CN113605467B - 一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置及试验方法，试验装置包括上段桩、下段桩、桩身千斤顶、拔桩装置和位移测量装置，本发明将桩身千斤顶设于下段桩顶部和上段桩底部之间，首先启动桩身千斤顶，通过桩身千斤顶逐步施加载荷分级加载，通过载荷传感器记录实时载荷，并通过位移测量装置分别测量上段桩和下段桩的位移；当下段桩先到达极限状态，启动拔桩装置对上段桩施加拔桩力，直至上段桩达到极限状态；当上段桩先达到极限状态，则在上段桩顶部施加配重试块，然后继续加载桩身千斤顶，直至下段桩达到极限状态，根据上段桩的极限载荷和下段桩的极限载荷计算桩基承载力。本发明能解决平衡点不准的问题，准确计算出桩基承载力。

Description

一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于土木领域，涉及一种自平衡试桩技术，具体涉及一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置及试验方法，用于自平衡试桩法精准测量桩基的极限承载力。

背景技术

自平衡试桩法利用桩自身反力平衡的原理，首先预先埋设桩身的自平衡箱，在试验时通过油泵对自平衡箱的千斤顶进行上下段桩施加荷载，使上段桩产生向上的位移，使桩侧摩阻力达到极限状态；同时对下段桩施加向下的压力，使下段桩产生向下的位移，使桩侧摩阻力和端阻力达到极限状态。当上下段桩同时达到极限承载力之后，通过公式可得到整个桩基的承载力。自平衡试桩法由于不需要额外的静载压重平台或者锚桩反力系统，能够适用于各种试验场地和大吨位桩基，具有试验方便和费用低廉等优点，因此在国内外逐渐得到广泛应用。

但是在试验过程中由于难以精确算出平衡点的位置，使得在试验桩在没有到达极限荷载之前就被顶出来或者测不出来真实的极限荷载，导致实际测量出来的桩基承载力小于理论中上下段桩同时达到的极限承载能力。所以针对上述问题，现提出自平衡桩基平衡点补偿方法，使得实际测量出的桩基承载力更接近理论值。

发明内容

本发明针对上述问题而提出一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置及试验方法，利用拔桩装置和配重试块做平衡补偿，解决桩基平衡点确定不够精确的问题，从而计算出准确的桩基承载力。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置，其特征在于：包括上段桩、下段桩、桩身千斤顶、拔桩装置和位移测量装置，所述桩身千斤顶设于下段桩顶部和上段桩底部之间，且桩身千斤顶与上段桩底部之间还设有载荷传感器，所述拔桩装置安装于上段桩顶部的地面上，用于对上段桩进行拔桩，所述位移测量装置用于分别测量上段桩和下段桩的位移。

进一步地，所述位移测量装置包括位移测量仪和位移杆，所述位移杆顶部与位移测量仪相连，所述位移测量仪固定在结构件或者支撑件上，位移杆下端与桩基相连，其中一个位移测量装置的位移杆自由穿过上段桩后与下段桩相连，用于测量下段桩的位移；另一个位移测量装置的位移杆与上段桩相连，用于测量上段桩的位移。

进一步地，所述拔桩装置包括穿心千斤顶、锚索和支撑平台，所述支撑平台设于上段桩顶部的地面上，所述穿心千斤顶安装在支撑平台上，所述锚索下端固定在上段桩上，上端安装在穿心千斤顶上，通过穿心千斤顶提供拔桩力。

进一步地，所述下段桩顶部、上段桩底部和上段桩顶部均设有封端板。

进一步地，所述锚索下端固定在上段桩的桩底封端板上，用于测量上段桩的位移杆下端也固定在桩底封端板上，用于测量下段桩的位移杆下端固定在下段桩顶部的封端板上。

进一步地，桩基自平衡试验装置还包括用于给桩身千斤顶和穿心千斤顶提供液压油的油站或者油泵。

进一步地，所述上段桩和下段桩之间还设有将桩身千斤顶和载荷传感器保护起来的荷载箱保护盒。

一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验方法，采用上述任意一项所述的桩基自平衡试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建桩基自平衡试验装置，准备配重试块；

步骤2、启动桩身千斤顶，通过桩身千斤顶逐步施加载荷分级加载，通过载荷传感器记录实时载荷，并通过位移测量装置分别测量上段桩和下段桩的位移；

步骤3、通过上段桩和下段桩的位移判断上段桩和下段桩是否达到极限状态；

步骤4、当下段桩先到达极限状态，则停止桩身千斤顶进一步加载，启动拔桩装置对上段桩施加拔桩力，直至上段桩也达到极限状态，根据上段桩的极限载荷和下段桩的极限载荷计算桩基承载力；当上段桩先达到极限状态，则在上段桩顶部施加配重试块稳定上段桩，然后继续加载桩身千斤顶，直至下段桩达到极限状态，根据上段桩的极限载荷和下段桩的极限载荷计算桩基承载力。

进一步地，步骤2的分级加载中，每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级按2倍分级荷载加荷并记录数据，每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次，认为已达到相对稳定，进行下一级加载。

进一步地，步骤3中，判断是否达到极限状态为满足下列情况之一：

(1)桩身千斤顶已达到极限加载值；

(2)某级荷载作用下，桩的位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍；

(3)某级荷载作用下，桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；

(4)桩的累计上拔量超过100mm，所述的桩为上段桩或者下段桩。

工作原理

从理论上来说，只有当荷载箱设置在上，下段桩支撑反力相等的平衡点，才能真实地测出上下段桩的极限承载力，在实况中，人们通过经验预估平衡点的位置，现场测试时容易出现以下情况：

当荷载箱设置在理论平衡点之上时，上段桩先到达极限状态，而下段桩还能继续承载。则将配重试块置于上段桩上方，用于防止上段桩向上移动，接着通过桩身千斤顶对桩身继续施加荷载，直至下段桩达到极限承载力。

当荷载箱设置在理论平衡点之下时。下段桩先到达极限状态，而上段桩还能继续承载。则通过锚索使用穿心千斤顶继续对上段桩测试，直至上段桩达到极限承载力。

本发明有益效果如下：

(一)可得到更加精确的Q-S(沉降-位移)曲线；

(二)可独立测试上下段桩极限承载能力，且桩身能达到极限承载状态；

(三)本发明装置更加简便，加载方式简单直接；

(四)通过结合拔桩方法，在自平衡试桩法基础上进行优化，有效结合两种方法的优点，同时具有经济性、安全性的特点。

(五)本发明利用拔桩装置和配重试块做平衡补偿，解决桩基平衡点确定不够精确的问题，能更加准确的计算出桩基承载力。

附图说明

图1为本发明桩基自平衡试验装置结构示意图。

图2为荷载箱保护盒内部详细示意图。

图3为下段桩桩顶封端板示意图。

图4为上段桩封端板示意图。

图5为下段桩先达到承载极限后上段桩破坏操作示意图。

图6为上段桩先达到承载极限后下段桩破坏操作示意图。

附图标记：101-①号锚索；102-②号锚索；103-穿心千斤顶；104-支撑平台；201-上段位移杆；202-下段位移杆；203-第一千分表，204-第二千分表；301-上段桩桩顶封端板；302-上段桩；303-上段桩桩底封端板；304-下段桩桩顶封端板；305-下段桩；401-荷载箱保护盒；402-载荷传感器；403-桩身千斤顶；404-计算机；405-油泵；501-①号锚索穿孔；502-②号锚索穿孔；601-下段桩桩顶位移杆孔；602-上段桩桩底位移杆孔，700-配重试块。

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。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1至图4所示，一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验装置，包括上段桩302、下段桩305、桩身千斤顶403、拔桩装置和位移测量装置，所述桩身千斤顶403设于下段桩305顶部和上段桩302底部之间，且桩身千斤顶403与上段桩302底部之间还设有载荷传感器402，所述拔桩装置安装于上段桩302顶部的地面上，用于对上段桩302进行拔桩，所述位移测量装置用于分别测量上段桩302和下段桩305的位移。

本发明实施例中，下段桩305的顶部设有下段桩桩顶封端板304，所述下端桩为预制空心管桩结构，所述下段桩桩顶封端板304为钢制，封端板半径与下段桩305为预制的空心管桩桩径一致，下段桩桩顶封端板304的结构如图3所示，其上设置有下段桩桩顶位移杆孔601，用于安装下段位移杆202，下段位移杆202顶端通过千分表记录数据，用于测量下段桩305的位移。较优的，位移杆本身具有一定的刚度，使得测量过程中不会产生弯曲变形。

上段桩302也采用预制空心管桩结构，上段桩302的上下分别设有上段桩桩顶封端板301和上段桩桩底封端板303，上段桩桩顶封端板301和上段桩桩底封端板303的形状一致，均为图4所示，其上设有六个孔，分别为两个①号锚索穿孔501、两个②号锚索穿孔502、下段桩桩顶位移杆孔601和上段桩桩底位移杆孔602，其中①号锚索101两端分别从上段桩桩底封端板303的两个①号锚索穿孔501向上穿，然后自由穿过上段桩302内及上段桩桩顶封端板301的两个①号锚索穿孔501后安装在穿心千斤顶103上；②号锚索102两端分别从上段桩桩底封端板303的两个②号锚索穿孔502向上穿，然后自由穿过上段桩302内及上段桩桩顶封端板301的两个②号锚索穿孔502后安装在穿心千斤顶103上，总共四股锚索将上段桩302与穿心千斤顶103相连，穿心千斤顶103安装在支撑平台104上，支撑平台104安装在上段桩302顶部的地面上，穿心千斤顶103、四股锚索和支撑平台104组成拔桩装置，能够给上段桩302提供向上的拔桩力。

如图2所示，所述荷载箱保护盒401内设有载荷传感器402和桩身千斤顶403，所述载荷传感器402为小型压力传感器，通过压力传感器导线与外面的采集仪连接。压力传感器的中轴线与模型桩、桩身千斤顶403中轴线位于同一直线。较优的，压力传感器具有一定的抗偏载能力以及足够的精度。

本发明位移测量装置有两个，每个位移测量装置均包括一个千分表和一个位移杆，其中，下段位移杆202下端固定在下段桩桩顶封端板304的下段桩桩顶位移杆孔601内，下段位移杆202向上自由的从上段桩桩底封端板303和上段桩桩顶封端板301的下段桩桩顶位移杆孔601依次穿出，然后与第一千分表203相连，通过第一千分表203记录下段桩305的位移；上段位移杆201的下端固定在上段桩桩底封端板303的上段桩桩底位移杆孔602上，向上依次从上段桩302及上段桩桩顶封端板301的上段桩桩底位移杆孔602自由穿出，然后与第二千分表204相连，通过第二千分表204记录上段桩302的位移。本发明位移杆与千分表紧密接触，千分表固定在结构件或者其他支撑件上，位移杆本身为刚性杆，通过千分表读取位移杆的位移，从而分别测量上段桩302和下段桩305的竖向位移。

本发明还提供了一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建桩基自平衡试验装置，准备配重试块700；

步骤2、启动桩身千斤顶403，通过桩身千斤顶403逐步施加载荷分级加载，通过载荷传感器402记录实时载荷，并通过位移测量装置分别测量上段桩302和下段桩305的位移；

步骤3、通过上段桩302和下段桩305的位移判断上段桩302和下段桩305是否达到极限状态；

步骤4、如图5所示，当下段桩305先到达极限状态，则停止桩身千斤顶403进一步加载，启动拔桩装置对上段桩302施加拔桩力，直至上段桩302也达到极限状态，记录桩身千斤顶403施加的载荷和拔桩装置的施加的载荷，桩身千斤顶403施加的载荷即为下段桩305的极限载荷，桩身千斤顶403施加的载荷和拔桩装置的施加的载荷之和即为上段桩302的极限载荷，根据上段桩302的极限载荷和下段桩305的极限载荷计算桩基承载力；

如图6所示，当上段桩302先达到极限状态，记录此时桩身千斤顶403施加的载荷即为上段桩302的极限载荷，则在上段桩302顶部施加配重试块700稳定上段桩302，然后继续加载桩身千斤顶403，直至下段桩305达到极限状态，此时桩身千斤顶403施加的载荷即为下段桩305的极限载荷，根据上段桩302的极限载荷和下段桩305的极限载荷计算桩基承载力。

桩基竖向承载力Q的计算公式如下：

上式中，K为转换系数，Q_u ^-为上段桩极限承载力，G_上为上段桩体自重，Q_d ⁺为下段桩极限承载力。

需要说明的是，本发明桩身千斤顶403和穿心千斤顶103通过油站或者油泵405提供动力，具体方式为公知常识，本发明不再赘述。

本发明位移测量装置记录数据以及计算数据即可人工进行，也可以连接到计算机，通过计算机404计算，同样的，桩身千斤顶403和穿心千斤顶103既可以手动控制，也可以连接到计算机404，通过计算机404控制。

步骤2的分级加载中，每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级按2倍分级荷载加荷并记录数据，每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次，认为已达到相对稳定，进行下一级加载。

步骤3中，判断是否达到极限状态为满足下列情况之一：

(1)桩身千斤顶403已达到极限加载值；

(2)某级荷载作用下，桩的位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍；

(3)某级荷载作用下，桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；

(4)桩的累计上拔量超过100mm，所述的桩为上段桩302或者下段桩305。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种具有平衡点补偿功能的桩基自平衡试验方法，采用的桩基自平衡试验装置包括上段桩、下段桩、桩身千斤顶、拔桩装置和位移测量装置，所述桩身千斤顶设于下段桩顶部和上段桩底部之间，且桩身千斤顶与上段桩底部之间还设有载荷传感器，所述拔桩装置安装于上段桩顶部的地面上，用于对上段桩进行拔桩，所述位移测量装置用于分别测量上段桩和下段桩的位移；其特征在于，桩基自平衡试验方法包括以下步骤：

步骤1、搭建桩基自平衡试验装置，准备配重试块；

步骤2、启动桩身千斤顶，通过桩身千斤顶逐步施加载荷分级加载，通过载荷传感器记录实时载荷，并通过位移测量装置分别测量上段桩和下段桩的位移；

步骤3、通过上段桩和下段桩的位移判断上段桩和下段桩是否达到极限状态；

步骤4、当下段桩先到达极限状态，则停止桩身千斤顶进一步加载，启动拔桩装置对上段桩施加拔桩力，直至上段桩也达到极限状态，记录桩身千斤顶施加的载荷和拔桩装置的施加的载荷，桩身千斤顶施加的载荷即为下段桩的极限载荷，桩身千斤顶施加的载荷和拔桩装置的施加的载荷之和即为上段桩的极限载荷，根据上段桩的极限载荷和下段桩的极限载荷计算桩基承载力；

当上段桩先达到极限状态，记录此时桩身千斤顶施加的载荷即为上段桩的极限载荷，则在上段桩顶部施加配重试块稳定上段桩，然后继续加载桩身千斤顶，直至下段桩达到极限状态，此时桩身千斤顶施加的载荷即为下段桩的极限载荷，根据上段桩的极限载荷和下段桩的极限载荷计算桩基承载力；

桩基竖向承载力Q的计算公式如下：

上式中，K为转换系数，Q_u ^-为上段桩极限承载力，G_上为上段桩体自重，Q_d ⁺为下段桩极限承载力。

2.根据权利要求1所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：所述位移测量装置包括位移测量仪和位移杆，所述位移杆顶部与位移测量仪相连，所述位移测量仪固定在结构件或者支撑件上，位移杆下端与桩基相连，其中一个位移测量装置的位移杆自由穿过上段桩后与下段桩相连，用于测量下段桩的位移；另一个位移测量装置的位移杆与上段桩相连，用于测量上段桩的位移。

3.根据权利要求2所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：所述拔桩装置包括穿心千斤顶、锚索和支撑平台，所述支撑平台设于上段桩顶部的地面上，所述穿心千斤顶安装在支撑平台上，所述锚索下端固定在上段桩上，上端安装在穿心千斤顶上，通过穿心千斤顶提供拔桩力。

4.根据权利要求3所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：所述下段桩顶部、上段桩底部和上段桩顶部均设有封端板。

5.根据权利要求4所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：所述锚索下端固定在上段桩的桩底封端板上，用于测量上段桩的位移杆下端也固定在桩底封端板上，用于测量下段桩的位移杆下端固定在下段桩顶部的封端板上。

6.根据权利要求3所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：还包括用于给桩身千斤顶和穿心千斤顶提供液压油的油站或者油泵。

7.根据权利要求3所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：所述上段桩和下段桩之间还设有将桩身千斤顶和载荷传感器保护起来的荷载箱保护盒。

8.根据权利要求1所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：步骤2的分级加载中，每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级按2倍分级荷载加荷并记录数据，每一小时的位移不超过0.1mm并连续出现两次，认为已达到相对稳定，进行下一级加载。

9.根据权利要求1所述的桩基自平衡试验方法，其特征在于：步骤3中，判断是否达到极限状态为满足下列情况之一：

(1)桩身千斤顶已达到极限加载值；

(2)某级荷载作用下，桩的位移量为前一级荷载作用下位移量的5倍；

(3)某级荷载作用下，桩的位移量大于前一级荷载作用下位移量的2倍，且经24h尚未达到相对稳定；

(4)桩的累计上拔量超过100mm，所述的桩为上段桩或者下段桩。

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