CN116464107B - 一种测试基桩竖向承载力的自锚式装置及其数据转化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试基桩竖向承载力的自锚式装置及其数据转化方法，涉及岩土工程技术领域，用于解决现有竖向静载试验反力装置庞大、复杂等技术问题。它包括锚索、圆形锚具、穿心式压力传感器、承压板、千斤顶、电子百分表、应变片、应变采集仪、套筒、注浆管、止浆塞和锚固体，以及提供了一种将基桩自锚试验竖向承载力向常规静载试验数据转化的方法。本发明装置结构简单、安装方便、经济实用，使用范围广，试验数据转换方法已通过模型试验得到了验证，具有良好的推广性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种测试基桩竖向承载力的自锚式装置及其数据转化方法。
背景技术
在岩土工程领域中，基桩竖向承载力检测是基桩成桩验收时非常重要的环节，常见的基桩竖向承载力检测方法有堆载法、锚桩法以及自平衡法。堆载法需要搭建庞大的反力平台，费时、费力，检测成本巨大，而且在很多情况由于场地受限无法搭设；锚桩法常采用二锚一或者四锚一的方法，锚桩反力系统的架设也非常复杂；自平衡法相比较前面两种方法，不需要庞大的反力系统，但是自平衡试验完成之后，加载设备会留在桩体中，造成浪费，而且其数据转化一直是人们讨论的焦点。
为了解决上述基桩竖向抗压承载力试验的缺点，利用岩土锚索技术，通过锚索的锚固力提供反力，本发明提出了一种测试基桩竖向承载力的自锚式装置及其数据转化方法。
发明内容
本发明目的就在于为了解决上述的问题，而提供一种测试基桩竖向承载力的自锚式装置及其数据转化方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：包括锚索、圆形锚具、穿心式压力传感器、上承压板、下承压板、千斤顶、电子百分表、应变采集仪、套筒、注浆管、止浆塞和锚固体组成，所述锚固体由钢绞线扩张环、对中隔离支架、钢制承载体、挤压套、限位板、套筒、高强拉杆螺栓、钢板、圆锥结构和浆液硬化后构成。
其中，所述钢绞线扩张环为圆饼状上面分布孔洞，所述钢绞线束端部均匀穿过钢绞线扩张环每个孔洞中，所述对中隔离支架为锯齿状且中间留有注浆孔容纳注浆管通过，所述钢绞线束在中隔离支架的锯齿凹槽内均匀分布且间隔一定距离设置一个对中隔离支架，所述对中隔离支架位于钢绞线扩张环下方。
进一步地，所述套筒位于对中隔离支架下方，所述套筒外侧的套筒壳体内部由上往下依次设有螺栓、钢制承载体、挤压套、高强拉杆螺栓、限位板，所述钢制承载体为较厚的圆饼状上面分布孔洞，中间分布注浆孔洞容纳注浆管通过，所述限位板为金属薄片，所述挤压套固定钢绞线端部后，所述钢制承载体、限位板通过高强螺栓固定连接；所述套筒壳体和钢制承载体之间焊接为整体。
进一步地，所述钢板位于套筒下方，所述钢板为1块正四边形钢板和4块斜垫铁组成，正四边形钢板边长略大于套筒壳体外径、中心预留注浆孔洞容纳注浆管通过，正四边形钢板与套筒壳体端部焊接，斜垫铁通过合页与正四边形钢板焊接；所述钢板下方设有圆锥结构，所述圆锥结构中设有圆锥体并通过螺母、垫片固定在注浆管上。
进一步地，所述锚索由钢绞线束组成，所述穿心式压力传感器中孔穿过锚索，设置于圆形锚具和上承压板之间，所述千斤顶对称分布在下承压板顶部表面，所述电子百分表均匀分布于下承压板四角顶部表面。
进一步地，所述上、下承压板为高强钢板，厚度大于1cm，形状为正四边形，边长大于桩径，中心预留锚索通道。
进一步地，所述套筒可选择钢管也可选择UPVC管。
进一步地，所述注浆管为中空螺纹注浆管，所述止浆塞为橡胶膨胀止水环，所述挤压套内设挤压簧。
进一步地，所述浆液可单独使用水泥系浆材、化学浆材，也可两者混合使用。
进一步地，所述锚固体和下承压板之间设有基桩，且基桩中心贯穿设置锚索，所述应变采集仪的应变片按一定间距均匀对称粘贴于桩身钢筋笼两侧。
进一步地，包括以下步骤：
S1、桩坑开挖成型后，在桩坑底部向下挖取锚孔，锚孔深度根据现场情况及力学分析大致确定；
S2、将应变片按一定间距均匀对称粘贴在桩身钢筋笼主筋上；
S3、将套筒固定于桩身钢筋笼中；
S4、将注浆管、止浆塞和锚固体装置固定于对应位置；
S5、焊接钢制承载体与套筒壳体、套筒壳体和正四边形钢板，正四边形钢板和合页及斜垫铁；
S6、将钢绞线束与锚固装置埋设于锚孔，提升注浆管使斜垫铁撑开，并注浆至设计高度，待浆液硬化后形成锚固体，将剩余锚孔覆土压实填平至桩坑底面位置；
S7、将桩身钢筋笼下设于桩坑中，将应变片的引线连接到应变采集仪上，并将钢绞线束从套筒中穿出；
S8、浇筑桩身混凝土；
S9、待桩具备检测条件后，依次安装下承压板、千斤顶、电子百分表、上承压板、穿心式传感器和圆形锚具，通过锚具将锚索拉紧；
S10、开动千斤顶，测试并记录在各级荷载下的基桩3竖向位移及桩身应变，基桩自锚试验下的Q～S曲线及各级荷载下的桩身轴力曲线，进一步得到桩侧摩阻力；
S11、采用对数曲线拟合桩的荷载传递模型，基于桩身能量方程以及利用Matlab软件编程，将前述所求桩的荷载传递模型及桩身参数如桩顶和桩端位移、轴力，桩身划分单元数等按照计算步骤求解，进而可实现基桩自锚试验向常规静载试验的数据转化。
S12、完成所有测试工作后，依次拆卸圆形锚具、穿心式压力传感器、上承压板、千斤顶、下承压板、电子百分表，应变采集仪，并用切割机沿着桩顶界面切割钢绞线，然后向套筒内灌入和桩体一致型号的混凝土。
进一步地，所述S11中的计算方式如下：
S1：通过基桩自锚试验，在基桩的桩身钢筋笼主筋上按一定间距均匀对称粘贴应变片，利用压力传感器配合千斤顶施加各级荷载，采用应变采集仪采集桩身应变，采用电子百分表采集各级荷载下桩身发生的沉降，由此便可得到基桩自锚的Q～S曲线及各级荷载下的桩身轴力曲线，进一步得到桩侧摩阻力，采用对数曲线拟合桩的荷载传递模型具体表达式为：
τ(z)＝a-b ln(Δs+c) (1)
式中τ(z)为桩身所受摩阻力；Δs为桩身发生的沉降变形；a、b、c均为系数。
S2：假设桩身仅在竖向荷载下发生弹性变形，忽略桩身的横向变形，则桩身在竖向方向满足能量守恒。身在土中的总势能∏由桩身变形能Wu及势能增量Wp两部分组成，由功的互等定理可知，桩的轴向总势能等于作用于桩身的外力所做功之和。即：
Π＝Wu+Wp (2)
Π＝P0S0-τ(z)(δ+Sb)dS-ρg(δ+Sb)dV-PbSb (5)
式中，H为桩长；Ep为桩的弹性模量；Ap为桩身截面积；N为桩身轴力；m为桩身质量；
g为重力加速度；Sb为桩端位移；δ为桩身变形；ΔH为桩身重心的变化量；P0、Pb为桩顶与桩端的轴力；S0为桩端位移；ρ为桩身密度。
联立(2)、(3)、(4)、(5)式，考虑桩身分为n个连续的单元，有：
式中Pi为桩身单元i的轴力；Pi+1为桩身单元i+1的轴力；Si+1为桩身单元i+1的位移。
S3：利用Matlab软件编程，将(1)、(7)、(8)式代入计算程序，按照所示流程图的计算步骤求解，进而可实现基桩自锚试验向常规静载试验的数据转化。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、利用岩土锚索技术，通过锚索的锚固力提供反力，达到锚固的效果，本发明结构简单、安装方便、经济实用，使用范围广，试验数据转换方法已通过模型试验得到了验证，具有良好的推广性。
附图说明
图1为本发明实施例的自锚式装置整体结构示意图；
图2为本发明实施例的锚索穿过圆形锚具结构示意图；
图3为本发明实施例的锚固体内部结构示意图；
图4为本发明实施例的钢绞线扩张环结构示意图；
图5为本发明实施例的对中隔离支架结构示意图；
图6为本发明实施例的套筒内部结构示意图；
图7为本发明实施例的钢板结构示意图；
图8为本发明实施例的圆锥体结构示意图；
图9为本发明实施例的数据转化方法的流程图；
图10为本发明实施例的装置整体的布局示意图。
图中：
1-锚固体、11-中空螺纹注浆管、12-止浆塞、13-钢绞线扩张环、14-对中隔离支架、15、套筒、151-套筒壳体、152-限位板、153-高强拉杆螺栓、154-挤压套、155-钢制承载体、156-螺栓、16-钢板、161-斜垫铁、162-合页、163-正四边形钢板、17、圆锥结构、171-螺母、172-垫片、173-圆锥体、2-锚索、3-基桩、4-下承压板、5-电子百分表、6-千斤顶、7-上承压板、8-穿心式压力传感器、9-圆形锚具、10-应变采集仪。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
如图1-10所示，本发明提供一种测试基桩3竖向承载力的自锚式装置及其数据转化方法，包括锚索2、圆形锚具9、穿心式压力传感器8、上下承压板4、千斤顶6、电子百分表5、应变片、应变采集仪10、套筒15、注浆管11、止浆塞12和锚固体1，以及提供了一种将基桩自锚实验竖向承载力向静载试验转化的方法。
所述圆形锚具9为圆柱状，中间均匀分布锚孔，每个锚孔穿出一根钢绞线，然后通过锚具夹片固定。
所述注浆管11为中空螺纹注浆管11，从锚固体1装置中心孔穿出，注浆管11外径略小于钢绞线扩张环13、对中隔离支架14、钢制承载体155、限位板152、钢板16及圆锥体173中心孔最小直径。
所述止浆塞12为橡胶膨胀止水环，设置于锚索2外侧。
所述锚固体1由钢绞线扩张环13、对中隔离支架14、钢制承载体155、挤压套154、限位板152、套筒15、高强拉杆螺栓153、钢板16、合页162、螺母171、垫片172、圆锥体173和浆液硬化后构成。所述钢绞线扩张环13为圆饼状上面分布孔洞，孔洞直径略大于钢绞线直径，中间分布注浆孔洞，注浆孔洞直径略大于注浆管11直径，钢绞线束端部穿过钢绞线扩张环13，并将钢绞线束均匀分布于每个孔中，从而达到扩张钢绞线使之受力均匀充分；所述对中隔离支架14为锯齿状，中间留有注浆孔，外侧每个开口将分散开的钢绞线束均匀分隔开，间隔一定距离设置一个对中隔离支架14，使钢绞线不会相互缠绕；所述钢制承载体155为较厚的圆饼状，上面分布孔洞，孔洞直径略大于钢绞线直径，中间分布注浆孔洞，注浆孔洞直径略大于注浆管11直径；所述限位板152为金属薄片，挤压套154固定钢绞线端部后，所述钢制承载体155、限位板152通过高强拉杆螺栓153固定连接；所述套筒壳体151内径略大于锚具承载体直径，将固定后的锚具承载体、锚索2限位片伸入导向帽内，然后将导向帽和承载体焊接为整体；所述钢板16为1块正四边形钢板163和4块斜垫铁161，正四边形钢板163边长略大于套筒壳体151外径、中心预留注浆孔洞，正四边形钢板163与套筒壳体151端部焊接，斜垫铁161通过合页162与正四边形钢板163焊接；所述圆锥体173通过螺母171、垫片172固定在注浆管11上，然后通过调节注浆管11高度带动圆锥体173上下移动，来实现四块斜垫铁161的张开及闭合。
然后数据转化方法可通过由电子百分表5测得的基桩3在各级竖向荷载下的竖向沉降及应变采集仪10得到的桩身应变，得到基桩3自锚试验下的Q～S曲线及各级荷载下的桩身轴力曲线，进一步得到桩侧摩阻力，采用对数曲线拟合桩的荷载传递模型，基于桩身能量方程以及利用Matlab软件编程，将前述所求桩的荷载传递模型及桩身参数(如桩顶和桩端位移、轴力，桩身划分单元数等)按照所示流程图的计算步骤求解，进而可实现基桩自锚试验向常规静载试验的数据转化，具体计算方式如下：
(1)通过基桩自锚试验，在基桩3的桩身钢筋笼主筋上按一定间距均匀对称粘贴应变片，利用压力传感器配合千斤顶6施加各级荷载，采用应变采集仪10采集桩身应变，采用电子百分表5采集各级荷载下桩身发生的沉降，由此便可得到基桩自锚的Q～S曲线及各级荷载下的桩身轴力曲线，进一步得到桩侧摩阻力，采用对数曲线拟合桩的荷载传递模型具体表达式为：
τ(z)＝a-bln(Δs+c) (1)
式中τ(z)为桩身所受摩阻力；Δs为桩身发生的沉降变形；a、b、c均为系数。
(2)假设桩身仅在竖向荷载下发生弹性变形，忽略桩身的横向变形，则桩身在竖向方向满足能量守恒。桩身在土中的总势能∏由桩身变形能Wu及势能增量Wp两部分组成，由功的互等定理可知，桩的轴向总势能等于作用于桩身的外力所做功之和。即：
Π＝Wu+Wp (2)
Π＝P0S0-τ(z)(δ+Sb)dS-ρg(δ+Sb)dV-PbSb (5)
式中，H为桩长；Ep为桩的弹性模量；Ap为桩身截面积；N为桩身轴力；m为桩身质量；
g为重力加速度；Sb为桩端位移；δ为桩身变形；ΔH为桩身重心的变化量；P0、Pb为桩顶与桩端的轴力；S0为桩端位移；ρ为桩身密度。
联立(2)、(3)、(4)、(5)式，考虑桩身分为n个连续的单元，有：
式中Pi为桩身单元i的轴力；Pi+1为桩身单元i+1的轴力；Si+1为桩身单元i+1的位移。
(3)利用Matlab软件编程，将(1)、(7)、(8)式代入计算程序，按照所示流程图的计算步骤求解，进而可实现基桩自锚试验向常规静载试验的数据转化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (6)
1.一种基桩竖向承载力的自锚式装置，其特征在于，包括锚索（2）、圆形锚具（9）、穿心式压力传感器（8）、上承压板（7）、下承压板（4）、千斤顶（6）、电子百分表（5）、应变采集仪（10）、注浆管（11）、止浆塞（12）和锚固体（1），所述锚固体（1）由钢绞线扩张环（13）、对中隔离支架（14）、钢制承载体（155）、挤压套（154）、限位板（152）、套筒（15）、高强拉杆螺栓（153）、钢板（16）、圆锥结构（17）和浆液硬化后构成；
其中，所述圆形锚具（9）为圆柱状，中间均匀分布锚孔，每个锚孔穿出一根钢绞线，然后通过锚具夹片固定；
所述钢绞线扩张环（13）为圆饼状上面分布孔洞，用于穿设钢绞线束，中间分布注浆孔洞，用于穿设注浆管，所述钢绞线束的端部均匀穿过钢绞线扩张环（13）每个孔洞中，所述对中隔离支架（14）为锯齿状且中间留有注浆孔容纳注浆管（11）通过，所述钢绞线束在对中隔离支架的锯齿凹槽内均匀分布且间隔一定距离设置一个对中隔离支架（14），所述对中隔离支架（14）位于钢绞线扩张环（13）下方，所述套筒（15）位于对中隔离支架（14）下方，所述套筒（15）包括外侧的套筒壳体（151），套筒壳体（151）内部由上往下依次设有螺栓（156）、钢制承载体（155）、挤压套（154）、高强拉杆螺栓（153）、限位板（152），所述钢制承载体（155）为圆饼状上面分布孔洞，中间分布注浆孔洞容纳注浆管（11）通过，所述限位板（152）为金属薄片，所述挤压套（154）固定钢绞线端部后，所述钢制承载体（155）、限位板（152）通过高强拉杆螺栓（153）固定连接，所述高强拉杆螺栓（153）端部采用螺栓（156）固定；所述套筒壳体（151）和钢制承载体（155）之间焊接为整体；
所述钢板（16）位于套筒（15）下方，所述钢板（16）由1块正四边形钢板（163）和4块斜垫铁（161）组成，正四边形钢板（163）边长略大于套筒外径、中心预留注浆孔洞容纳注浆管（11）通过，正四边形钢板（163）与套筒端部焊接，斜垫铁（161）通过合页（162）与正四边形钢板（163）焊接；所述钢板（16）下方设有圆锥结构（17），所述圆锥结构（17）中设有圆锥体（173）并通过螺母、垫片（172）固定在注浆管（11）上；
所述锚索（2）由钢绞线束组成，所述锚索（2）穿过穿心式压力传感器（8）的中部开孔，穿心式压力传感器（8）设置于圆形锚具（9）和上承压板（7）之间，所述千斤顶（6）对称分布在下承压板（4）顶部表面，所述电子百分表（5）均匀分布于下承压板（4）四角顶部表面；
所述锚固体（1）和下承压板（4）之间设有基桩（3），基桩（3）中心布设通管，通管采用钢管或UPVC管，且基桩（3）中心贯穿设置锚索（2），所述应变采集仪（10）的应变片按一定间距均匀对称粘贴于桩身钢筋笼两侧；
所述止浆塞（12）设置于锚索（2）外侧。
2.根据权利要求1的一种基桩竖向承载力的自锚式装置，其特征在于，所述上承压板（7）和下承压板（4）为高强钢板，厚度大于1cm，形状为正四边形，边长大于桩径，中心预留锚索（2）通道。
3.根据权利要求1的一种基桩竖向承载力的自锚式装置，其特征在于，所述注浆管（11）为中空螺纹注浆管（11），从锚固体（1）装置中心孔穿出，所述止浆塞（12）为橡胶膨胀止水环，所述挤压套（154）内设挤压簧。
4.根据权利要求1的一种基桩竖向承载力的自锚式装置，其特征在于，所述浆液可单独使用水泥系浆材、化学浆材，也可两者混合使用。
5.一种使用权利要求1至4任一项所述的基桩竖向承载力的自锚式装置的数据转化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、桩坑开挖成型后，在桩坑底部向下挖取锚孔，锚孔深度根据现场情况及力学分析大致确定；
S2、将应变片按一定间距均匀对称粘贴在桩身钢筋笼主筋上；
S3、将通管固定于桩身钢筋笼中；
S4、将注浆管（11）、止浆塞（12）和锚固体（1）装置固定于对应位置；
S5、焊接钢制承载体（155）与套筒壳体（151）、套筒壳体（151）和正四边形钢板（163），正四边形钢板（163）和合页（162）及斜垫铁（161）；
S6、将钢绞线束与锚固装置埋设于锚孔，提升注浆管（11）使斜垫铁（161）撑开，并注浆至设计高度，待浆液硬化后形成锚固体（1），将剩余锚孔覆土压实填平至桩坑底面位置；
S7、将桩身钢筋笼下设于桩坑中，将应变片的引线连接到应变采集仪（10）上，并将钢绞线束从套筒中穿出；
S8、浇筑桩身混凝土；
S9、待桩具备检测条件后，依次安装下承压板（4）、千斤顶（6）、电子百分表（5）、上承压板（7）、穿心式传感器和圆形锚具（9），通过锚具将锚索（2）拉紧；
S10、开动千斤顶（6），测试并记录在各级荷载下的基桩（3）竖向位移及桩身应变，基桩（3）自锚试验下的Q~S曲线及各级荷载下的桩身轴力曲线，进一步得到桩侧摩阻力；
S11、采用对数曲线拟合桩的荷载传递模型，基于桩身能量方程以及利用Matlab软件编程，将前述所求桩的荷载传递模型及桩身参数按照计算步骤求解，进而可实现基桩（3）自锚试验向常规静载试验的数据转化；
S12、完成所有测试工作后，依次拆卸圆形锚具（9）、穿心式压力传感器（8）、上承压板（7）、千斤顶（6）、下承压板（4）、电子百分表（5），应变采集仪（10），并用切割机沿着桩顶界面切割钢绞线，然后向套筒内灌入和桩体一致型号的混凝土。
6.根据权利要求5所述的数据转化方法，其特征在于，所述S11中的计算方式如下：
S1：通过基桩（3）自锚试验，在基桩（3）的桩身钢筋笼主筋上按一定间距均匀对称粘贴应变片，利用压力传感器配合千斤顶（6）施加各级荷载，采用应变采集仪（10）采集桩身应变，采用电子百分表（5）采集各级荷载下桩身发生的沉降，由此便可得到基桩（3）自锚的Q~S曲线及各级荷载下的桩身轴力曲线，进一步得到桩侧摩阻力，采用对数曲线拟合桩的荷载传递模型具体表达式为：
（1）
式中为桩身所受摩阻力；/>为桩身发生的沉降变形；a、b、c均为系数；
S2：假设桩身仅在竖向荷载下发生弹性变形，忽略桩身的横向变形，则桩身在竖向方向满足能量守恒，桩身在土中的总势能 ∏ 由桩身变形能 Wu及势能增量Wp两部分组成，由功的互等定理可知，桩的轴向总势能等于作用于桩身的外力所做功之和，即：
（2）
（3）
（4）
（5）
式中，H为桩长；Ep为桩的弹性模量；Ap为桩身截面积；N为桩身轴力；m为桩身质量；
g为重力加速度；Sb为桩端位移；δ为桩身变形；ΔH为桩身重心的变化量；P0、Pb为桩顶与桩端的轴力；S0为桩端位移；ρ为桩身密度；
联立（2）、（3）、（4）、（5）式，考虑桩身分为n个连续的单元，有：
（6）
（7）
（8）
式中Pi为桩身单元i的轴力；Pi+1为桩身单元i+1的轴力；Si+1为桩身单元i+1的位移；
S3：利用Matlab软件编程，将（1）、（7）、（8）式代入计算程序，按照所示流程图的计算步骤求解，进而可实现基桩（3）自锚试验向常规静载试验的数据转化。
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