9)，用于测量沉桩过程中可变形管桩模型(6)与进入其中的地基土之间的摩阻力，可变形管桩模型(6)的外部套设有管桩固定架(7)，管桩固定架(7)通过两端设置的伸缩杆固定在模型槽(1)的内壁上，离心机箱(2)的内顶部一侧设置有光测系统装置(17)，光测系统装置(17)包括摄像头，摄像头的朝向对准可变形管桩模型(6)的方向，光测系统装置(17)与控制计算机信号连接；

所述实心球(12)的直径小于导管(16)直径，其质量为10kg～20kg；

所述可变形管桩模型(6)分为上段、中段和下段，每一段均由四块平行四边形片材构成圆筒状结构，分别为：一对对向设置的第一平行四边形片材(6-1)和第三平行四边形片材(6-3)，另一对对向设置的第二平行四边形片材(6-2)和第四平行四边形片材(6-4)，第一平行四边形片材(6-1)与第三平行四边形片材(6-3)作为外层片材，第二平行四边形片材(6-2)和第四平行四边形片材(6-4)作为内层片材，第一平行四边形片材(6-1)与第三平行四边形片材(6-3)围合成一个在两侧接口处留有一定宽度间隙的圆筒状结构，在两个留有一定宽度间隙的接口处内侧分别设置第二平行四边形片材(6-2)和第四平行四边形片材(6-4)作为内层片材，第二平行四边形片材(6-2)和第四平行四边形片材(6-4)弯曲的曲率与第一平行四边形片材(6-1)与第三平行四边形片材(6-3)围合的圆筒状结构的曲率相同，在第二平行四边形片材(6-2)或第四平行四边形片材(6-4)的两侧、分别与第一平行四边形片材(6-1)与第三平行四边形片材(6-3)围合的圆筒状结构通过直径伸缩固定铆钉固定连接；

可变形管桩模型(6)，选用弹性模量与混凝土弹性模量相接近的钢材料制作，通过直径伸缩固定铆钉固定直径尺寸，通过高度伸缩固定铆钉固定高度尺寸，地基土模型的厚度应大于可变形管桩模型(6)的桩身长度的2/3；

下次使用时，只需要根据新确定的试验直径尺寸，调整中段的直径尺寸，取下中段的直径伸缩固定铆钉和高度伸缩固定铆钉，沿径向向外拉伸或向内挤压收缩各平行四边形片材，改变中段的直径大小，在游标卡尺的测量下，调整中段的直径大小为确定的试验直径尺寸，然后各片材之间通过直径伸缩固定铆钉固定连接，然后再分别调整上段和下段的直径尺寸，然后再根据新确定的试验桩长尺寸，在刻度尺的测量下，通过向外拉伸或向内压缩，改变上下段套住的中段的长度，再通过高度伸缩固定铆钉分别将上段与中段、中段与下段固定连接，完成可变形管桩模型(6)的尺寸调整；

包括以下步骤：

将离心机箱(2)放入土工离心机的转臂(21)一侧，并在转臂(21)的另一侧放入与离心机箱(2)相同质量的配重箱(18)；启动土工离心机，达到试验所需离心加速度后，离心机保持离心加速度继续旋转，开始锤击测试，锤击分为重击和轻击；首先进行轻击，通过提物装置控制器控制提物装置(15)将实心球(12)拉至距可变形管桩模型(6)的桩顶1cm～3cm高度处，释放细绳(14)，实心球(12)自由落下，击打可变形管桩模型(6)的桩顶，做桩顶质点的振动速度响应测试，再进行重击，提物装置控制器控制提物装置(15)将实心球(12)拉至距可变形管桩模型(6)的桩顶25cm～35cm高度处，释放细绳(14)，实心球(12)自由落下，可变形管桩模型(6)沉入地基土模型中，模拟实际动力沉桩过程；按照先轻击后重击的顺序，交替锤击若干次，通过光测系统装置(17)观测，直至可变形管桩模型(6)沉入深度达到标记处，停止重击，进行最后一次轻击，轻击后提物装置(15)提起实心球(12)；

轻击时，速度传感器(8)测得可变形管桩模型(6)的桩顶质点振动速度，由速度检测仪(10)纪录保存，第一次轻击，速度传感器(8)测得的数据为可变形管桩模型(6)未打入地基土模型前的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点初始振动速度；中间轻击过程速度传感器(8)测得的数据，为可变形管桩模型(6)打入地基土模型中的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点中间振动速度；最后一次轻击，速度传感器(8)测得的数据为可变形管桩模型(6)沉入地基土模型时的桩顶质点振动速度，作为桩顶质点终点振动速度；在重击沉桩结束后，光纤光栅传感器(9)测得可变形管桩模型(6)在不同深度处受到的地基土模型的摩擦阻力和进入管桩内部不同高度处的土塞摩擦阻力，并由解调仪(23)纪录试验数据。

2.根据权利要求1所述的一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，所述离心机箱(2)的形状为方形箱，其尺寸为长1.2m×宽1.2m×高1.5m。

3.根据权利要求1所述的一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，所述导管(16)为透明材料制成，导管(16)的上端固定在离心机箱(2)的内顶上部，导管(16)的下端为敞口结构。

4.根据权利要求1所述的一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，所述提物装置(15)与提物装置控制器无线信号连接，提物装置控制器设置在提物装置(15)的可接收信号范围内。

5.根据权利要求1所述的一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，所述模型槽(1)为方形钢槽，用于使地基土模型成型，模型槽(1)的框架均采用角钢，框架的侧壁和底部均采用有机玻璃板组装而成，有机玻璃板的接缝处涂有密封胶，组装完成后的有机玻璃板侧壁内部和底部上面均设置有塑料薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，每个所述光纤光栅传感器(9)均通过跳线(22)与解调仪(23)连接，解调仪(23)设置在模型槽(1)内地基土模型上端的一侧，用于连接各光纤光栅传感器(9)，并解调纪录各光纤光栅传感器(9)采集的数据。

7.根据权利要求1所述的一种大直径管桩的动力测试装置的动力测试方法，其特征在于，所述地基土模型为设置在模型槽(1)内的三层土样，模型槽(1)的底部上设置粉砂层(5)，粉砂层(5)的厚度范围是10cm～15cm，粉砂层(5)的上部设置粉土层(4)，粉土层(4)的厚度范围是10cm～20cm，粉土层(4)的上部设置粉质黏土层(3)，粉质黏土层(3)的厚度范围是10cm～20cm。

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