CN115233747B - 一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置及方法，涉及岩土工程试验设备领域，包括钢管和应变片，应变片设有相对于钢管轴线对称布置的两组，每组均包括多个应变片且沿钢管内壁一条母线依次间隔分布；应变片外覆盖有防护层，应变片通过引线接入应变采集仪；钢管上设有沿轴向分布的多个出浆孔，所有注浆孔轴线所在平面作为两组应变片的对称面；针对目前测取钢管桩应力时测量元件容易受到损伤而失去测量能力的问题，将测取钢管桩受力的应变片预先布置在钢管内，多个应变片贴附于钢管内壁并覆盖防护层，对应变片粘贴区域进行有效保护，减小钻孔、沉桩、开挖等施工时对应变片的扰动影响，保证应变片的良品率及测取数据的精度。

Description

一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程试验设备领域，具体涉及一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置及方法。

背景技术

超前微型钢管桩因具有场地适应性好、桩位布置灵活、对加固地层扰动小、施工速度快等特点，相比灌注桩、传统钢管桩经济效益优势显著。微型钢管桩配合预应力锚杆形成的复合型支护结构，既能起抗弯作用，改善土体应力场、位移场，又能限制基坑变形，增加基坑的整体稳定性，在边坡加固、基坑支护中广泛应用。

为研究超前微型钢管桩桩身弯矩沿深度方向的变化情况，分析其受力特点、变化规律以及桩-土共同作用下桩身反弯点位置，以验证微型钢管桩的承载机制, 保证施工安全和工程质量，并为设计提供参考数据，有必要在基坑开挖过程中对微型钢管桩桩身应力进行实时监测。

目前，电测技术大多采用在桩身外壁粘贴应变片的方法，测试结果受地层条件、沉桩方式的影响较大，特别是上部杂填土地层+下部风化岩层，通常采用钻孔进行沉桩，上述桩身外壁粘贴应变片的方式对应变片保护能力有限，钻孔、开挖过程中施工机械对微型钢管桩外壁及应变片布设区域会造成一定损坏，实际受力结果与测试结果存在较大误差，使应变片的成活率低，测试数据缺失。另外，杂填土成孔时，孔壁不稳定，易塌孔，在特定条件下，受部分钻孔施工工艺影响，采用桩身内部布置应变片的方式受到限制。不仅如此，沉桩过程中还有可能会损坏应变片的连接导线，使应变片的有效测量比例大大降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置及方法，将测取钢管桩受力的应变片预先布置在钢管内，多个应变片贴附于钢管内壁并覆盖防护层，对应变片粘贴区域进行有效保护，减小钻孔、沉桩、开挖等施工时对应变片的扰动影响，保证应变片的良品率及测取数据的精度，满足复杂地层对钢管桩应力状态测取的需求。

本发明的第一目的是提供一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置，采用以下方案：

包括钢管和应变片，应变片设有相对于钢管轴线对称布置的两组，每组均包括多个应变片且沿钢管内壁一条母线依次间隔分布；应变片外覆盖有防护层，应变片通过引线接入应变采集仪；钢管上设有沿轴向分布的多个出浆孔，所有出浆孔轴线所在平面作为两组应变片的对称面。

进一步地，所有出浆孔沿钢管侧壁同一母线依次间隔布置；钢管轴线一侧设有出浆孔，另一侧设有安装孔，安装孔与出浆孔一一对应同轴布置。

进一步地，所述安装孔配合有焊片，焊片的角位置连接安装孔以封堵安装孔，安装孔与对应位置出浆孔的连线垂直于一对对称分布应变片的连线。

进一步地，每个应变片分别通过引线引出至钢管外，分别接入应变采集仪，位于钢管内的引线贴合钢管内壁布置。

进一步地，所述防护层包括防水层和保护层，防水层覆盖于应变片和引线外侧，应变片封存于防水层与钢管内壁之间，保护层覆盖于防水层外侧。

进一步地，所述保护层内填充有双层纱布，钢管端部设有束线管，同组应变片对应的引线通过束线管汇集。

进一步地，所述钢管外套设有护壁套管，钢管置入地层的一端为桩尖，桩尖为开有十字槽的锥形结构。

进一步地，同组应变片沿钢管内壁同一母线等间隔布置，应变片的长度方向与钢管轴线平行，应变片贴合钢管内壁。

本发明的第二目的是提供一种利用如第一目的所述杂填土地层微型钢管桩应力测试装置的测试方法，包括：

在目标位置施工护壁套管，将粘贴有应变片的钢管下入护壁套管内；

抽出护壁套管，对钢管内进行注浆，注浆完成后应变片连接应变采集仪；

注浆完成形成钢管桩，采集基坑开挖时钢管的应变数据，计算钢管桩弯曲应力。

进一步地，钢管安装应变片的其中一侧靠近开挖面，位于对称位置的两个应变片连线与基坑轴线垂直；依据应变片采集的数据，计算钢管桩待测端面的弯曲应力。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

（1）针对目前测取钢管桩应力时测量元件容易受到损伤而失去测量能力的问题，将测取钢管桩受力的应变片预先布置在钢管内，多个应变片贴附于钢管内壁并覆盖防护层，对应变片粘贴区域进行有效保护，减小钻孔、沉桩、开挖等施工时对应变片的扰动影响，保证应变片的良品率及测取数据的精度，满足复杂地层对钢管桩应力状态测取的需求。

（2）微型钢管桩内壁粘贴电阻应变片可以有效解决在沉桩、开挖等施工过程中应变片的破坏和失效问题，降低应变片的失效率。

（3）提前施工护壁套管，一方面可以实现微型钢管桩的精准定位，可以配合任意钻孔施工方式完成微型钢管桩沉桩，避免桩身电阻应变片受成孔工艺振动影响应变片良品率；另一方面，护壁套管能够有效防止塌孔，确保微型钢管桩顺利施工。

（4）微型钢管桩底部设置桩尖，一方面有效阻止杂填土进入微型钢管桩内壁，影响后期的注浆效果；另一方面能够方便微型钢管桩穿透土层，加快施工进度；再一方面可以有效避免微型钢管桩倾斜，提高测量数据的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1或2中杂填土地层微型钢管桩应力测试装置的结构示意图。

图2为本发明实施例1或2中护壁套管的结构示意图。

图3为本发明实施例1或2中钢管的结构示意图。

图4为本发明实施例1或2中钢管配合护壁套管的结构示意图。

图5为本发明实施例1或2中钢管的断面结构示意图。

图6为本发明实施例1或2中应变片及防护层的结构示意图。

图7为本发明实施例1或2中桩尖的结构示意图。

图8为本发明实施例1或2中桩尖的俯视示意图。

图中，1护壁套管、2钢管桩、3应变片、4防水层、5保护层、6电阻应变片传输线、7束线管、8应变采集仪、9数据存储电脑、10安装孔、11焊片、12出浆孔、13吊装孔、14水泥浆、15纱布、16桩尖。

具体实施方式

实施例1

本发明的一个典型实施例中，如图1-图8所示，给出一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置。

如图1所示杂填土地层微型钢管桩应力测试装置，用于对微型钢管桩进行应力测试，尤其是置入杂填土地层的钢管桩，相较于传统的应力测试结构，本实施例中，多个应变片3贴附于钢管内壁并覆盖防护层，减小钻孔、沉桩、开挖等施工时对应变片3的扰动影响，满足复杂地层对钢管桩应力状态测取的需求。

如图1所示，杂填土地层微型钢管桩应力测试装置主要包括钢管、应力测量组件，其中，应力测量组件包括多个应变片3，将应变片3分为两组，每组多个，两组应变片3分别布置在钢管轴线的两侧，同时将其布置在钢管内壁，减少钢管置入地层时对应变片3的影响，同时，通过控制进入钢管内水泥浆的压力，能够减缓对应变片3的冲击，从而保护应变片3在钢管成桩时能够减少损伤，保证应变片3存活率。

具体的，应变片3设有相对于钢管轴线对称布置的两组，每组均包括多个应变片3且沿钢管内壁一条母线依次间隔分布；钢管内壁呈圆周面状，圆周面作为母线面，应变片3沿母线面分布，并贴附于钢管内壁，测取钢管的应变数据。

应变片3外覆盖有防护层，对应变片3进行保护，减少注入水泥浆时对应变片3的影响，同时保持应变片3与钢管内壁的良好贴合，应变片3通过引线接入应变采集仪，应变采集仪为动态应变采集仪，能够实时采集应变片3数据，并将应变片3数据上传至数据存储电脑，供后续分析使用。

如图1所示，钢管在注入水泥浆后成为微型钢管桩，微型钢管桩对应的钢管采用工程中常用的无缝钢管，具体的桩径、桩长根据设计要求确定，通常直径为146mm，壁厚5mm，单节长度一般为12m。

钢管上设有沿轴向分布的多个出浆孔，所有出浆孔轴线所在平面作为两组应变片3的对称面。

同时，为了方便将应变片3安装在钢管内，钢管上还开设有安装孔，如图3、图4所示。出浆孔沿钢管侧壁同一母线依次间隔布置；钢管轴线一侧设有出浆孔，另一侧设有安装孔，安装孔与出浆孔一一对应同轴布置。

安装孔配合有焊片，焊片的角位置连接安装孔以封堵安装孔，安装孔与对应位置出浆孔的连线垂直于一对对称分布应变片3的连线。

本实施例中，如图6所示，微型钢管桩2桩顶设有1个吊装孔13，开孔截面为矩形，尺寸为9 cm×7 cm(长×宽)，位于桩顶下方10 cm处；微型钢管桩2沿长度方向开设有12个电阻应变片安装孔10和12个出浆孔12，12个出浆孔开设于电阻应变片安装孔10矩形截面形心对侧。

出浆孔12的位置位于电阻应变片安装孔10对侧中心，其直径为15 mm。

吊装孔13、电阻应变片安装孔10开设方式为火焰切割，须保留切割电阻应变片安装孔10的局部钢片为安装孔焊片11，具体开设数量取决于测点布设方案。

电阻应变片安装孔10尺寸为12 cm×9 cm(长×宽)的矩形截面，其长边与微型钢管桩2的轴线方向一致，开设间距为1 m，靠近桩端开孔须距桩端20 cm。

如图1、图6所示，每个应变片分别通过引线引出至钢管外，分别接入应变采集仪，位于钢管内的引线贴合钢管内壁布置。本实施例中，引线为电阻应变片传输线6。

电阻应变片3型号为BF120-5AA-P300-D，电阻值为119.6±0.3Ω，电阻应变片使用前须用万能表检验其成活率，检验在运输、搬运过程中是否失效，每一根微型钢管桩2须布设24个电阻应变片3。24个电阻应变片3通过12个电阻应变片安装孔10在微型钢管桩2内壁两侧布设，每个电阻应变片安装孔10两侧分别对称布置两个电阻应变片3，两个对称电阻应变片3的连线与出浆孔、电阻应变片安装孔10截面中心连线须垂直，每个电阻应变片安装孔10两侧设置的电阻应变片3也在纵向上对齐。

如图1所示，同组应变片沿钢管内壁同一母线等间隔布置，应变片的长度方向与钢管轴线平行，应变片贴合钢管内壁。

粘贴电阻应变片3前需要用砂纸对测点处进行打磨，打磨至表面光滑后，用502胶进行粘贴电阻应变片3，电阻应变片3长边方向与轴线方向保持一致，电阻应变片3的接线端须朝着桩顶方向；粘贴时要挤出电阻应变片3粘贴面的气泡，待电阻应变片3完全固定之后才能进行下一步操作。

电阻应变片传输线6采用两芯的阻燃聚氯乙烯屏蔽信号线，从测点位置沿微型钢管桩2内壁引线至微型钢管桩2桩顶位置。每个电阻应变片3的两根导线分别与电阻应变片传输线6的两芯线用电工胶带连接，每个电阻应变片3对应一根电阻应变片传输线6，每一根引出桩身的电阻应变片传输线6长度须相同，24个电阻应变片3须引出24根电阻应变片传输线6。

如图5所示，防护层包括防水层和保护层，防水层覆盖于应变片和引线外侧，应变片封存于防水层与钢管内壁之间，保护层覆盖于防水层外侧；保护层内填充有双层纱布。

具体的，结合图5，硅橡胶防水层4所用的市售704硅橡胶，在电阻应变片3粘贴并接线完成后，在其外层均匀涂抹704硅橡胶，使其固化形成硅橡胶防水层4，涂抹时须完全覆盖电阻应变片3和导线，涂抹完成以后需静置12小时才能进行涂抹植筋胶的操作。

植筋胶保护层5所用市售的植筋胶，在硅橡胶防水层4固化后，对其外层进行厚涂，须将硅橡胶防水层4、电阻应变片传输线6的接线部分完全覆盖，硬化前敷上两层纱布15进行补强，完全硬化后得到植筋胶保护层5。

在粘贴电阻应变片3过程中，涉及电阻应变片3的相关步骤完成后，均须用万能表检测其成活率，若电阻应变片3失效则及时替换。

如图1所示，钢管端部设有束线管，同组应变片对应的引线通过束线管汇集；本实施例中，束线管7采用PVC软套管，在电阻应变片传输线6桩顶引出位置进行套管保护，束线管7直径为100 mm，束线管7长度略小于电阻应变片传输线6引出长度。

可以理解的是，电阻应变片3、硅橡胶防水层4、植筋胶保护层5、接线等所有内壁安装步骤完成后，用安装孔焊片11对准电阻应变片安装孔10进行四角点焊，点焊时间不宜过长，避免温度过高导致电阻应变片3和电阻应变片传输线6损坏。

另外，钢管外套设有护壁套管，钢管置入地层的一端为桩尖，桩尖为开有十字槽的锥形结构。

在本实施例中，桩尖16为常用的尖底十字形，直径同微型钢管桩2，与微型钢管桩2底部焊接连接。

同时，护壁套管1采用规格一般为直径194mm，壁厚6mm的无缝钢管，其内径应略大于微型钢管桩2的外径，长度大于微型钢管桩2的长度。具体尺寸应根据微型钢管桩2的尺寸来确定，确保微型钢管桩2能从护壁套管1顺利通过。护壁套管1起到护壁的作用，能够有效防止微型钢管桩2施工过程中塌孔。

微型钢管桩2桩身注浆材料为水泥浆14，注浆方式为流入注浆，浆液冒出孔口后即可停止，过一段时间后补注饱满。

电阻应变片传输线6的另一端与动态应变采集仪8相连；动态应变采集仪8与数据存储电脑9连接采集应变数据，数据采集时，应注意是否导入应变的初始值。

微型钢管桩2下放过程中，安装电阻应变片3的其中一侧须靠近开挖面，使对称两侧电阻应变片3的连线与基坑轴线保持垂直。

在整个安装和测试过程中，电阻应变片传输线6的引出过程中保证电阻应变片3与电阻应变片传输线6接线部分不受力，防止接线部分断开。

在本实施例中，需要指出的是，将测取钢管桩受力的应变片预先布置在钢管内，多个应变片贴附于钢管内壁并覆盖防护层，对应变片粘贴区域进行有效保护，减小钻孔、沉桩、开挖等施工时对应变片的扰动影响，保证应变片的良品率及测取数据的精度，满足复杂地层对钢管桩应力状态测取的需求。

实施例2

本发明的另一典型实施方式中，如图1-图8所示，给出一种杂填土地层微型钢管桩应力测试方法。

利用如实施例1中的杂填土地层微型钢管桩应力测试装置，该测试方法包括:

在目标位置施工护壁套管，将粘贴有应变片的钢管下入护壁套管内；

钢管安装应变片的其中一侧靠近开挖面，位于对称位置的两个应变片连线与基坑轴线垂直;

抽出护壁套管，应变片连接应变采集仪，对钢管内进行注浆；

注浆完成形成钢管桩，采集基坑开挖时钢管的应变数据，依据应变片采集的数据，计算钢管桩待测端面的弯曲应力。

结合图1-图8，上述测试方法包括以下详细步骤：

（1）根据测试方案，确定12个电阻应变片安装孔10的开孔位置，开孔截面中心距桩端分别为1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m、11 m、11.8 m，并用粉笔标记。

（2）用火焰切割方式在微型钢管桩2表面开设电阻应变片安装孔10，保留切割电阻应变片安装孔10得到的局部钢片为安装孔焊片11，并用粉笔标记出24个电阻应变片3粘贴位置；用同样的方式在微型钢管桩2距桩端10cm处开设吊装孔13；用相同方式在微型钢管桩2桩身开设12个出浆孔12，开设在电阻应变片安装孔10矩形截面形心对侧。

（3）每个电阻应变片安装孔10两侧分别需要引出应变片传输线6，用铁丝绑扎电阻应变片传输线6的一端通过电阻应变片安装孔10在微型钢管桩2内部进行引线，并将电阻应变片传输线6从微型钢管桩2桩顶处引出，并预留3m以上长度便于数据采集，每一根电阻应变片传输线6的预留长度须相同。将电阻应变片传输线6用胶带临时固定在电阻应变片安装孔10处，方便后续接线。24根电阻应变片传输线6引线完成后，在电阻应变片传输线6两端分别贴上标签，便于后续的检查电阻应变片3存活率和准确连接动态应变采集仪8的工作。

（4）用砂纸打磨微型钢管桩2内壁预设测点处的铁锈，用502胶将电阻应变片3粘贴在测点，电阻应变片安装孔10两侧的电阻应变片3须左右对称，电阻应变片3长边方向与轴线方向保持一致，电阻应变片3的引线端须朝着桩顶方向；粘贴时要挤出电阻应变片3粘贴面的气泡，待电阻应变片3完全固定以后才能进行下一步操作。

（5）将（3）中电阻应变片安装孔10处临时固定的电阻应变片传输线6接线端的两芯铜导线的两极分别与电阻应变片3导线的两极相接，用绝缘胶带进行接线，然后在桩顶引出电阻应变片传输线6接线部分多余长度，并用万能表对桩顶引出的电阻应变片传输线6进行电阻检测，以检验在牵引电阻应变片传输线6的时候是否存在电阻应变片3失效或接线端出现断路并及时更换和接线。

（6）接线完成后，在电阻应变片3及其导线外层均匀涂抹704硅橡胶，静置12小时后，使其固化形成硅橡胶防水层4，涂抹时须完全覆盖电阻应变片3及其导线。

（7）待硅橡胶防水层4成型以后，用植筋胶对其外层进行厚涂，把电阻应变片3、接线端全部覆盖，在植筋胶未硬化前敷上两层纱布15进行补强，完全硬化后得到植筋胶保护层5。

（8）植筋胶保护层5完全成型后，用束线管7将桩端位置引出的电阻应变片传输线6进行套管保护，并在电阻应变片传输线6端部用塑料袋进行防水防潮处理，沉桩前将束线管7从桩端塞入桩内并在桩端进行固定，防止在微型钢管桩2在搬运、沉桩过程中损坏电阻应变片传输线6。

（9）上述所有步骤完成后，对安装孔焊片11和电阻应变片安装孔10进行四角点焊，点焊时间不宜过长，防止温度过高导致电阻应变片3失效。

（10）在施工场地确定微型钢管桩2的沉桩位置，沉桩时，用地质钻机将护壁套管1沉入指定标高，然后用吊车通过吊装孔13把微型钢管桩2从护壁套管1管内进行下放；下方时，微型钢管桩2安装电阻应变片3的其中一侧须靠近开挖面，使对称两侧电阻应变片3的连线与基坑轴线保持垂直。

（11）待微型钢管桩2沉入指定标高后，用吊车将护壁套管1拔出，在注浆前将（8）中塞入管内的电阻应变传输线6及束线管7从微型钢管桩2中抽出。

（12）完成步骤（11）之后，将注浆管伸入微型钢管桩2的进行流入注浆，一段时间后补注至饱满。

（13）将电阻应变片传输线6与动态应变采集仪8连接，动态应变采集仪8与数据存储电脑9连接，基坑开挖之前，记录桩身微应变作为初始值，后续每次开挖按监测周期均进行数据采集，直至基坑挖至设计标高。

（14）基坑开挖过程中，用动态应变采集仪8及数据存储电脑9实时记录电阻式传感器串的应变，利用公式（1）、（2）、（3）可求得微型钢管桩2的待测断面的桩身弯曲应力：

（1）

（2）

（3）

其中，D：钢管桩的外径；d：钢管桩的内径，；当/>时，/>；当/>时，/>；/>—钢管桩的弹性模量;/>—钢材的屈服强度;/>—钢管桩受力时应变值。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置，其特征在于，包括钢管和应变片，应变片设有相对于钢管轴线对称布置的两组，每组均包括多个应变片且沿钢管内壁一条母线依次间隔分布；应变片外覆盖有防护层，应变片通过引线接入应变采集仪；钢管上设有沿轴向分布的多个出浆孔，所有出浆孔轴线所在平面作为两组应变片的对称面；钢管轴线一侧设有出浆孔，另一侧设有安装孔，安装孔与出浆孔一一对应同轴布置；所述安装孔配合有焊片，焊片的角位置连接安装孔以封堵安装孔，安装孔与对应位置出浆孔的连线垂直于一对对称分布应变片的连线；

每个应变片分别通过引线引出至钢管外，分别接入应变采集仪，位于钢管内的引线贴合钢管内壁布置；

同组应变片沿钢管内壁同一母线等间隔布置，应变片的长度方向与钢管轴线平行，应变片贴合钢管内壁；

所述应变片在使用前及粘贴应变片过程中，涉及应变片的相关步骤完成后，均须用万能表检测其成活率；

所述应变片预先布置在钢管内；

所述防护层包括防水层和保护层，防水层覆盖于应变片和引线外侧，应变片封存于防水层与钢管内壁之间，保护层覆盖于防水层外侧；

所述保护层内填充有双层纱布，钢管端部设有束线管，同组应变片对应的引线通过束线管汇集；所述钢管置入地层的一端为桩尖，桩尖为开有十字槽的锥形结构；

所述钢管外套设有护壁套管；

沉桩时，用地质钻机将护壁套管沉入指定标高，然后用吊车通过吊装孔把微型钢管桩从护壁套管管内进行下放，待微型钢管桩沉入指定标高后，用吊车将护壁套管拔出。

2.如权利要求1所述的杂填土地层微型钢管桩应力测试装置，其特征在于，所有出浆孔沿钢管侧壁同一母线依次间隔布置。

3.一种利用如权利要求1-2任一项所述的杂填土地层微型钢管桩应力测试装置的测试方法，其特征在于，包括：

在目标位置施工护壁套管，将粘贴有应变片的钢管下入护壁套管内；

抽出护壁套管，对钢管内进行注浆，注浆完成后应变片连接应变采集仪；

注浆完成形成钢管桩，采集基坑开挖时钢管的应变数据，计算钢管桩弯曲应力。

4.如权利要求3所述的测试方法，其特征在于，钢管安装应变片的其中一侧靠近开挖面，位于对称位置的两个应变片连线与基坑轴线垂直；依据应变片采集的数据，计算钢管桩待测端面的弯曲应力。