加速度测试盒及基于多点测试的桩基承载力动态测试方法与流程

本发明涉及一种加速度测试盒及基于多点测试的桩基承载力动态测试方法。

背景技术：

目前测试桩基承载力的方法主要有静载荷试验和动态测试法。

静载荷试验是指按桩的使用功能，分别在桩顶逐级施加轴向压力、轴向上拔力或在桩基承台底面标高一致处施加水平力，观测桩的相应检测点随时间产生的沉降、上拔位移或水平位移，根据荷载与位移的关系(即Q～s曲线)判定相应的单桩竖向抗压承载力、单桩竖向抗拔承载力或单桩水平承载力的试验方法。常用的桩基静载荷测试方法有三种：堆载法、锚桩法和自平衡法。但是静载荷试验需要庞大的反力装置，试验成本高。

桩基承载力动态测试方法目前主要有高应变测试。高应变所需要的拟合参数过多，导致拟合结果的多样性。高应变测试还需要用到应变传感器，然而在实际工程中桩身的动应变很难精确测得。高应变测试技术难度高，试验时受物理模型、计算方法、桩土参数选择以及试验人员实际经验等诸多因素的影响较大。

技术实现要素：

为了克服高应变测试桩基承载力时不确定参数过多的问题，本发明提供一种加速度测试盒及基于多点测试的桩基承载力动态测试装置与方法。将桩身分为n段，每段视为单自由度质点，通过桩身预留的测斜管在每段中点安置加速度传感器测试盒，再用重锤从一定高度落下，测得每一段的加速度时程曲线，分析处理这些曲线就可以得到桩顶的荷载与位移的关系(即Q～s曲线)，从而得到桩基的极限承载力，加速度传感器测试盒也可以回收再利用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

加速度测试盒，测试盒内安装有加速度传感器，测试盒一侧安装有摩擦垫，另一侧安装有气囊，气囊上下两端均设有连通气囊内腔的接口。

基于多点测试的桩基承载力动态测试装置，由若干个如上所述的加速度测试盒等间距绑接在绳索上而成，加速度测试盒之间通过通气管顺次连接气囊上的接口，最末端的加速度测试盒的底部气囊接口封闭。使用时，只需要给最顶端的气囊充气，下面的气囊就可以通过连接气管充气。

一种使用上述测试装置的基于多点测试的桩基承载力动态测试方法，包括如下步骤：

步骤1、测试前安装加速度测试盒：

1-1.根据桩身长度情况，将桩分为等长度的n段；将n个加速度测试盒等间距绑接，加速度传感器间距为桩段长度l＝L/n，L为桩长；

1-2.在桩身预留的测斜管下放加速度测试盒至整根桩身，以第i个传感器为中心的桩段标为第i段；通过通气管给传感器气囊充气，使摩擦垫紧贴测斜管管壁；

1-3.桩顶安装电涡流位移传感器，用水准仪测出初始桩顶水平高度H₁；

步骤2、用安装有加速传感器的重锤锤击桩顶，测出埋设于桩身的每个加速度传感器的数据，记录桩顶安装的电涡流位移传感器的数据，用水准仪测出锤击后桩顶水平高度H₂：

2-1.用重锤距离桩顶足够高度处落下，使得桩身发生沉降从而达到自身的极限承载力；此时重锤上安装的加速度传感器测得的加速度数据时程为a₀(t)，桩身各个加速度测试盒测得的数据为a₁(t)，…，a_i-1(t)，a_i(t)，a_i+1(t)，…，a_n(t)；对a_i(t)积分得到速度时程v_i(t)，对v_i(t)积分得到位移时程u_i(t)；t为时间；

2-2.校核桩顶单元积分所得位移时程u₁(t)与电涡流位移传感器实测位移时程及水准仪实测桩顶位移H₂-H₁，如果三者相差超过阈值，则重新锤击；

步骤3、处理上述得到的加速度传感器的数据，得到桩身每个质点的传递函数；

3-1.对于第i桩段，其动力平衡方程可以表示为：

F_im(t)+F_id(t)+F_is(t)＝F_i(t)

F_im(t)表示由加速度引起的惯性力，有F_im(t)＝m_ia_i(t)，m_i为第i桩段的质量；

F_id(t)表示桩周土的阻尼力，有η_i为第i桩段桩周土阻尼系数；α_i为阻尼指数；对于第n桩段，F_nd(t)中包括桩底土的阻尼力；

F_is(t)表示桩周土的静回复力，有为第i段桩周土侧摩阻力系数；对于第n桩段，F_ns(t)中包括桩底土的静回复力；

F_i(t)表示相邻桩段对该桩段的作用合力，且有F_i(t)＝F_i上(t)-F_i下(t)；

第i桩段顶部的轴力为

第i桩段底部的轴力为

式中：E表示桩身材料的弹性模量，A表示桩身横截面积，ε_i上(t)和ε_i下(t)表示桩段顶部和底部的应变；但对于第n桩段，F_n(t)＝F_n上(t)；对于第1桩段，桩顶的力由下式计算：

F_1上(t)＝m_ha₀(t)+m_hg

式中：m_h为重锤的质量，g为重力加速度；

3-2.在第i个桩段的加速度时程曲线a_i(t)上等间距取m个点:t₁，t₂，…，t_j，…，t_m，对应的加速度为a_i(t₁)，a_i(t₂)，…，a_i(t_j)，…，a_i(t_m)；时间间隔应该足够小，使得前三个时间点所对应的系统的变形处于线性状态，即为常数，记为k_ic。

3-3.η_i，k_ic和α_i的值由下式计算得到：

A_i1＝F_i上(t₁)-F_i下(t₁)-m_ia_i(t₁)

A_i2＝F_i上(t₂)-F_i下(t₂)-m_ia_i(t₂)

A_i3＝F_i上(t₃)-F_i下(t₃)-m_ia_i(t₃)

3-4.对于第i桩段的第j组数据a_i(t_j)、v_i(t_j)、u_i(t_j)、F_i上(t_j)、F_i下(t_j)，根据第i桩段的动力平衡方程可以得到

至此，得到每一桩段的桩周土的静回复力F_is(t)与位移u_i(t)的关系，即传递函数；

步骤4、根据每一桩段的传递函数，结合荷载传递法，得到整个桩身的荷载位移曲线，进而确定整根桩的极限承载力。

作为优选，完成测试后，给气囊放气，回收加速度测试盒。

本发明的有益效果如下：

一、确定极限承载力的过程中，所有参数都可以通过测试得到的数据计算而来，没有不确定的参数，避免了结果的多样性；二、加速度测试盒在使用后可以回收，降低了测试的成本；

附图说明

图1是锤击测试前桩身的加速度测试盒安装示意图。

图2是加速度测试盒的示意图。

图3是锤击过程示意图(其中虚线表示撞击状态)。

图中：桩身1、第i桩段1(i)(i＝1,2，…，n)、第i个加速度测试盒2(i)(i＝1,2，…，n)、第i个加速度测试盒的摩擦垫2(i)a、第i个加速度测试盒的加速度传感器2(i)b、第i个加速度测试盒的外壳2(i)c、第i个加速度测试盒的气囊2(i)d、第i个加速度测试盒的导线2(i)e、第i个加速度测试盒的气管2(i)f、重锤3、重锤上的加速度传感器4、缓冲层5、金属片6、电涡流位移传感器7、基准梁8和水准仪9。

具体实施方式

下面结合附图和实施步骤对本发明进一步说明。

如图1所示，桩长为L，根据桩长将桩身1分为n段，每段长度为l＝L/n。桩身1内设置有测斜管，导线2上等间距绑有共n个结构相同的加速度测试盒。下面以第i个加速度测试盒为例对其结构进行说明。如图2所示，加速度测试盒的外壳2(i)c内安装有加速度传感器2(i)b，导线2(i)e连接着加速度传感器2(i)b，外壳2(i)c一侧贴有摩擦垫2(i)a，另一侧安装有气囊2(i)d，气囊2(i)d上下部均设有连通气囊内腔的接口。加速度测试盒之间通过通气管顺次连接气囊上的接口，最末端的加速度测试盒的底部气囊接口封闭。使用时，给最顶端的气囊充气，下面的气囊就可以通过连接气管充气。气囊膨胀后，挤压外壳2(i)c，摩擦垫2(i)a贴测斜管管壁，实现加速度测试盒的固定。

桩顶一侧安装一个金属片6，金属片上方通过基准梁8连接有电涡流位移传感器7。桩身1另一侧安装水准仪9。桩基承载力动态测试时，如图3所示，需要用一个重锤3撞击桩顶。重锤3侧面也固定一个加速度传感器4，其撞击面上设置缓冲层5。

采用该装置的基于多点测试的桩基承载力动态测试方法，具体包括如下步骤：

步骤1、测试前安装加速度测试盒：

1-1.将加速度测试盒等间距绑接，加速度传感器间距为l＝L/n。第i-1个气囊2(i-1)d与第i个气囊2(i)d之间用气管2(i)f连接。

1-2.下放传感器测试盒2(i)(i＝1,2，…，n)至整个桩身，如图1所示。给第1个加速度测试盒的气囊2(1)d充气，使之紧贴测斜管管壁，气体通过气管2(i)f使得每个加速度测试盒的气囊2(i)d(i＝2，…，n)也膨胀，这样使每一个传感器测试盒2(i)都与相应的桩段1(i)同步运动。

1-3.桩顶安装电涡流位移传感器测量位移时程。撞击前用水准仪测出初始桩顶水平高度H₁；

步骤2、用安装有加速传感器4的重锤3锤击桩顶，测出埋设于桩身的每个加速度测试盒2(i)(i＝1,2，…，n)的数据。记录电涡流位移传感器7的数据。用水准仪9测出锤击后桩顶水平高度H₂。

2-1.让重锤3距离桩顶足够高度h处落下，使得桩身发生足够大的沉降从而达到自身的极限承载力。重锤3上安装的加速度传感器4测得的数据为a₀(t)。各个加速度测试盒2(i)(i＝1,2，…，n)的加速度数据时程为a₁(t)，…，a_i-1(t)，a_i(t)，a_i+1(t)，…，a_n(t)。对a_i(t)积分可得到速度时程v_i(t)。对v_i(t)积分可得到位移时程u_i(t)。

2-2.校核桩顶单元积分所得位移u₁(t)与电涡流位移传感器7实测位移时程及水准仪9实测桩顶位移H₂-H₁，如果三者相差过大，超过一定阈值时，则需要重新锤击。

步骤3、处理上述得到的桩身加速度传感器的数据，得到桩身每个质点的传递函数。

3-1.对于第i桩段，其动力平衡方程可以表示为：

F_im(t)+F_id(t)+F_is(t)＝F_i(t)

F_im(t)：

F_im(t)表示由加速度引起的惯性力，有F_im(t)＝m_ia_i(t)，m_i为第i桩段的质量。

F_id(t)：

F_id(t)表示桩周土的阻尼力，有η_i为第i桩段桩周土阻尼系数，对每一桩段而言η_i为常数。α_i为阻尼指数。对于第n桩段，F_nd(t)也包括了桩底土的阻尼力。

F_is(t)：

F_is(t)表示桩周土的静回复力，有为第i段桩周土侧摩阻力系数，它是关于u_i(t)的变量，在u_i(t)较小时，桩土系统变形较小，为常数，当u_i(t)较大时，桩土系统变形进入非线性阶段，此时与u_i(t)呈非线性关系。可由后续步骤3-4中的公式计算得到。对于第n桩段，F_ns(t)也包括了桩底土的静回复力。

F_i(t)表示相邻桩段对其的作用合力，且有F_i(t)＝F_i上(t)-F_i下(t)。

第i桩段顶部的轴力为

第i桩段底部的轴力为

式中：E表示桩身材料的弹性模量，A表示桩身横截面积，ε_i上(t)和ε_i下(t)表示桩段顶部和底部的应变。对于第n桩段，不存在F_n下(t)这一项，F_n(t)＝F_n上(t)，其实，此时F_n下(t)为桩底土对其的作用力，它已经包括在F_nd(t)和F_ns(t)之中。对于第1桩段，桩顶的力由下式计算：

F_1上(t)＝m_ha₀(t)+m_hg

式中：m_h为重锤的质量，g为重力加速度。

3-2.在第i个桩段的加速度时程曲线a_i(t)上等间距取m个点:t₁，t₂，…，t_j，…，t_m，对应的加速度为a_i(t₁)，a_i(t₂)，…，a_i(t_j)，…，a_i(t_m)。时间间隔应该足够小，使得前三个时间点所对应的系统的变形处于线性状态，即为常数，记为k_ic。

3-3.η_i，k_ic和α_i的值由下式计算得到：

A_i1＝F_i上(t₁)-F_i下(t₁)-m_ia_i(t₁)

A_i2＝F_i上(t₂)-F_i下(t₂)-m_ia_i(t₂)

A_i3＝F_i上(t₃)-F_i下(t₃)-m_ia_i(t₃)

3-4.对于第i桩段的第j组(即t_j时刻)数据a_i(t_j)、v_i(t_j)、u_i(t_j)、F_i上(t_j)、F_i下(t_j)，根据第i桩段的动力平衡方程可以得到

至此，可以得到每一桩段的桩周土的静回复力F_is(t)与位移u_i(t)的关系，即传递函数。

步骤4、根据每一桩段的传递函数，结合荷载传递法，就可以得到整个桩身的荷载位移曲线，进而就可以根据相关规范确定整根桩的极限承载力。

步骤5、给气囊2(i)d放气，提升导线2(i)e回收加速度测试盒2(i)。