CN113513054B - 一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置与方法，所述装置包括钢筋笼、桩端倒T形压浆装置和带有光纤式压力传感器的高压弹性胶囊，其中高压弹性胶囊通过高压油管外接油泵向弹性胶囊内充入高压油液，使弹性胶囊完全膨胀能与注浆过程中浆液有效接触，利用高压弹性胶囊中的光纤式压力传感器和数据采集仪实时监测并存储高压弹性胶囊内部油压的动态变化，且传输至后台处理器。本发明能有效地解决桩基注浆压力大小的精准确定且受人为因素干扰的难题，可通过得到的精确注浆压力对注浆压力参数进行调整，保证压浆的可靠性；其次，可为桩端出浆口的注浆压力精准计算形成统一标准积累试验数据，对分析桩端压力浆液上返高度提供参考依据。

Description

一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及桩基压浆过程技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置及其工作方法。

背景技术

桩基后压浆技术是一种实用性强、应用范围广的工程技术，它已被广泛应用于地下建筑、桥梁、地铁、隧道、输电塔基础、海上风电等各个领域，主要用于增强岩土体的强度和刚度，提高其稳定性能和承载力。目前，国内的灌注桩采用后压浆技术主要是改善其施工工艺的缺陷，提高桩基承载力，减小沉降量，进而可优化设计桩长，节约工程造价。由于后压浆工程是隐蔽工程，其施工质量和压浆效果常常难以进行直观的检查，实际操作需借助于施工过程中压浆参数变化来分析评定，而注浆压力是决定桩基压浆浆液有效扩散范围的关键参数。目前，桩基压浆过程注浆压力大小的选取通常是由施工经验确定，并且确定的注浆压力大小是地面注浆泵压力表的实测值，但实际工程中应考虑桩基压浆过程的注浆压力损失情况，由于桩端出浆口浆液的压力一般小于地面注浆泵压力表的实测值。然而，对桩端出浆口的注浆压力精确计算尚未形成统一的标准，究其原因在于桩基注浆压力测试装置较为落后、经验性取值受人为因素干扰较大，因此桩基后压浆施工过程实时的、动态的监测注浆压力参数对控制压浆效果显得尤为重要。

在超厚软土地层、丰富地下水等复杂环境条件下的桩基压浆加固领域，压浆监测设备和技术还较为落后，目前对注浆压力仍采用注浆泵压力表监测且人工读取记录，还没有专业用于桩基压浆监测注浆压力大小的装置，人为因素对桩基压浆具有一定的干扰性，从而导致后压浆技术推广受到限制。所以提出一种高精度、高效率、智能化的可确定桩基注浆压力大小的测试装置至关重要。

因此，亟待解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种可精准确定桩基注浆压力大小，且形成统一标准的桩端出浆口注浆压力计算公式的高精度、高效率、智能化的测试装置。

本发明的另一个发明目的是提供该一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置的工作方法。

为实现以上目的，本发明所述的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，包括钢筋笼、固定在钢筋笼内侧的桩端倒T形压浆装置、固定在钢筋笼全身的光纤式应变传感器和固定在桩端倒T形压浆装置上端带有光纤式压力传感器的高压弹性胶囊，其中所述桩端倒T形压浆装置包括竖向压浆导管、三通接头和水平向压浆器，该水平向压浆器分别与三通接头左右水平端连接，并将竖向压浆导管下端与三通接头连接形成“⊥”字形；所述三通接头与高压弹性胶囊底部处设有压力测试元件。

其中，所述高压弹性胶囊包括光纤式压力传感器、高压油管、弹性胶囊、传输线路和用于固定弹性胶囊的双层钢环固定夹，该高压油管外接油泵向弹性胶囊内充入高压油液，使弹性胶囊完全膨胀，利用固定在弹性胶囊内的光纤式压力传感器监测注浆压力的变化。

优选的，所述光纤式应变传感器和光纤式压力传感器均通过传输线路连接数据采集仪，利用数据采集仪实时监测并储存压浆关键参数的动态变化，并传输至后台处理器。

进一步，所述钢筋笼内侧四周均匀布设若干个桩端倒T形压浆装置，该桩端倒T形压浆装置的竖向压浆导管顶部通过分配器连接用于灌注水泥浆液的压浆装置。

优选的，所述压浆装置包括搅拌储浆装置、压浆泵、分配器和输浆管，该输浆管上还设有压力传感器。

进一步，所述分配器一端通过多根进浆管连接所有竖向压浆导管，另一端通过一根输浆管连接压浆装置，该进浆管口处设有微型稳压器，保证各单管压浆过程的注浆压力均匀分布。

本发明一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置的工作方法，包括如下步骤：

（1）在钢筋笼绑扎过程中将桩端带倒T形压浆装置安装至钢筋笼内侧，并在桩端倒T形压浆装置上端布设高压弹性胶囊；

（2）将光纤式应变传感器沿钢筋笼全身由上至下均匀布置；

（3）将带有桩端倒T形压浆装置与光纤式应变传感器的钢筋笼吊放至桩位，并进行成桩作业；

（4）浇筑水下混凝土成桩12～24h后，利用清水对桩端倒T形压浆装置进行开塞，保证压浆管路畅通；

（5）待桩身混凝土强度满足要求，对桩基进行后压浆施工，施工前通过高压油管和油泵向高压弹性胶囊内部充入高压油液，使其完全膨胀能与压浆过程中浆液有效接触；

（6）通过分配器将输浆管同时连接所有竖向压浆导管，利用微型稳压器保证各单管压浆过程的注浆压力均匀分布；

（7）桩基压浆过程中利用高压弹性胶囊中的光纤式压力传感器感应高压弹性胶囊内油液的压力及压力测试元件获取桩端出浆口压力值，并通过钢筋笼全身均匀布设的光纤式应变传感器量测桩端压浆的浆液压力对桩端一定范围内的侧摩阻力影响；

（8）数据采集仪显示、传输与存储注浆压力数据，实时监测高压弹性胶囊内部油压的动态变化与桩端压浆浆液压力的动态变化；

（9）将收集到的数据实时传输至后台处理器，通过后台处理软件将获取的进浆口 压力值

与桩端出浆口压力值

进行对比计算，计算公式为

，其 中

为浆液静压力，

为压力损失，得到桩基注浆压力在压浆管路中的压力损失

并存储文件，为桩端出浆口的注浆压力精准计算形成统一标准积累试验数据。

进一步，操作人员可根据注浆压力实时变化数据对注浆压力大小进行及时调整，当压浆量达到设计要求时，调整注浆压力大小达到注浆终止压力，注浆终止压力为压浆终止的判据条件，维持稳定时间不少于5min；当压浆量大于设计要求的80%时，调整注浆压力大小大于1.2倍的注浆终止压力，维持稳定时间不少于5min。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

1）本发明通过在桩端压浆装置上端安装带有光纤式压力传感器的高压弹性胶囊，解决了桩基压浆过程注浆压力大小的精准确定且受人为因素干扰的难题，获取的注浆压力大小可为参数调整提供依据，从而做到精准且有效的压浆，保证压浆的可靠性；

2）本发明利用地表压力传感器获取的进浆口压力值与带光纤式压力传感器的高压弹性胶囊得到的桩端出浆口压力值，可研究桩基注浆压力在压浆管路中的损失变化情况，为桩端出浆口的注浆压力精准计算形成统一的标准提供参考和指导；

3）本发明根据布置在桩身的光纤式应变传感器可得到桩端注浆压力随时间变化对桩端以上一定范围的侧摩阻力产生影响，对分析桩端压力浆液上返高度具有一定依据，且有利于揭示桩-注浆体-土三者相互作用机制；

4）本发明的桩端倒T形压浆装置能使桩端压浆器水平放置在桩底沉渣中，有利于增大水泥浆液与沉渣结合范围，提高桩端沉渣的固化面积，保证压浆工艺合格率；

5）本发明的分配器可同时接到单根桩的所有压浆管口，实现桩端同时压浆，能有效地使桩端压浆更均匀，减小压浆时间；

6）本发明工艺简单，操作方便，安全可靠，经济适用，适合在施工现场安装，便于推广应用。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置的结构示意图；

图2是本发明提供的桩端倒T形压浆装置的结构示意图；

图3是图1中A处的局部放大图；

图4是本发明提供的分配器装置的结构示意图；

图5是本发明的工作方法流程图；

图6是本发明根据试验给出的压力损失与桩长的统计关系示意图；

图7是本发明根据试验给出的不同时间内未消散的注浆压力对侧摩阻力影响示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置与方法包括钢筋笼1、桩端倒T形压浆装置2、光纤式应变传感器3、高压弹性胶囊、压力测试元件5、数据采集仪6、后台处理器7和压浆装置8。该桩端倒T形压浆装置2由竖向压浆导管201、三通接头202和水平向压浆器203组成，竖向压浆导管201通过进浆管14由分配器11连接压浆装置8，该压浆装置8包括搅拌储浆装置9、压浆泵10、分配器11和输浆管12，该输浆管12上还设有压力传感器13；高压弹性胶囊包括光纤式压力传感器401、高压油管402、弹性胶囊403、传输线路404和双层钢环固定夹405，该高压油管402外接油泵向弹性胶囊403内充入高压油液，使弹性胶囊403完全膨胀能与压浆过程中浆液有效接触，利用固定在弹性胶囊403内的光纤式压力传感器401监测其内部油压的动态变化；光纤式应变传感器3均匀布置在钢筋笼全身，光纤式应变传感器3和光纤式压力传感器401均通过传输线路404连接数据采集仪6，利用数据采集仪6实时监测并储存压浆关键参数的动态变化，并传输至后台处理器7。

优选地，本发明中的光纤式应变传感器和光纤式压力传感器可选取高精度光纤光栅式传感器、分布式光纤传感器，压力测试元件可选择柔性薄膜压力传感器、电阻式压力传感器。

如图2所示，本发明的桩端倒T形压浆装置2通过竖向压浆导管201下端与三通接头202连接，并将水平向压浆器203分别与三通接头202左右水平端连接形成“⊥”字形的一种装置，该装置的水平向压浆器203伸出钢筋笼1底部不少于5cm，并且水平向压浆器上设置8mm直径的注浆孔，注浆孔布置形式呈梅花状且其内设有防堵塞件形成单向阀，该防堵塞件包括封堵注浆孔的图钉、包裹封堵有图钉的注浆管外壁的橡胶皮以及包覆于橡胶皮上的密封胶带204。本发明的桩端倒T形压浆装置能使桩端压浆器水平放置在桩底沉渣中，有利于增大水泥浆液与沉渣结合范围，提高桩端沉渣的固化面积，保证压浆工艺合格率。

本发明桩端倒T形压浆装置一般根据桩径大小布设，当

，布设2根桩端 倒T形压浆装置；当

，布设3根桩端倒T形压浆装置；当

，布 设4根桩端倒T形压浆装置。桩端倒T形压浆装置也可以根据设计或工程实际情况进行相应 的调整。

如图3所示，本发明的高压弹性胶囊通过高压油管402外接油泵向弹性胶囊403内充入高压油液，使弹性胶囊403完全膨胀能与注浆过程中浆液有效接触，利用高压弹性胶囊中的光纤式压力传感器401和数据采集仪6实时监测并存储高压弹性胶囊内部油压的动态变化，并且利用高压弹性胶囊底部布设的压力测试元件5进一步获取注浆压力的变化，将收集到的数据实时传输至后台处理器7，对高压弹性胶囊中光纤式压力传感器获取的注浆压力与压力测试元件得到的注浆压力进行对比，根据测试数据结果对注浆压力参数进行及时调整，做到精确且有效地压浆。

如图4所示，本发明的分配器11一端通过多根进浆管14连接所有竖向压浆导管201，另一端通过一根输浆管12连接压浆装置8，该进浆管14口处设有微型稳压器15，微型稳压器15的作用是为了保证各单管压浆过程的注浆压力均匀分布。分配器可同时接到单根桩的所有压浆管口，实现桩端同时压浆，能有效地使桩端压浆更均匀，减小压浆时间。

本发明可利用一种高精度、高效率、智能化的可确定桩基注浆压力大小的测试装置，对桩基压浆过程的注浆压力参数进行动态监测，精准地给出桩基压浆过程注浆压力大小，准确地把握受压地层的条件情况，能快速地评价压浆效果，并进一步合理地改变压浆压力参数，使压浆施工更加合理、有效地进行；该装置创新性的采用光纤传感原理，具有精度高、抗干扰性强、防水、抗压等优点，实时测量数据精确，能有效保证数据的准确性。本发明解决了桩基压浆过程注浆压力大小的精准确定且受人为因素干扰的难题，获取的准确注浆压力大小可为参数调整提供依据，从而做到精准且有效的压浆，保证压浆的可靠性。

如图5所示，本发明公开了一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置的工作方法，包括如下步骤：

（1）在钢筋笼1绑扎过程中将桩端带倒T形压浆装置2安装至钢筋笼1内侧，并在桩端倒T形压浆装置2上端布设高压弹性胶囊；

（2）将光纤式应变传感器3沿钢筋笼1全身由上至下均匀布置；

（3）将带有桩端倒T形压浆装置2与光纤式应变传感器3的钢筋笼1吊放至桩位，并进行成桩作业；

（4）浇筑水下混凝土成桩12～24h后，利用清水对桩端倒T形压浆装置2进行开塞，保证压浆管路畅通；

（5）待桩身混凝土强度满足要求，对桩基进行后压浆施工，施工前通过高压油管402和油泵向高压弹性胶囊内部充入高压油液，使其完全膨胀能与压浆过程中浆液有效接触；

（6）通过分配器11将输浆管12同时连接所有竖向压浆导管201，利用微型稳压器15保证各单管压浆过程的注浆压力均匀分布；

（7）桩基压浆过程中利用高压弹性胶囊中的光纤式压力传感器401感应高压弹性胶囊内油液的压力及压力测试元件5获取桩端出浆口压力值，并通过钢筋笼1全身均匀布设的光纤式应变传感器3量测桩端压浆的浆液压力对桩端一定范围内的侧摩阻力影响；

（8）数据采集仪6能显示、传输与存储注浆压力数据，实时监测高压弹性胶囊内部油压的动态变化与桩端压浆浆液压力的动态变化；

（9）将收集到的数据实时传输至后台处理器7，通过后台处理软件将获取的进浆口压力值与桩端出浆口压力值进行对比计算，得到桩基注浆压力在压浆管路中的压力损失并存储文件，为桩端出浆口的注浆压力精准计算形成统一标准积累试验数据。此外，操作人员可根据注浆压力实时变化数据对注浆压力大小进行及时调整，做到精确且有效地压浆。

考虑到桩端压浆过程中的压力损失情况，桩端出浆口浆液的压力一般小于地面压浆泵压力表的实测值，而桩端出浆口的浆液压力可通过下式计算得

（1）

式中，

为地面压浆泵的终止压力，即压浆结束时持荷5min的平均压力；

为浆 液静压力，可表示为

；

为压力损失，可表示为

；

为浆液沿压浆管道 的阻力损失；

为压浆管道全长，一般认为

。

由于浆液在管道运输过程中能耗包括了浆液与管壁之间的摩擦、颗粒沉降及颗粒 碰撞的三种阻力损失，造成浆液沿管道的阻力损失计算复杂。为了便于工程设计人员使用， 通过现场测得的地面压浆泵的终止压力与桩端出浆口的浆液压力得到了压力损失与桩长 的关系如图6所示。由图可知，

与

的离散性较大，但浆液沿压浆管道的阻力损失

在 0.021～0.062 MPa/m范围内，且按一次线性拟合

取得了较好的效 果。由此可见，通过本发明提供的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，可为桩端出 浆口的注浆压力精准计算形成统一标准积累试验数据。

为了研究桩端后压浆浆液压力对桩产生的侧摩阻力，通过桩身布置的光纤式应变传感器监测桩端浆液压力的变化。对桩端压浆后0.5h、1h、2h、4h、6h及24h的光纤式应变传感器读数进行观测记录，可得到了不同时间内未能消散的压力产生的侧摩阻力随深度变化分布如图7所示。

需要注意的是，本发明中所提及到的“侧摩阻力”是由于预压作用产生的沿桩身向下的摩阻力，而非通常意义上因桩的沉降大于桩侧土体的沉降而引起的摩阻力。由图7可知，桩侧摩阻力随时间增长逐渐减小，最后趋于一稳定值，表明桩端浆液压力随时间逐渐消散。压浆结束后24h，桩端未能消散的压力在桩端形成残余应力，残余应力值为0.62MPa。当桩顶受到竖向荷载作用时，由下而上的预应力将承担部分荷载，使桩端以上12m左右范围内提前参与作用，桩土界面处负摩阻力逐渐转变为正摩阻力。因此，桩端后压浆对桩的荷载传递特性会产生明显影响。

本发明提出的一种高精度、高效率、智能化的可确定桩基注浆压力大小的测试装置有效地解决了桩基压浆过程注浆压力大小的精准确定且受人为因素干扰的难题，可通过得到的精确注浆压力对注浆压力参数调整，保证压浆的可靠性；利用地表压力传感器获取的进浆口压力值与带光纤式压力传感器的高压弹性胶囊得到的桩端出浆口压力值，可研究桩基注浆压力在压浆管路中的损失变化情况，为桩端出浆口的注浆压力精准计算形成统一的标准提供参考和指导；采用布置在桩身的光纤式压力传感器可得到桩端注浆压力随时间变化对桩端以上12m范围内的侧摩阻力产生影响，对分析桩端压力浆液上返高度具有一定依据，且有利于揭示桩-注浆体-土三者相互作用机制；本发明的桩基压浆过程注浆压力大小测试装置构造简单，适合在施工现场安装，便于推广应用，取材简单，在施工现场由专业技术人员便可安装使用，与成桩过程同步，可有效节约工程进度，因此便于推广使用。

以上对本发明实施例所提供的方案详细介绍，对于熟悉本领域的技术人员，显然可以容易地对该实施例做出各种修改并将其应用至其他实施例中而不必经过创造性的劳动。综上所述，本发明不限制于上述实施例，凡依本发明设计思想所做的任何改进和修改都在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，其特征在于：包括钢筋笼（1）、固定在钢筋笼（1）内侧的桩端倒T形压浆装置（2）、固定在钢筋笼（1）全身的光纤式应变传感器（3）和固定在桩端倒T形压浆装置（2）上端带有光纤式压力传感器的高压弹性胶囊（4），所述桩端倒T形压浆装置（2）包括竖向压浆导管（201）、三通接头（202）和水平向压浆器（203），所述水平向压浆器（203）分别与三通接头（202）左右水平端连接，并将竖向压浆导管（201）下端与三通接头（202）连接形成“⊥”字形；所述高压弹性胶囊底部与三通接头（202）的连接处设有压力测试元件（5）；所述高压弹性胶囊（4）包括光纤式压力传感器（401）、高压油管（402）、弹性胶囊（403）、传输线路（404）和用于固定弹性胶囊（403）的双层钢环固定夹（405），所述高压油管（402）外接油泵向弹性胶囊（403）内充入高压油液，使弹性胶囊（403）完全膨胀，利用固定在弹性胶囊（403）内的光纤式压力传感器（401）监测注浆压力的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，其特征在于：所述光纤式应变传感器（3）和光纤式压力传感器（401）均通过传输线路（404）连接数据采集仪（6），利用数据采集仪（6）实时监测并储存压浆关键参数的动态变化，并传输至后台处理器（7）。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，其特征在于：所述钢筋笼（1）内侧四周均匀布设若干个桩端倒T形压浆装置（2），该桩端倒T形压浆装置（2）的竖向压浆导管（201）顶部通过分配器（11）连接，用于灌注水泥浆液的压浆装置（8）。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，其特征在于：所述压浆装置（8）包括搅拌储浆装置（9）、压浆泵（10）、分配器（11）和输浆管（12），所述输浆管（12）上还设有压力传感器（13）。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置，其特征在于：所述分配器（11）一端通过多根进浆管（14）连接所有竖向压浆导管（201），另一端通过一根输浆管（12）连接压浆装置（8），所述进浆管（14）口处设有微型稳压器（15），保证各单管压浆过程的注浆压力均匀分布。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在钢筋笼（1）绑扎过程中将桩端带倒T形压浆装置（2）安装至钢筋笼（1）内侧，并在桩端倒T形压浆装置（2）上端布设高压弹性胶囊（4）；

（2）将光纤式应变传感器（3）沿钢筋笼（1）全身由上至下均匀布置；

（3）将带有桩端倒T形压浆装置（2）与光纤式应变传感器（3）的钢筋笼（1）吊放至桩位，并进行成桩作业；

（4）浇筑水下混凝土成桩12～24h后，利用清水对桩端倒T形压浆装置（2）进行开塞，保证压浆管路畅通；

（5）待桩身混凝土强度满足要求，对桩基进行后压浆施工，施工前通过高压油管（402）和油泵向高压弹性胶囊（4）内部充入高压油液，使其完全膨胀能与压浆过程中浆液有效接触；

（6）通过分配器（11）将输浆管（12）同时连接所有竖向压浆导管口（201），利用微型稳压器（15）对各单管注浆压力设定相同值，避免由分配器（11）输出的浆液压力过大或过小而影响压浆效果，从而保证各单管压浆过程的注浆压力均匀分布；

（7）桩基压浆过程中利用高压弹性胶囊（4）中的光纤式压力传感器（401）感应高压弹性胶囊（4）内油液的压力及压力测试元件（5），获取桩端出浆口压力值，并通过钢筋笼（1）全身均匀布设的光纤式应变传感器（3）量测桩端压浆的浆液压力对桩端以上12m范围内的侧摩阻力影响，侧摩阻力通过桩基静载试验中桩身布设测试元件的方法进行获取；

（8）数据采集仪（6）显示、传输与存储注浆压力数据，实时监测高压弹性胶囊（4）内部油压的动态变化与桩端压浆浆液压力的动态变化；

（9）将收集到的数据实时传输至后台处理器（7），通过后台处理软件将获取的进浆口压力值P _t与桩端出浆口压力值P _b进行对比计算，计算公式为P _b＝P _t＋P _g－ΔP，其中P _g为浆液静压力，ΔP为压力损失，得到桩基注浆压力在压浆管路中的压力损失ΔP并存储文件，为桩端出浆口的注浆压力精准计算形成统一标准积累试验数据。

7.根据权利要求6所述的基于光纤传感的桩基注浆压力测试装置的工作方法，其特征在于：根据注浆压力实时变化数据对注浆压力大小进行及时调整，当压浆量达到设计要求时，调整注浆压力大小达到注浆终止压力，注浆终止压力为压浆终止的判据条件，维持稳定时间不少于5min；当压浆量大于设计要求的80%时，调整注浆压力大小大于1.2倍的注浆终止压力，维持稳定时间不少于5min。

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