CN114252021A - 一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置及方法，包括钢筋笼、光纤、内层保护套管、外层保护套管、顶盖；光纤沿钢筋笼的长度方向在钢筋笼上绑扎一个来回，数据端从钢筋笼一侧引出，内外保护套管固定在钢筋笼一端，均用于保护引出的光纤，顶盖位于外层保护套管端部，顶盖和保护套管用于防止混凝土浇灌时将内部填充，以及桩头破除时破坏光纤。本发明采用光纤进行测试，相比现有技术中的测斜仪具有更高的精度；采用的光纤可实现非连续非均匀应变分段均一化分布式测量，光纤弹模设计低，与结构体协同变形性好；测量结果可直接进行位移换算，可有效用于测试不同土体下相邻基坑有限宽度土条下围护结构的变形。

Description

一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置及方法

技术领域

本发明专利属于岩土工程测试的技术领域，具体涉及一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置及方法。

背景技术

随着城市建设的快速发展，城市空间资源正在越来越多的被占用，造成了一定的资源紧缺。基于此，地下空间开发越来越受到重视，许多城市修建了大量的下穿隧道、地铁、地下街道、地下停车库、地下商场等。地下空间和地面空间的协调发展可有效解决目前空间资源紧张的问题。目前，地下空间建设发展出了新的特点：①单体建筑体量不断增大，建筑结构愈加复杂。例如地铁车站集合了商业、换乘、接驳等功能于一体，这就要求对大型基坑实行合理分区、分块开挖以有效控制基坑的变形。②地铁线路的建设及运营会带动周边经济的发展，吸引越来越多的投资者沿地铁两侧开发投资，必然兴起建设热潮，由于密集开发与建筑改造，相邻工程往往在同一时间和空间上展开。例如集商业、娱乐、医疗、交通等功能的商业广场成为新的发展方向，基坑工程面临大面积、多区块、交叉开挖的建设难题，使得不同形态的大型深基坑相互关联，在此背景下，复杂基坑群应运而生。

目前，我国绝大多数深基坑围护结构使用时间较短，作为临时性结构，安全储备性能较小，风险较大。相邻基坑群开挖的受力方式与基坑单独开挖有较大的差异，与单体基坑相比，不同区块施工会造成土压力多次卸荷，各区块引起的土压力、变形相互影响，时空效应愈发显著。在基坑设计施工阶段必须考虑相邻基坑土体开挖产生的相互影响，其影响因素主要有：基坑的开挖面积、开挖深度、支护方式、地下水位、基坑间距以及是否采取了如分块开挖等减小围护结构变形的措施。相邻基坑交叉施工带来的土体应力场和位移场的相互叠加而产生的“群坑耦合效应”，较单体基坑而言，无论是从设计要求、施工技术、监测规模以及工程风险来说都要复杂，对设计和施工均提出了巨大的挑战。当相邻基坑间距较小时，坑间土体宽度有限，基坑通过有限宽度土体发生相互作用，从而影响围护结构的受力和变形。因此，有必要研究一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置以及测试方法，以确保施工过程中的安全性。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置及测试方法，本方法易行可靠，优势明显，适用范围广，可用于测试不同土体下相邻基坑有限宽度土条下围护结构的变形。

本发明采用如下技术方案：

一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置，包括钢筋笼、光纤、内层保护套管、外层保护套管、顶盖；所述光纤沿平行于钢筋笼轴线的方向绑扎在钢筋笼上，所述内层保护套管和外层保护套管固定在钢筋笼一端，均用于保护引出的光纤，所述顶盖位于外层保护套管端部。

优选地，所述的相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置组装方法如下：

步骤一：在钢筋笼上绑扎光纤，用扎带在钢筋笼上将光纤固定，将光纤的数据端从钢筋笼一端引出；

步骤二：将内层保护套管套在引出的光纤数据端外部，并固定在钢筋笼上；

步骤三：在内层保护套管外加一个外层保护套管，对光纤进行进一步保护，并在外层保护套管端部加一个顶盖，形成封闭空间。

其中，采用的光纤数据端可以同时输入和输出光信号，且输出的光信号包含多个数据，分别对应于不同深度处的光纤返回的波长值。

更优选地，步骤一中的绑扎方法具体为：将光纤沿钢筋笼侧面上相对的两条母线绑扎一个来回。

优选地，所述的内层保护套管为钢管，外层保护套管为PVC管，内层保护套管通过电焊固定在钢筋笼上，外层保护套管通过扎带固定在内层保护套管外，并在外层保护套管下端喷射泡沫胶，使外层保护套管下端密封。

一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试方法，包括以下步骤：

步骤一：在有限土条上钻孔，光纤数据端朝上，下放所述的变形测试装置，并浇筑混凝土，待混凝土凝固后进行桩头破除；

步骤二：去除外层保护套管，用跳线将光纤与光纤解调仪连接，采用光纤解调仪测量光纤传输波长，并据此计算有限土条的变形位移。

优选地，步骤二中的计算有限土条的变形位移的方法为：

垂直于变形测试装置的轴向选取一截面，作为所求平面，截面与光纤产生两个交点，两个交点处的光纤微应变之差除以2为截面处的弯曲应变；任选一天作为基准日，以基准日光纤输出的波长值为基准波长，测量当日光纤输出的波长值为当日波长，所述的光纤微应变计算方法为：将光纤上目标点对应的当日波长与基准波长之差乘以845，得到光纤上该点在当日产生的微应变；

通过下式计算有限土条的变形位移：

式中，r为截面位置至中性面的距离，ε为截面处的弯曲应变，x为截面距离地表的深度；求得的挠度ω即为有限土条在所求平面处相对于基准日的变形位移。

本发明的有益效果是：

1.本方法安装过程清晰简便，易行可靠，优势明显，适用范围广，可有效用于测试不同土体下相邻基坑有限宽度土条下围护结构的变形。

2.采用光纤进行测试，相比现有技术中的测斜仪具有更高的精度，可以测出0.01mm量级的变形。

3.采用的光纤可实现非连续非均匀应变分段均一化分布式测量；此光纤弹模设计低，与结构体协同变形性好；测量结果可直接进行位移换算。

4.采用钢管和PVC管双层保护，实现了对光纤在围护结构破桩头时的有效保护。

附图说明

图1为实施例相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置示意图；

图2为实施例中用于有限土条围护结构变形测试的整体环境示意图；

图3为实施例中连续6天测量有限土条位移的实验结果。

图中的附图标记为：1-钢筋笼；2-泡沫胶；3-钢管；4-PVC管；5-光纤；6-顶盖；7-基坑A；8-基坑B；9-有限土条；10-变形测试装置。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

首先组装相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置，步骤如下：

在20m长的钢筋笼上绑扎光纤，将光纤沿钢筋笼侧面的钢筋绑扎一个来回，光纤的数据端从钢筋笼一侧引出，其中光纤采用NZS-DDS-C03光纤；

将内层保护套管套在引出的光纤数据端外部，并通过电焊固定在钢筋笼上，以保护光纤在钢筋笼下放过程中不会受损，其中内层保护套管为钢管，直径为10cm，长度为1m；

在内层保护套管外加一个PVC材质的外层保护套管，对光纤进行进一步保护，并在外层保护套管端部加一个顶盖，形成封闭空间。顶盖和内外层保护套管的作用在于，防止混凝土浇灌时将内部填充，以及桩头破除时破坏光纤。

经过以上步骤，得到相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置。

将得到的变形测试装置用于有限土条变形的测试，步骤如下：

在有限土条上钻孔，下放变形测试装置，并浇筑混凝土，待混凝土凝固后进行桩头破除；

去除PVC套管，用跳线与光纤连接，输入光信号，采用便携密集分布式光纤解调仪(NZS-DDS-A03)测量光纤传输波长，并据此计算有限土条的变形位移。采用的光纤数据端可以同时输入和输出光信号，且输出的光信号包含多个数据，分别对应于不同深度处的光纤返回的波长值。计算变形位移的方法具体为：

当日波长与基准波长之差乘以845为当日产生的微应变，在桩身同一截面光纤两个微应变之差除以2为弯曲应变，以下简称应变。其中，基准波长的选取方法为：任选一天作为基准日，以当天光纤输出的波长值为基准波长。

已知应变与挠度的微分方程：

在弯曲变形较小的情况下ω'与1相比可忽略不计，因此得到挠曲线的近似方程：

经过二次积分可得：

其中A、B为常数，由边界条件确定，可由现有软件计算得出；r为所求截面位置至中性面的距离，ε为相应截面的应变，x为该截面距离地表的深度。

求得的挠度ω即基坑开挖导致围护结构变形产生的位移，即基坑在当日位置与基准日位置的偏差。

使用上述方法，选取第一天的前一天为基准日，对有限土条连续6天内的围护结构变形位移进行测试，结果如表1和图3所示，图3横坐标为变形测试装置距离地表的深度(m)，纵坐标表示相应位置围护结构的变形位移(mm)。由图可以看出，围护结构的变形位移在未超过0.7mm的情况下都被精确测量出来，且测量精度达到了0.01mm量级，这是传统测斜仪无法做到的。

表1距地表不同深度处围护结构变形位移

注：H为变形测试装置距离地表的深度(m)；ω为相应位置围护结构的变形位移(mm)。

Claims (6)

1.一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置，其特征在于，包括钢筋笼、光纤、内层保护套管、外层保护套管、顶盖；所述光纤沿平行于钢筋笼轴线的方向绑扎在钢筋笼上，所述内层保护套管和外层保护套管固定在钢筋笼一端，均用于保护引出的光纤，所述顶盖位于外层保护套管端部。

2.如权利要求1所述的相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置，其特征在于，组装方法如下：

步骤一：在钢筋笼上绑扎光纤，用扎带在钢筋笼上将光纤固定，光纤的数据端从钢筋笼一侧引出；

步骤二：将内层保护套管套在引出的光纤数据端外部，并固定在钢筋笼上；

步骤三：在内层保护套管外加一个外层保护套管，对光纤进行进一步保护，并在外层保护套管端部加一个顶盖，形成封闭空间。

3.如权利要求2所述的相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置，其特征在于，步骤一中的绑扎方法具体为：将光纤沿钢筋笼侧面上相对的两条母线绑扎一个来回。

4.如权利要求1所述的相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试装置，其特征在于，所述的内层保护套管为钢管，外层保护套管为PVC管，内层保护套管通过电焊固定在钢筋笼上，外层保护套管固定在内层保护套管外，并在外层保护套管下端喷射泡沫胶，使外层保护套管下端密封。

5.一种相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在有限土条上钻孔，光纤数据端朝上，下放如权利要求3所述的变形测试装置，并浇筑混凝土，待混凝土凝固后进行桩头破除；

步骤二：去除外层保护套管，用跳线将光纤与光纤解调仪连接，采用光纤解调仪测量光纤传输波长，并据此计算有限土条的变形位移。

6.如权利要求5所述的相邻基坑有限宽度土条围护结构变形测试方法，其特征在于，步骤二中的计算有限土条的变形位移的方法为：

垂直于变形测试装置的轴向选取一截面，作为所求平面，截面与光纤产生两个交点，两个交点处的光纤微应变之差除以2为截面处的弯曲应变；任选一天作为基准日，以基准日光纤输出的波长值为基准波长，测量当日光纤输出的波长值为当日波长，所述的光纤微应变计算方法为：将光纤上目标点对应的当日波长与基准波长之差乘以845，得到光纤上该点在当日产生的微应变；

通过下式计算有限土条的变形位移：

式中，r为截面位置至中性面的距离，ε为截面处的弯曲应变，x为截面距离地表的深度；求得的挠度ω即为有限土条在所求平面处相对于基准日的变形位移。

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