专利名称：基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法
技术领域：
本发明涉及一种桩基浸水载荷试验方法，尤其是涉及一种基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法。
背景技术：
八十年代初，瑞士联邦苏黎世科技大学岩石及隧道工程系K. Kovari教授等提出了线法监测原理(Linewise observation),区别于以应变计为代表的点法监测原理(Pointwise Observation);并根据线法监测原理研制了一系列的便携式仪器(其中包括滑
动测微计)，以区别于应变计、多点伸长计等固定埋设式仪器，此类仪器已申报专利并委托瑞士 Solexperts AG公司生产销售。滑动测微计是根据线法监测原理研制的一种便携式高精度应变测试仪器，它可以Im为标距连续地测定测线方向的应变，进而计算各点的应力和位移。该系列仪器由瑞士研制和生产，20世纪80年代后期引入中国，在国内桩基、深基坑、隧道、边坡、大坝等工程现场监测中得到了成功应用，与其他同类测试仪器相比，可获得更高的测试精度。滑动测微计为移动式测试仪器，其可连续地测量相邻两点间的平均应变，这样就可以导出整条测线上轴向应变分布及任意点的位移，一套仪器可用于多个钻孔和多个工程，特别适用于岩土工程现场应变(变形)监测。实际测试时，滑动测微计能在被测介质内沿测线自由移动并连续地测定相邻两点(间距为1000mm)之间的相对变形，分辨率为O. 001mm/m的应变和变形测试仪器。滑动测微计主要由测试探头、测管(英文名称为Measuring pipe)、数据采集仪、导杆(也称测杆)等组成，其中测管由塑料套管(英文名称为Casing)和测标(英文名称为Measuring Mark)组成。其中,测标为由硬金属或硬塑料等材料制成的锥形环和外壳组成的量测标志；测试探头采用球锥定位原理来测量测管上的测标，而且传感器精度很高，在每次测量前后进行定期校准，可到达非常高的测量精度和长期稳定性。实际测试时，在塑性套管上每米间隔布设一个测标，将测线划分成若干段，通过灌浆，测标与被测介质牢固地浇筑在一起，当被测介质发生变形时，将带动测标与之同步变形。从而用滑动测微计逐段测出各标距长度随时间的变化，从而得到反映被测介质沿测线的变形分布规律。湿陷性黄土是一种特殊土，广泛分布在我国北方，它在力和水的作用下会发生下沉，其中自重湿陷性黄土在上覆土自重压力作用下受水浸泡就会发生下沉，从而导致自重湿陷性黄土中的桩产生负摩阻力作用。在湿陷性黄土地区，混凝土桩是主要的桩基类型。位于湿陷性黄土场地中的桩基，当湿陷性土层浸水下沉量大于桩基下沉量时，湿陷土层对桩基产生相对下沉，桩周一定厚度的湿陷性土体通过摩擦力悬挂在桩体上，对试验桩产生负摩阻力作用。当湿陷性黄土场地上采用桩基作为重要工程的基础使用时，为研究湿陷性黄土地区桩基的负摩阻力发挥性状，以及确定桩基工程设计时所需的负摩阻力大小和中性点深度等参数，往往进行湿陷性黄土场地桩基的现场浸水试验，实测桩基负摩阻力及其他相关技术参数进行桩基设计。
在20世纪80年代以前，多采用悬吊法进行黄土场地桩基负摩阻力的试验研究。随着测试技术的发展，20世纪90年代以后多采用在桩身中埋设传感器通过内力测试来进行负摩阻力的测试，通常的做法是在黄土浸水过程中，维持试桩桩顶恒定荷载(包括零荷载)不变，在桩体中埋设传感器测试黄土在浸水发生附加下沉过程中桩身混凝土应变的情况，按弹性理论式()(I)计算桩身不同测试断面的轴力，进而获得桩侧阻力(含负摩阻力大小和中性点深度)。式(I)中Qi为桩身第i断面处的轴力且其单位为kN，S；.为桩身第i断面处的应变平均值，Ei为桩身材料弹性模量且其为单位为kPa，Ai为桩身截面面积且其单位为m2。然而在采用埋设传感器进行的桩基浸水试验中，湿陷性黄土浸水沉降稳定所需的时间(从浸水开始到沉降基本稳定)较长，试验一般需持续I月 3月。在此过程中，试验桩桩体混凝土在轴力的作用下除发生弹性应变外，还会发生徐变，因此，在试桩环境条件(温度和湿度)维持不变条件下，埋设在桩身中的传感器测试得到的应变实际上包含了弹性应变和徐变两部分。在以往的测试资料整理工作当中，往往忽略徐变的影响，直接将测试得到的应变代入式(I)计算桩身轴力，当桩顶处计算轴力和桩顶施加荷载不一致时，一般通过在式(I)右侧增加一小于I的固定修正系数(使在桩顶处式(I)两侧相等)对桩身的轴力进 行修正。综上，由于桩基浸水载荷试验需要进行较长时间，在长期荷载作用下，混凝土除发生弹性应变外，还会发生徐变，但在以往的测试工作中，忽略了徐变的影响，仍将实测应变代入弹性理论计算公式计算桩身轴力，桩身轴力计算结果势必具有较大误差。事实上，需要在应变测试结果中分离混凝土弹性应变和徐变，扣除实测应变中的徐变值后，再按弹性理论计算才能使桩身轴力测试结果趋于实际。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其方法步骤简单且测试方便，能从桩身应变测试结果中简便、快速且准确地分离徐变应变，使测试结果尽可能接近桩身的实际应力状态。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、不变荷载加载由上至下对施工完成的试验桩进行加载，且试验桩桩顶上所加载的载荷为Fn ;所述试验桩桩顶上所施加的应力I，式中A为试验桩的桩截面积；所述试验桩竖直向布设于湿陷性黄土地层中的混凝土桩，且试验桩在地面以上留有桩头；步骤二、浸水前桩身应变值及桩身内力测试待试验桩沉降稳定时，采用所述滑动测微计对试验桩桩身不同深度处的应变值进行测试，并根据测试结果分析处理得出浸水前试验桩桩身不同深度处的桩身轴力和桩侧阻力；步骤一中对试验桩进行加载之前，先在试验桩内布设所述滑动测微计的测管，所述测管呈竖直向布设在试验桩的桩身内；所述测管由上下两端均开口的塑性套管和多个由下至上安装在所述塑性套管上的测标组成；多个所述测标中与地面相平齐的测标为测标一；多个所述测标中位于所述测标一上方且与所述测标一相邻的测标为顶部测标，所述顶部测标位于标定段内，且所述顶部测标与试验桩桩顶之间的距离大于试验桩的外径；所述试验桩位于所述顶部测标与所述测标一之间的节段为标定段；步骤三、浸水及浸水期间桩身应变值测试待试验桩沉降稳定时，对试验桩进行浸水，此时试验桩的桩顶荷载维持加载时间为％ ;浸水后，每隔时间Λ t，采用所述滑动测微计对试验桩桩身不同深度处的应变值进行一次测试；其中，At=24小时±5小时；且!11次测试后，相应获得浸水期间m个不同测试时刻的试验桩桩身不同深度处的实测应变值；其中，浸水期间m个不同测试时刻由前至后分别为tpt2、t3. . . tm，前后相邻两个测试时刻之间的时间间隔均为Λ t，桩顶荷载维持加载时间τ ^位于测试时刻A之前且二者之间的时间间隔为At ;浸水期间，所述试验桩桩顶上所施加的应力维持不变；
步骤四、标定段实测徐变度函数获取，其获取过程如下步骤401、浸水期间标定段的应变徐变计算根据步骤二和步骤三中的测试结果，将浸水期间m个不同测试时刻的标定段的应变值，均扣除浸水前标定段的应变值后，获得
应力I作用下m个不同测试时刻的标定段的应变徐变；
A步骤402、单位应力作用下标定段的应变徐变计算将步骤401中应力;作用下m
A
个不同测试时刻的标定段的应变徐变，转换为单位应力作用下m个不同测试时刻的标定段的应变徐变；步骤403、标定段徐变度函数拟合根据步骤402中所获得的单位应力作用下m个不同测试时刻的标定段的应变徐变，采用多项式拟合方法，拟合出浸水期间标定段的徐变度函数C (t，τ 且所述徐变度函数C (t，τ0)为试验桩在加载龄期为τ C1时的徐变度函数；步骤五、任一加载龄期的徐变度函数获取根据步骤403中拟合出的徐变度函数C(t, τ 0),且采用老化理论、先天理论或老化与先天结合理论,推算出所述试验桩在任一加载龄期Ti时的徐变度函数C(t，Ti),其中i = 1、2、3…m;当采用老化理论进行推算时，C(t, τ i)=C(t, τ 0) -C ( τ j, τ。)；当采用先天理论进行推算时，C (t, τ i)=C(t- τ j+ τ 0, τ 0)；当采用老化与先天结合理论进行推算时，作中响)—作’ 靖―Wo);
' 2步骤六、浸水期间徐变分离后桩身应变值及桩身内力推算将步骤三中测试得出的浸水期间m个不同测试时刻的试验桩桩身不同深度处的实测应变值，均消除混凝土徐变后，获得浸水期间m个不同测试时刻的试验桩桩身不同深度处的徐变分离后应变值；同时，相应推算出消除混凝土徐变后试验桩桩身不同深度处在浸水期间m个不同测试时刻的轴力和徐变分离后桩侧负摩阻力；对于试验桩桩身任一深度z处在任一个测试时刻tn的实测应变值ε η*(ζ)消除混凝土徐变时，
根据公式
权利要求
1.一种基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于该方法包括以下步骤 步骤一、不变荷载加载由上至下对施工完成的试验桩(I)进行加载，且试验桩(I)桩顶上所加载的载荷为Fn ;所述试验桩(I)桩顶上所施加的应力^，式中A为试验桩(I)的桩截面积； 所述试验桩(I)竖直向布设于湿陷性黄土地层中的混凝土桩，且试验桩(I)在地面以上留有桩头； 步骤二、浸水前桩身应变值及桩身内力测试待试验桩(I)沉降稳定时，采用所述滑动测微计对试验桩(I)桩身不同深度处的应变值进行测试，并根据测试结果分析处理得出浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的桩身轴力和桩侧阻力； 步骤一中对试验桩(I)进行加载之前，先在试验桩(I)内布设所述滑动测微计的测管(5)，所述测管(5)呈竖直向布设在试验桩(I)的桩身内；所述测管(5)由上下两端均开口的塑性套管和多个由下至上安装在所述塑性套管上的测标组成；多个所述测标中与地面相平齐的测标为测标一；多个所述测标中位于所述测标一上方且与所述测标一相邻的测标为顶部测标，所述顶部测标位于标定段(3)内，且所述顶部测标与试验桩(I)桩顶之间的距离大于试验桩(I)的外径；所述试验桩(I)位于所述顶部测标与所述测标一之间的节段为标定段(3); 步骤三、浸水及浸水期间桩身应变值测试待试验桩(I)沉降稳定时，对试验桩(I)进行浸水，此时试验桩(I)的桩顶荷载维持加载时间为Ttl;浸水后，每隔时间At，采用所述滑动测微计对试验桩(I)桩身不同深度处的应变值进行一次测试；其中，Λ t=24小时±5小时；且111次测试后，相应获得浸水期间m个不同测试时刻的试验桩(I)桩身不同深度处的实测应变值； 其中，浸水期间m个不同测试时刻由前至后分别为tpt2、t3. . . tm，前后相邻两个测试时刻之间的时间间隔均为Λ t，桩顶荷载维持加载时间τ ^位于测试时刻h之前且二者之间的时间间隔为At ; 浸水期间，所述试验桩(I)桩顶上所施加的应力维持不变； 步骤四、标定段实测徐变度函数获取，其获取过程如下 步骤401、浸水期间标定段的应变徐变计算根据步骤二和步骤三中的测试结果，将浸水期间m个不同测试时刻的标定段(3)的应变值，均扣除浸水前标定段(3)的应变值后，获得应力I作用下m个不同测试时刻的标定段(3)的应变徐变；A 步骤402、单位应力作用下标定段的应变徐变计算将步骤401中应力I作用下m个不 A同测试时刻的标定段(3)的应变徐变，转换为单位应力作用下m个不同测试时刻的标定段(3)的应变徐变； 步骤403、标定段徐变度函数拟合根据步骤402中所获得的单位应力作用下m个不同测试时刻的标定段(3)的应变徐变，采用多项式拟合方法，拟合出浸水期间标定段(3)的徐变度函数C (t，τ 且所述徐变度函数C (t，τ0)为试验桩(I)在加载龄期为τ C1时的徐变度函数； 步骤五、任一加载龄期的徐变度函数获取根据步骤403中拟合出的徐变度函数C(t, τ 0),且采用老化理论、先天理论或老化与先天结合理论,推算出所述试验桩(I)在任一加载龄期τ i时的徐变度函数C(t，Ti),其中i = 1、2、3···πι; 当采用老化理论进行推算时，C (t, τ i)=C(t, Tci)-C Oi, τ 0)； 当采用先天理论进行推算时，C(t, τ i)=C(t- τ j+ τ 0, τ 0)； 当采用老化与先天结合理论进行推算时，Cit τ _ C(t,τ )-Cjri,r0) + C(/-r,-+r0,r0). 匕，'2， 步骤六、浸水期间徐变分离后桩身应变值及桩身内力推算将步骤三中测试得出的浸水期间m个不同测试时刻的试验桩(I)桩身不同深度处的实测应变值，均消除混凝土徐变后，获得浸水期间m个不同测试时刻的试验桩(I)桩身不同深度处的徐变分离后应变值；同时，相应推算出消除混凝土徐变后试验桩(I)桩身不同深度处在浸水期间m个不同测试时刻的轴力和徐变分离后桩侧负摩阻力； 对于试验桩(I)桩身任一深度z处在任一个测试时刻tn的实测应变值ει；(Ζ)消除混凝土徐变时， 根据公式、(-)二C(tn,γ0)-ΣC(tn，r,.),计算得出试验桩(I)桩身任一深度ζ处在任一个测试时刻tn的徐变分离后应变值，其中η为自然数且η < m ;式中，εη(ζ)为消除混凝土徐变后试验桩(I)桩身深度ζ处在测试时刻、的徐变分离后应变值，ε η*(ζ)为步骤三中测试得出的试验桩(I)桩身深度ζ处在测试时刻tn的实测应变值，Pn(z)为消除混凝土徐变后试验桩(I)桩身深度ζ处在测试时刻tn的桩身轴力，且Pn(Z) ^ P0(Z)+ YjAPi(Z)； /=I 1η-I -1ΔΡ (ζ) = ——- {Ε[Αε； (ζ) - P0 (r)C(/ , r0) - Σ 間, r,)]-收)-Σ’\ + EC{tn,Tn)i=li=l PQ(z)为步骤二中分析处理得出的试验桩(I)桩身深度ζ处浸水前的桩身轴力，A为试验桩(I)的桩截面积，E为试验桩(I)的桩身混凝土弹性模量，C(tn, τ0)为步骤四中所述徐变度函数C(t，τ0)在测试时刻tn时的函数值，C(tn, Ti)为步骤五中所述徐变度函数C(t, τ J在测试时刻tn时的函数值，C (tn，τ η)为徐变度函数C (t，τ η)在测试时刻tn时的函数值； 待推算出消除混凝土徐变后试验桩(I)桩身深度ζ处在测试时刻tn的轴力后，还需根据公式+计算出消除混凝土徐变后试验桩(I)桩身深度ζ处在测试时刻 πΟ QZtn的桩侧负摩阻力。
2.按照权利要求I所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤一中所述的试验桩(I)为圆柱形桩，且试验桩(I)的周侧开挖形成一个桩基浸水载荷试验用的试坑(2)，所述试坑(2)为平底坑，且所述测标一与所述平底坑的坑底相平齐；所述标定段(3 )外侧设置有一个水槽(4 )，所述水槽(4 )为圆柱形水槽且其与试验桩(I)呈同轴布设；步骤三中对试验桩(I)进行浸水时，采用抽水系统持续向水槽(4)内注水，所注入地下水注满水槽(4)后，自水槽(4)溢出流入试坑(2)并自由下渗浸泡试验桩(I)所处的湿陷性黄土地层； 所述抽水系统包括抽水管路(10)和将地下水通过抽水管路(10)输送至水槽(4)内的抽水设备(7)，所述抽水管路(10)的后端与抽水设备(7)相接，且抽水管路(10)的前端由上至下伸至水槽(4)的槽底；所述水槽(4)的高度不低于所述顶部测标的高度。
3.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤二中所述测管(5)的数量为一根或多根； 当所述测管(5)的数量为多根时，多根所述测管(5)的结构和尺寸均相同，且多根所述测管(5)沿圆周方向均匀布设在试验桩(I)内； 步骤二中采用所述滑动测微计对试验桩(I)桩身不同深度处的应变值进行测试时，相应获得分别由多根所述测管(5)测试得出的多组浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的应变值，之后对多组浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的应变值取平均值后，获得浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的平均应变值；随后，根据所获得的浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的平均应变值，推算出浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的桩身轴力和桩侧阻力； 步骤三中m次测试后，相应获得分别由多根所述测管(5 )测试得出的多组测试数据，且每一组所述测试数据均包括浸水期间m个不同测试时刻的试验桩(I)桩身不同深度处的实测应变值； 步骤401中浸水期间m个不同测试时刻的标定段(3)的应变值，对应分别为多根所述测管(5)测试得出的浸水期间m个不同测试时刻的标定段(3)的平均应变值； 步骤六中所述的ε (ζ)，为多根所述测管(5)测试得出的试验桩(I)桩身深度ζ处在测试时刻tn的平均实测应变值。
4.按照权利要求2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于所述水槽(4)的底部设置有多个渗水孔(13)，多个所述渗水孔(13)沿圆周方向均匀布设在试验桩(I)的四周外侧，且多个所述渗水孔(13)均呈竖直向布设。
5.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤一中由上至下对试验桩(I)进行加载时，采用测力装置对所述施加在试验桩(I)桩顶上的载荷Fn进行实时检测，并将检测结果同步传送至数据处理器； 步骤二中采用所述滑动测微计对试验桩(I)桩身不同深度处的应变值进行测试时，所述滑动测微计的数据采集仪将测试结果同步传送至数据处理器，所述数据处理器对测试结果进行分析处理，并相应得出浸水前试验桩(I)桩身不同深度处的桩身轴力和桩侧摩阻力；且步骤三中所述滑动测微计的数据采集仪，将测试得出的试验桩(I)桩身不同深度处在浸水期间m个不同测试时刻的实测应变值同步传送至所述数据处理器，所述数据处理器再按照步骤四至步骤六所述的方法进行分析处理，并相应处理得出消除混凝土徐变后试验桩(O桩身不同深度处在浸水期间m个不同测试时刻的徐变分离后应变值、桩身轴力和桩侧负摩阻力。
6.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤六中还需根据推算出的消除混凝土徐变后试验桩(I)桩身不同深度处在浸水期间m个不同测试时刻的轴力和徐变分离后桩侧负摩阻力，推算出浸水期间试验桩(I)的中性点深度。
7.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤一中所述的试验桩(I)为钻孔灌注桩，且在所述钻孔灌注桩的桩孔成型后，先将所述测管(5)安装在所述桩孔内，再对所述钻孔灌注桩进行混凝土灌注施工。
8.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤一中由上至下对试验桩(I)进行加载时，采用加载装置进行加载；所述加载装置包括两个位于试验桩(I)左右两侧的锚桩(8)和搭设于两个所述锚桩(8)之间的加载设备(9),所述加载设备(9)位于试验桩(I)的正上方。
9.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤一中所述的试验桩(I)为预应力管桩；待所述预应力管桩施工完成后，再在施工完成的所述预应力管桩内安装测管(5)，且所述测管(5)呈竖直向布设在所述预应力管桩的管桩桩芯中部；所述顶部测标为多个所述测标中位于最上部的测标； 待所述测管(5)安装完成后，再采用注浆设备由下至上向所述预应力管桩的管桩桩芯与测管(5)之间的空腔内注入填充材料(12)，所述填充材料(12)为由水、水泥和膨润土按照重量比1000 600 1200 75的比例均匀混合形成的混合浆液。
10.按照权利要求I或2所述的基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，其特征在于步骤一中多个所述测标呈均匀布设，且上下相邻两个所述测标之间的间距为Im ;步骤三中Λ t=24小时。
全文摘要
本发明公开了一种基于徐变应变分离的桩基浸水载荷试验方法，包括步骤一、不变荷载加载；二、浸水前桩身应变值及桩身内力测试待试验桩沉降稳定时，对试验桩桩身不同深度处的应变值进行测试，并分析出浸水前试验桩桩身不同深度处的桩身内力；三、浸水及浸水期间桩身应变值测试待试验桩沉降稳定时，对试验桩浸水；浸水后，每隔时间△t对试验桩桩身不同深度处的应变值进行一次测试；四、标定段实测徐变度函数获取；五、任一加载龄期的徐变度函数获取；六、浸水期间徐变分离后桩身应变值及桩身内力推算。本发明方法步骤简单且测试方便，能从桩身应变测试结果中简便、快速且准确地分离徐变应变，使测试结果尽可能接近桩身的实际应力状态。
文档编号E02D33/00GK102808429SQ20121031924
公开日2012年12月5日 申请日期2012年8月31日 优先权日2012年8月31日
发明者郑建国, 刘争宏, 张炜, 于永堂 申请人:机械工业勘察设计研究院