桩侧土压力检测及保护装置和安装方法与流程

本发明涉及桩基工程领域，桩基水平承载力测试，更具体地说，本发明涉及一种桩侧土压力检测及保护装置和安装方法。

背景技术：

基桩广泛应用于桥梁、码头、海上风电等大型建筑物的基础，由于其承受波浪水流等水平荷载以及倾覆力矩，对水平承载性能有很高的要求。水平承载桩的工作性能是桩土相互作用的问题，无论是完全埋置桩或是部分埋置桩，都是利用桩周土的抗力来承担水平荷载，目前的计算理论中，p-y曲线法保证了桩土之间的变形协调，适用于线性和非线性变形特性、静载和循环荷载，避免了单一参数法的缺陷，能准确的模拟横向承载桩的工作特性。

p-y曲线有多种理论计算方法，但理论计算结果与实际受力情况往往存在一定的差异，如果能够在水平承载桩试验中，利用土压力传感器直接测出桩周土体抗力是最为理想的方法。土压力的测量是土力学理论和实验研究的一个重要方面，是工程测试中的重要内容，为了研究基桩在水平荷载作用下桩侧土体水平抗力，需要在试桩受荷方向(正前方)布设土压力观测设备，从而在各级水平荷载作用下，与挠度同步测量各深度的桩周土压力。

目前通常做法是把土压力传感器埋设在离桩表面一定距离的土中，以此作为桩侧土压力的近似值，室内试验通常采用在桩侧土体钻孔，将传感器放置孔内，这种埋设方法很难保证传感器受力面与桩体表面平行，影响测试精度，而且钻孔对桩周土体扰动，所测数据不能真实的反映原状土的受力性能。

有人提出一种预制混凝土桩身的土压力盒现场布设方法，如专利号“cn105155598a”的名为“一种预制桩桩身表面应变计与桩侧土压力盒现场布设方法”的中国发明专利，该专利依靠两根轴线钢筋在预制桩桩身表面形成凹槽式的保护腔体，表面应变计与桩侧土压力盒放置在保护腔体内，然后使用环氧树脂材料填充保护腔体，从而实现对表面应变计、土压力盒及其导线进行密封和保护。该方法由于土压力盒受力面与桩周土体未能直接接触，通过防护材料环氧树脂受压传递荷载，不能准确地反映原状土承受水平抗力情况。

还有一个专利号为“cn205954721u”的名为“一种海上风电钢管桩侧土压力计埋设装置”的实用新型专利，该专利通过钢管桩外周四个方向的卡槽作用固定压力计，但是在沉桩过程中，在较大的锤击能量及冲击荷载作用下，很容易对压力计造成振荡损坏，且桩侧外壁增加卡槽增大了桩身截面，沉桩过程中阻力增大，不利于钢管桩入土。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种土压力传感器及其配套的保护及破土装置，在沉桩过程中能更好的保护土压力传感器。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种桩侧土压力检测及保护装置，其特征在于，包括：土压力传感器，其外壳为上部和下部一体成型的同轴圆柱体结构，且所述外壳的上部直径小于所述外壳的下部直径；保护装置，其具有上下均敞口的中空结构，所述中空结构的上部和下部均为同轴设置的圆柱体结构，所述中空结构的上部内径大于下部内径；压板，其为环形或类环形结构；其中，所述土压力传感器设置于所述保护装置的中空结构中，且所述外壳的上部的上表面与所述保护装置的上部的上表面平齐，所述外壳的下部的下表面与所述保护装置的下部的下表面平齐；所述外壳的上部的外侧面与所述保护装置的上部内侧面之间形成一腔体结构，所述压板设置于所述腔体结构中并固定，且所述压板与所述外壳的下部的上表面以及所述外壳的上部的外侧面相抵，以将所述土压力传感器固定。

优选的是，所述压板为环形压板，其内径与所述外壳的上部直径一致，外径与所述中空结构的上部内径一致，且所述中空结构的上部高度与所述外壳的上部高度相同。

优选的是，还包括：减震隔热橡胶片、减震隔热垫片、防水硅胶圈；其中，所述外壳的下部外侧面与所述保护装置的下部内侧面之间形成一空腔，所述减震隔热橡胶片填充于所述空腔中，以使所述土压力传感器与所述保护装置在外力冲击作用下仍能保持相对静止状态，所述空腔的厚度为2mm-5mm；所述环形压板外侧面与所述保护装置的上部内侧面以及所述环形压板内侧面与所述外壳的上部外侧面之间存在缝隙，所述防水硅胶圈设置于所述缝隙中，以使所述保护装置与所述土压力传感器之间达到防水密封；所述减震隔热垫片大小与所述环形压板一致，设置于所述环形压板与所述中空结构的下部之间。

优选的是，所述外壳的上部与下部的直径均为10mm-500mm，且所述外壳的上部与下部的直径差为10mm-20mm。

优选的是，所述外壳的上部直径为108mm，下部直径为118mm。

优选的是，所述保护装置的上部内径与下部内径之差为10mm-20mm。

优选的是，还包括破土装置，其为类三棱锥结构，所述破土装置的底面焊接于所述保护装置的外壁上，所述破土装置的其中两条棱形成的一侧面与所述保护装置的下表面在同一平面内，所述破土装置的另一条棱一端焊接于所述保护装置上部的外侧面，另一端向所述保护装置的下表面所在平面倾斜且与所述破土装置其中两条棱远离所述保护装置的一端形成锥尖。

优选的是，所述破土装置的另一条棱一端与另一端之间的距离与所述保护装置的高度比大于2：1。

优选的是，所述破土装置与所述保护装置焊接面的大小为所述保护装置外周侧面积的十分之一到四分之一。

本发明还提供一种在桩身安装桩侧土压力检测及保护装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据桩入土深度和地质条件，确定桩身需要安装桩侧土压力检测及保护装置的个数以及位置；

2)焊接所述保护装置与所述破土装置，使两者一体化；

3)将一体化的保护装置与破土装置的下表面焊接在步骤1)确定的桩身位置上，且保护装置位于破土装置的正上方，破土装置的锥尖竖直朝下；

4)将土压力传感器放置于保护装置中，并用减震隔热橡胶片填充土压力传感器外壳的下部与中空结构的下部之间的空腔；

5)在中空结构的上部依次放置减震隔热垫片以及环形压板，并固定环形压板与保护装置，然后再用防水硅胶圈填充密封环形压板与保护装置以及环形压板与土压力传感器之间的缝隙；

6)将土压力传感器的引出线固定于桩身，再用角钢扣上保护，并沿着桩身一直引出到桩顶。

本发明至少包括以下有益效果：

1、改变传统土压力传感器的形状，使其变为凸形，然后再设置配套的保护装置，从而土压力传感器可安装于保护装置内，通过环形压板固定，现场安装方便快捷。土压力传感器受力面与土体平整紧密接触，全断面受压，避免应力集中，更准确的测试桩侧土体水平抗力。

2、与土压力传感器配套的破土装置，可牢固焊接安装在钢管桩表面，能承受较大的冲击荷载，锥尖竖直朝下，不影响钢管桩沉桩过程中桩身入土。

3、土压力传感器与保护装置之间的空腔、环形压板与凸形土压力传感器肩部之间均采用专用减震隔热橡胶片或垫片填充，抗冲击性能好，能抵抗高频锤击能量和冲击力，充分的保护了土压力传感器，提高土压力传感器成活率。

4、环形压板与土压力传感器以及环形压板与保护装置之间的缝隙通过防水硅胶圈密封，可达到防水密封的效果，从而有效保护土压力传感器不被破坏，以免影响土压力传感器的正常使用。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，本发明提供一种桩侧土压力检测及保护装置，其特征在于，包括：土压力传感器1，其外壳为上部和下部一体成型的同轴圆柱体结构，且所述外壳的上部直径小于所述外壳的下部直径；保护装置2，其具有上下均敞口的中空结构，所述中空结构的上部和下部均为同轴设置的圆柱体结构，所述中空结构的上部内径大于下部内径；压板，其为环形或类环形结构；其中，所述土压力传感器1设置于所述保护装置2的中空结构中，且所述外壳的上部的上表面与所述保护装置的上部的上表面平齐，所述外壳的下部的下表面与所述保护装置2的下部的下表面平齐；所述外壳的上部的外侧面与所述保护装置2的上部内侧面之间形成一腔体结构，所述压板设置于所述腔体结构中并固定，且所述压板与所述外壳的下部的上表面以及所述外壳的上部的外侧面相抵，以将所述土压力传感器1固定。

在这种技术方案中，将传统的扁平圆柱形的土压力传感器1设置为上小下大的凸形结构，再设置配套的可固定土压力传感器1的保护装置2，通过保护装置2的下部下表面焊接固定在桩身，土压力传感器1的下表面与保护装置2的下表面平齐，土压力传感器1的上表面与保护装置2的上表面平齐，从而仅仅是土压力传感器1的受力面与土直接接触，能全断面平整的接触桩周土体，既保护了土压力传感器1，又可直接准确测出测试桩侧土体水平抗力；土压力传感器1外侧面与保护装置2的内侧面之间的腔体通过压板填充，而后固定，固定可采用简单的螺栓固定压板与保护装置2，但不仅仅限于此种固定方式，从而保护装置2与土压力传感器1可保持相对的静止状态。

另一种技术方案中，所述压板为环形压板5，其内径与所述外壳的上部直径一致，外径与所述中空结构的上部内径一致，且所述中空结构的上部高度与所述外壳的上部高度相同。在这种技术方案中，将土压力传感器1外壳与保护装置2的中空结构上部及下部的高度均设置为相同，压板设置为环形压板5，是常规的形状，制作工艺简单，操作方便。

另一种技术方案中，还包括：减震隔热橡胶片3、减震隔热垫片4、防水硅胶圈；其中，所述外壳的下部外侧面与所述保护装置2的下部内侧面之间形成一空腔，所述减震隔热橡胶片3填充于所述空腔中，以使所述土压力传感器1与所述保护装置2在外力冲击作用下仍能保持相对静止状态，所述空腔的厚度为2mm-5mm；所述环形压板5外侧面与所述保护装置2的上部内侧面以及所述环形压板5内侧面与所述外壳的上部外侧面之间存在缝隙，所述防水硅胶圈设置于所述缝隙中，以使所述保护装置2与所述土压力传感器1之间达到防水密封；所述减震隔热垫片4大小与所述环形压板5一致，设置于所述环形压板5与所述中空结构的下部之间。

在这种技术方案中，外壳的下部外侧面与保护装置2的下部内侧面之间有空腔，从而减震隔热橡胶片3填充于空腔中，在施工过程中，高频锤击其能量和冲击力均非常大，土压力传感器1如果与保护装置2直接接触很容易被冲击破坏，同时温度升高过程对土压力传感器也会造成影响，因此通过设置减震隔热橡胶片3来保护土压力传感器1，所述空腔的厚度根据操作方便以及实际施工需要达到的减震隔热效果设置为2mm-5mm；同样，在环形压板5与中空结构的下部之间设置有减震隔热垫片，垫片不仅仅起到减震隔热的作用，还能通过调节垫片来调节土压力传感器1的上表面与压板的上表面，还有保护装置2的上表面均在同一平面内；土压力传感器1与保护装置2之间的缝隙通过防水硅胶圈密封，可达到防水密封的效果，因为土中也有可能有水，从而有效保护土压力传感器1不被破坏，影响正常的使用。

另一种技术方案中，所述外壳的上部与下部的直径均为10mm-500mm，且所述外壳的上部与下部的直径差为10mm-20mm。在这种技术方案中，因为国内目前车床加工技术，以及根据现场实际使用情况，室内模型试验需要10mm很小尺寸，而现场施工如港珠澳大桥等钢圆筒直径达22m，因此500mm的直径安装没有问题；而上部与下部直径差距大于10mm，二者差距决定土压力传感器1的下部凸出于上部部分的肩部尺寸及环形压板的尺寸，当肩部尺寸小于5mm时，不利于土压力传感器1的固定，直径差根据实际土压力传感器1的加工操作也不用设置过大，过大其上部的上表面与土层接触面积过小也不合适。

另一种技术方案中，所述外壳的上部直径为108mm，下部直径为118mm。在这种技术方案中，因为工程实际中钢管桩直径多采用1500mm-3000mm的尺寸，此土压力传感器的外壳尺寸为常用的尺寸。

另一种技术方案中，所述保护装置2的上部内径与下部内径之差为10mm-20mm。在这种技术方案中，保护装置2的上部内径大于下部内径，也是为了更好的放置压板从而固定土压力传感器1，内径差太小不利于打孔及螺丝等固定安装，内径差太大所需的压板尺寸相应的也大，保护装置2自然也会大一些，从而成本高，因此内径差只需要设置合理的大小，能达到相应的效果就可以了。

另一种技术方案中，还包括破土装置6，其为类三棱锥结构，所述破土装置6的底面焊接于所述保护装置2的外壁上，所述破土装置6的其中两条棱形成的一侧面与所述保护装置2的下表面在同一平面内，所述破土装置6的另一条棱一端焊接于所述保护装置2上部的外侧面，另一端向所述保护装置2的下表面所在平面倾斜且与所述破土装置6其中两条棱远离所述保护装置2的一端形成锥尖。在这种技术方案中，类三棱锥的顶点也就是锥尖，类三棱锥的底面也就是与保护装置2焊接的一面，破土装置6必须与保护装置2焊接为一个整体，且破土装置6非焊接的一端必须为尖状的，方便破土，且在安装过程中，尖状的一端必须沿着桩身竖直朝下先入土，因此只需满足此种条件均可达到本发明的作用。

另一种技术方案中，所述破土装置6的另一条棱一端与另一端之间的距离与所述保护装置2的高度比大于2：1。在这种技术方案中，经试验验证并结合以往经验，当高度比小于2：1时，将会增加桩身阻力，影响顺利沉桩入土，也就达不到有效破土入土的作用。

另一种技术方案中，所述破土装置6与所述保护装置2焊接面的大小为所述保护装置2外周侧面积的十分之一到四分之一。在这种技术方案中，理论上，在满足刚度和强度的要求下，破土装置6越细长达到的效果越好，但焊接面过小达不到顺利破土的效果，因此最小的焊接面设置为保护装置2侧面积的十分之一；而焊接面过大浪费材料，焊接面积为保护装置2侧面积的四分之一完全能满足顺利破土的要求。

本发明还提供一种在桩身安装桩侧土压力检测及保护装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据桩入土深度和地质条件，确定桩身需要安装桩侧土压力检测及保护装置的个数以及位置；

2)焊接所述保护装置与所述破土装置，使两者一体化；

3)将一体化的保护装置与破土装置的下表面焊接在步骤1)确定的桩身位置上，且保护装置位于破土装置的正上方，破土装置的锥尖竖直朝下；

4)将土压力传感器放置于保护装置中，并用减震隔热橡胶片填充土压力传感器外壳的下部与中空结构的下部之间的空腔；

5)在中空结构的上部依次放置减震隔热垫片以及环形压板，并用螺钉等方式固定环形压板与保护装置，然后再用防水硅胶圈填充密封环形压板与保护装置以及环形压板与土压力传感器之间的缝隙；

6)将土压力传感器的引出线固定于桩身，再用角钢扣上保护，并沿着桩身一直引出到桩顶。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。