CN113702158B - 嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及桩基现场试验数据采集技术领域，具体涉及嵌岩管桩水平加载p‑y曲线法数据精确采集方法及装置。方法包括在试验管桩外壁安装FBG传感器。试验管桩内部安装光纤形状传感器。装置包括反力管桩、试验管桩和水平加载机构。试验管桩的侧壁上设置土抗力p数据采集机构，所述试验管桩内部设置有与试验管桩内壁贴合的通过螺栓固定的桩身挠度y数据采集机构。本发明采用夹持式低温敏型FBG传感器测量试验管桩桩身应变，通过计算转化为土抗力p。将光纤形状传感器应用到试验管桩的桩身水平变形动态监测上，可获得桩身挠度y。本发明精确度更高、在现场较恶劣的试验条件下传感器存活率更高，并且因其可重复利用而大大降低了监测费用。
Description
技术领域
本发明涉及桩基现场试验数据采集技术领域，具体涉及嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法及装置。
背景技术
滨海桩基多承受水平荷载，其水平受力特性分析广泛采用p-y曲线法，设计主要采用API(2011)和DNV(2013)等规范，其中的p-y曲线法主要是根据欧美黏性土和砂性土编制，这与我国滨海区域地质条件差异巨大。尤其在山东沿海，由于海床覆盖层浅，桩基往往需要嵌岩，由此形成了独有的“嵌岩桩”基础。因此，进行嵌岩桩基的现场试验以获取散体状风化岩石的动力p-y曲线，已成为滨海桩基设计的关键之处。
目前，桩基水平加载试验数据监测主要为了获取土抗力p和桩身挠度y。对于土抗力p，可通过试验测得桩身应变ε经过计算推导得到，而对于桩身应变ε的监测多采用电阻式应变片和光纤传感器。采用电阻式应变片在使用的过程中主要问题在于：①应变片本身材质较为脆弱，即使使用环氧树脂进行保护，在风化岩的现场地质条件下成活率也很低。②应变片安装和布设操作复杂，如果桩身布置应变片过多，则必须沿桩身导出多条应变片数据线，费时费力且应变片连接线过多容易打结。使用光纤传感器，其主要问题在于，目前光纤传感器监测应变都是用于混凝土桩，其安装方法不适用于管桩。
而对于桩身挠度y的监测，目前多采用电阻式应变片或测斜仪，电阻式应变片通过试验测得桩身应变ε经过计算推导得到y；测斜仪通过试验测得桩身倾角θ经过计算推导得到y。电阻式应变片在使用的过程中，其主要问题在于：①应变片本身材质较为脆弱，即使使用环氧树脂进行保护，在风化岩的现场地质条件下成活率也很低。②应变片安装和布设操作复杂，如果桩身布置应变片过多，则必须沿桩身导出多条应变片数据线，费时费力且应变片连接线过多容易打结。③由应变片测得的桩身应变数据推导得出的桩身水平变形误差普遍偏大，计算结果不准确。使用测斜仪，其主要问题在于，①测斜仪相对于应变片具有现场适应性强、测量数据精确度高等优点，但是其对于水平循环加载试验尤其是大循环次数下的水平变形动态监测力有不逮，这主要是因为测斜仪需要在每一次加载后测量一次水平变形，所以监测不了连续的、大循环次数的加载试验。②由于测斜仪测量水平变形时需要从管桩顶部滑入管桩内部的测斜管中，所以管桩上部不能放置加载仪器或其他会挡住测斜管入口的东西，这也增加了测斜仪的局限性。
因此，现在亟需对现有的p-y曲线法中数据的采集方法和装置进行改进，以获取更加精准的测量数据。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法及装置。
本发明的技术方案为：
嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法，包括如下步骤：
(1)试验管桩桩身外壁安装FBG传感器
①沿荷载加载方向在试验管桩桩身两侧间隔距离安装FBG传感器支座。
②FBG传感器支座安装完成后，将FBG传感器安装到FBG传感器支座上，并外涂结构胶进行保护。
③将FBG传感器光缆进行固定，固定好后涂抹环氧树脂胶对光缆进行保护。
(2)试验管桩内部安装光纤形状传感器
①拼接好一根长度小于管桩桩长的测斜管，将调试好的光纤形状传感器插入测斜管中，然后将测斜管安装上管底盖并固定。
②将放置好光纤形状传感器的测斜管放入试验管桩中，调整好位置使其贴着一侧的FBG传感器，将测斜管底部与试验管桩底部平齐并通过螺栓进行固定。
(3)数据采集
①在选好的试验地点处钻孔，灌注水泥，把试验管桩用钢板焊接封住底部后再用吊车将其竖直吊放下去，静置7天等待水泥养护完成。
②7天后试验现场布置，首先将水平加载机构布置好，千斤顶放置在升降平台上，然后在千斤顶与试验管桩之间设置连接装置，以均衡地将千斤顶的力传导至试验管桩上，千斤顶与连接装置之间设置压力传感器，用以实时监测桩试验管桩受到水平荷载的大小，最后将FBG传感器数据线和光纤形状传感器数据线连接到光纤光栅解调仪。
③试验开始，对试验管桩进行多次连续的水平循环加载，采集桩身变形数据，待试验结束，将光纤形状传感器用吊车向上拔出，保存好留至下次试验使用；
④通过采集的数据推导计算出土抗力p和桩身挠度y。
进一步的，FBG传感器支座的固定过程中，先用胶进行定位，之后采用点焊机将FBG传感器支座焊接于桩身。
进一步的，对于土抗力p，根据FBG传感器测得波长数据λ，经过公式(1)(2)推导得到弯矩值M，然后将得到的弯矩值用6次多项式进行拟合，公式(3)，最后将拟合完的表达式通过二次微分得到土抗力分布，即公式(4)；
式中，λ为波长；λ0为初始波长；K为传感器系数；ε为桩身应变；ε1、ε2为桩身同一高度处两侧应变；EI为桩的抗弯刚度；r为应变测点距中性层的距离，即半径；M为桩身弯矩；z为土层深度；a1,…,am为多项式系数。
进一步的，对于桩身挠度y，根据形状传感装置测得波长数据λ2，经过公式(5)(6)推导得到各测点曲率值ki，然后将得到的曲率值表示为x的一次函数，公式(7)，再将曲率函数进行一次积分得到转角值，公式(8)，最后对转角函数进行一次积分得到挠度值，既公式(9)；
式中，λ2为波长；λ1为初始波长；K1为传感器系数；为桩身应变；ki为测点i处弯曲曲率，i为曲率测点编号，i∈[1,n]；εij为测点i处第j个传感器实测应变值，j∈[1,3]；αij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；r为应变测点到中性层的距离；为测点i处转角值；为测点i处挠度值。
嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集装置，包括反力管桩、试验管桩和设置于反力管桩和试验管桩之间的水平加载机构。所述试验管桩的侧壁上设置有土抗力p数据采集机构，所述试验管桩内部设置有与试验管桩内壁贴合的通过螺栓固定的桩身挠度y数据采集机构。
进一步的，还包括光纤光栅解调仪，所述土抗力p数据采集机构和桩身挠度y数据采集机构与光纤光栅解调仪连接。
进一步的，所述水平加载机构包括千斤顶和升降机构，所述千斤顶的一端通过第一连接柱与反力管桩固定连接，所述千斤顶的另一端通过第二连接柱与试验管桩固定连接；所述升降机构设置在千斤顶的下端且与千斤顶连接。
更进一步的，所述千斤顶与反力管桩之间设置有压力传感器。
进一步的，所述土抗力p数据采集机构包括FBG传感器和FBG传感器支座，所述FBG传感器通过FBG传感器支座固定在试验管桩的侧壁上。
进一步的，桩身挠度y数据采集机构包括测斜管和光纤形状传感器，所述光纤形状传感器通过螺栓固定在测斜管内，所述测斜管通过螺栓固定在试验管桩内。
本发明所达到的有益效果为：
本发明采用夹持式低温敏型FBG传感器测量试验管桩桩身应变，通过计算转化为土抗力p。并且，将光纤形状传感器应用到试验管桩的桩身水平变形动态监测上，可获得桩身挠度y。该方法具有精确度更高、在现场较恶劣的试验条件下传感器存活率更高，并且因其可重复利用而大大降低了监测费用。
附图说明
图1是本发明实施例装置的整体示意图。
图2是FBG传感器安装示意图。
图3是FBG传感器安装后横截面示意图。
图4是测斜管横截面示意图。
图5是插入光纤形状传感器后的测斜管横截面示意图。
图6是固定测斜管后的试验管桩横截面示意图。
图7是已布设监测仪器的试验管桩竖向示意图。
图中：1、FBG传感器支座；2、试验管桩；3、FBG传感器；4、FBG传感器光缆；5、测斜管；6、光纤形状传感器；7、螺栓；8、开槽口；9、光纤形状传感器数据线；10、光纤光栅解调仪；11、反力管桩；12、第一连接柱；13、压力传感器；14、千斤顶；15、升降平台。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例采用的是长7m、直径146mm的钢管桩，地质条件为风化岩石，钢管桩有两根，一根作为反力管桩11，为试验管桩2提供反力，不需要布置传感器。反力管桩11中间灌满高强度水泥以增加其强度。
如图1-7所示，嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集装置，包括反力管桩11、试验管桩2和设置于反力管桩11和试验管桩2之间的水平加载机构。所述试验管桩2的侧壁上设置有土抗力p数据采集机构，所述试验管桩2内部设置有与试验管桩2内壁贴合的通过螺栓7固定的桩身挠度y数据采集机构。还包括光纤光栅解调仪10，所述土抗力p数据采集机构和桩身挠度y数据采集机构与光纤光栅解调仪10连接。
所述水平加载机构包括千斤顶14和升降机构，所述千斤顶14的一端通过第一连接柱12与反力管桩11固定连接，所述千斤顶14的另一端通过第二连接柱与试验管桩2固定连接。所述升降机构设置在千斤顶14的下端且与千斤顶14连接。所述千斤顶14与反力管桩11之间设置有压力传感器13。
所述土抗力p数据采集机构包括FBG传感器3和FBG传感器支座1，所述FBG传感器3通过FBG传感器支座1固定在试验管桩2的侧壁上。桩身挠度y数据采集机构包括测斜管5和光纤形状传感器6，所述光纤形状传感器6通过螺栓7固定在测斜管5内，所述测斜管5通过螺栓7固定在试验管桩2内。
FBG传感器3非常适合在恶劣的环境中使用。除了EMI/RFI抗干扰能力外，它们还具有极高的耐腐蚀、极端温度、高压(高达400bar)和耐老化性能。并可安全用于潜在爆炸性环境和高压区域。即使在高水平的振动载荷下，材料(玻璃)也不易遭受机械故障。FBG传感器3在使用的过程中，需要更少的连接线，因此会对测试物体产生更少的干扰，线缆布设过程中受到破坏的可能性更小。并且，具有更高的应变极限，并且在测量大应变时，FBG传感器3比电阻应变片精度更高。
基于形状传感装置的应变采集方法以及数据计算方法精确度更高，即在每个测点处沿环向每间隔120°布设1个FBG传感器3,共计3个，结合形状传感算法计算得出该测点处水平位移，比单点式测量数据更精确。
在布置桩外壁FBG传感器3时，相较于电阻应变片直接用502胶水粘贴固定外加环氧树脂保护，FBG传感器3线缆少更容易保护且保护措施更多，比如光纤光栅外套加持管套以及两端支座固定，外涂结构胶进行保护，线缆用3M胶带固定再外涂结构胶进行保护。对于管桩内部的形状传感装置，由于管内没有灌注水泥浆，而是采用螺栓7固定的方式，从而杜绝了水泥浆对于传感器可能造成的破坏。
嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法，包括如下步骤：
(1)首先进行FBG传感器支座1的安装。从试验管桩2底部开始沿荷载加载方向在试验管桩2的桩身两侧每隔1m安装一组FBG传感器支座1，两侧共计12组，先用502胶进行定位，之后采用点焊机将FBG传感器支座1焊接于试验管桩2的桩身。
(2)FBG传感器支座1焊接完成后，安装FBG传感器3，并外涂结构胶进行保护。
(3)采用3M胶带对FBG传感器光缆4进行保护和固定，之后再在胶带上涂抹环氧树脂胶对光缆进行保护，防止下桩过程中与周围土层发生碰撞。
(4)将PVC材质的测斜管5进行切割后组装成一整根6.7m长的测斜管5，然后将深圳市简测智能技术有限公司提供的光纤形状传感器6插入测斜管5中，然后将测斜管5装上管底盖，用螺丝固定。
(5)将放置好光纤形状传感器6的测斜管5放入试验管桩2中，调整好位置，将测斜管5底部与管桩底部平齐，为了在尽量不影响管桩刚度的情况下，解决测斜管5与管桩协同变形问题，然后在横躺着的试验管桩2正上方FBG传感器3的两侧打入两个螺栓7，两个螺栓7相距15.3cm，从试验管桩2底部开始每隔1m打一组螺栓7，总计6组螺栓7，将测斜管5牢牢地固定在试验管桩2的内壁，紧贴着一侧的FBG传感器3，使测斜管5与试验管桩2协同变形。现有的在管桩内部固定传感器的方式是直接用混凝土将传感器固定在管桩内，这种方式存在的问题是由于混凝土的加固，影响了整体的水平加载试验的准确性。而通过螺栓7固定的方式，试验管桩2内部测得的数据的准确性大大提高。具体的，现有的在管桩内部固定测斜管5的方式主要是通过注入水泥砂浆或混凝土将其固定住，使测斜管5与管桩同步变形，这种方式存在的问题有①管桩内部注入水泥砂浆或混凝土会导致管桩的整体刚度发生改变，并且其刚度实际值不好估算，使得后续数据计算误差较大。②灌注水泥砂浆或混凝土后，在其凝结硬化过程中会对测斜管5产生挤压，使得测斜管5内部形状传感器不能重复利用，大大增加试验成本。而通过螺栓7固定的方式，对于桩身刚度影响较小，测得数据后续推导计算的准确性大大提高，并且螺栓7固定对于测斜管5的影响较小，使得传感器可以取出重复利用。
(6)在距试验管桩2顶部10cm处切割一个5cm×5cm的开槽口8，将光纤形状传感器数据线9从该处引出来。以便于光纤形状传感器数据线9能够从试验管桩2侧面出来，不会因为试验管桩2顶部放置加载仪器或其他装置而导致无法采集变形数据。
(7)在选好的试验地点处钻孔，灌注高强度水泥，把试验管桩2用钢板焊接封住底部后再用吊车将其竖直吊放下去，静置7天等待水泥养护完成。
(8)7天后试验现场布置，首先将水平加载机构布置好，千斤顶14放置在升降平台15上，可以升降至任意高度，然后在千斤顶14与受力管桩和试验管桩2之间设置连接柱，以均衡地将千斤顶14的力传导至试验管桩2上，千斤顶14与第一连接柱12之间设置压力传感器13，用以实时监测桩受到水平荷载的大小，最后将光纤形状传感器数据线9连接到光纤光栅解调仪10。
(9)试验开始，对试验管管桩进行3000次连续的水平循环加载，采集试验管桩2身变形数据，待试验结束，将光纤形状传感器6用吊车向上拔出，保存好留至下次试验使用。
(10)数据处理：
对于土抗力p，根据FBG传感器3测得波长数据λ，经过公式(1)(2)推导得到弯矩值M，然后将得到的弯矩值用6次多项式进行拟合，公式(3)，最后将拟合完的表达式通过二次微分得到土抗力分布，即公式(4)；
M(z)＝a1+a2z+a2z+…akz…+am z，m＝7 (3)
式中，λ为波长；λ0为初始波长；k为传感器系数；ε为桩身应变；ε1、ε2为桩身同一高度处两侧应变；EI为桩的抗弯刚度；r为应变测点距中性层的距离，即半径；M为桩身弯矩；z为土层深度；a1,…,am为多项式系数。
对于桩身挠度y，根据形状传感装置测得波长数据λ2，经过公式(5)(6)推导得到各测点曲率值ki，然后将得到的曲率值表示为x的一次函数，公式(7)，再将曲率函数进行一次积分得到转角值，公式(8)，最后对转角函数进行一次积分得到挠度值，既公式(9)；
式中，λ2为波长；λ1为初始波长；K1为传感器系数；为桩身应变；ki为测点i处弯曲曲率，i为曲率测点编号，i∈[1,n]；εij为测点i处第j个传感器实测应变值，j∈[1,3]；αij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；r为应变测点到中性层的距离；为测点i处转角值；为测点i处挠度值。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)试验管桩(2)的桩身外壁安装FBG传感器(3)
①沿荷载加载方向在试验管桩(2)的桩身两侧间隔距离安装FBG传感器支座(1)；
②FBG传感器支座(1)安装完成后，将FBG传感器(3)安装到FBG传感器支座(1)上，并外涂结构胶进行保护；
③将FBG传感器光缆(4)进行固定，固定好后涂抹环氧树脂胶对光缆进行保护；
(2)试验管桩(2)内部安装光纤形状传感器(6)
①拼接好一根长度小于管桩桩长的测斜管(5)，将调试好的光纤形状传感器(6)插入测斜管(5)中，然后将测斜管(5)安装上管底盖并固定；
②将放置好光纤形状传感器(6)的测斜管(5)放入试验管桩(2)中，调整好位置使其贴着一侧的FBG传感器(3)，将测斜管(5)底部与试验管桩(2)底部平齐并通过螺栓(7)进行固定；
(3)数据采集
①在选好的试验地点处钻孔，灌注水泥，把试验管桩(2)用钢板焊接封住底部后再用吊车将其竖直吊放下去，静置7天等待水泥养护完成；
②7天后试验现场布置，首先将水平加载机构布置好，千斤顶(14)放置在升降平台(15)上，然后在千斤顶(14)与试验管桩(2)之间设置连接装置，以均衡地将千斤顶(14)的力传导至试验管桩(2)上，千斤顶(14)与连接装置之间设置压力传感器(13)，用以实时监测试验管桩(2)受到水平荷载的大小，最后将FBG传感器(3)的数据线和光纤形状传感器数据线(9)连接到光纤光栅解调仪(10)；
③试验开始，对试验管桩(2)进行多次连续的水平循环加载，采集桩身变形数据，待试验结束，将光纤形状传感器(6)用吊车向上拔出，保存好留至下次试验使用；
④通过采集的数据推导计算出土抗力p和桩身挠度y。
2.根据权利要求1所述的嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法，其特征在于：FBG传感器支座(1)的固定过程中，先用胶进行定位，之后采用点焊机将FBG传感器支座(1)焊接于桩身。
3.根据权利要求1所述的嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法，其特征在于：对于土抗力p，根据FBG传感器(3)测得波长数据λ，经过公式(1)(2)推导得到弯矩值M，然后将得到的弯矩值用6次多项式进行拟合，公式(3)，最后将拟合完的表达式通过二次微分得到土抗力分布，即公式(4)；
M(z)＝a1+a2z+a2z2+…akzk-1…+amzm-1,m＝7 (3)
式中，λ为波长；λ0为初始波长；K为传感器系数；ε为桩身应变；ε1、ε2为桩身同一高度处两侧应变；EI为桩的抗弯刚度；r为应变测点距中性层的距离，即半径；M为桩身弯矩；z为土层深度；a1,…,am为多项式系数。
4.根据权利要求1所述的嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集方法，其特征在于：对于桩身挠度y，根据形状传感装置测得波长数据λ2，经过公式(5)(6)推导得到各测点曲率值ki，然后将得到的曲率值表示为x的一次函数，公式(7)，再将曲率函数进行一次积分得到转角值，公式(8)，最后对转角函数进行一次积分得到挠度值，既公式(9)；
式中，λ2为波长；λ1为初始波长；K1为传感器系数；ε为桩身应变；ki为测点i处弯曲曲率，i为曲率测点编号，i∈[1,n]；εij为测点i处第j个传感器实测应变值，j∈[1,3]；αij为测点i处第j个传感器与z轴之间的夹角；r为应变测点到中性层的距离；θi为测点i处转角值；yi为测点i处挠度值。
5.嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集装置，其特征在于：包括反力管桩(11)、试验管桩(2)和设置于反力管桩(11)和试验管桩(2)之间的水平加载机构；所述试验管桩(2)的侧壁上设置有土抗力p数据采集机构，所述试验管桩(2)内部设置有与试验管桩(2)内壁贴合的通过螺栓(7)固定的桩身挠度y数据采集机构；
所述水平加载机构包括千斤顶(14)和升降机构，所述千斤顶(14)的一端通过第一连接柱(12)与反力管桩(11)固定连接，所述千斤顶(14)的另一端通过第二连接柱与试验管桩(2)固定连接；所述升降机构设置在千斤顶(14)的下端且与千斤顶(14)连接；
所述土抗力p数据采集机构包括FBG传感器(3)和FBG传感器支座(1)，所述FBG传感器(3)通过FBG传感器支座(1)固定在试验管桩(2)的侧壁上；
所述桩身挠度y数据采集机构包括测斜管(5)和光纤形状传感器(6)，所述光纤形状传感器(6)通过螺栓(7)固定在测斜管(5)内，所述测斜管(5)通过螺栓(7)固定在试验管桩(2)内。
6.根据权利要求5所述的嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集装置，其特征在于：还包括光纤光栅解调仪(10)，所述土抗力p数据采集机构和桩身挠度y数据采集机构与光纤光栅解调仪(10)连接。
7.根据权利要求5所述的嵌岩管桩水平加载p-y曲线法数据精确采集装置，其特征在于：所述千斤顶(14)与反力管桩(11)之间设置有压力传感器(13)。
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