一种端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试装置的制作方法

本实用新型属于地基基础工程技术领域，涉及一种预制桩桩端阻力的测试设备，特别是一种端部敞口型PHC(预应力高强度混凝土，Prestress High Concrete)管桩桩端阻力测试装置。

背景技术：
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桩基础是一种历史悠久的基础形式，同时也是一种应用十分广泛的建筑基础形式。随着城市化进程的加速，建筑规模不断加大，建筑结构越来越“高、精、尖”，加之土层情况复杂，对建筑物基础的要求越来越苛刻。端部敞口型PHC管桩作为桩基础中的一种桩型，不需要制作桩头，具有承载力高、质量稳定、施工速度快、无污染、噪音低、工程造价低等特点，很适合在市区及其他对噪音有限制的沿海软土地区使用。目前，预制桩的应用量与日俱增，已远远超过其理论和试验研究,这增加了预制桩在实际工程应用中的不确定性。建筑物基础需要同时满足变形和承载力的要求，桩的承载力分为两部分桩侧摩阻力和桩端阻力，对于摩擦型桩，桩端阻力占总承载力的比例相比于桩侧摩阻力要小很多，但对于端承型桩来说恰巧相反，就桩端阻力而言，它是桩承载力的重要组成部分，一直被国内外学者和工程技术人员所重视。由于桩端阻力受桩的施工方法、穿过土层及持力层的特性、进入持力层深度、桩的尺寸等因素的影响，使得桩端土体与桩相互作用变得十分复杂，尽管用于桩端阻力确定的方法有很多，但是由于在端阻力问题中存在着太多的不确定性，对该领域无论从理论研究上还是实践积累和试验研究上仍需要做大量工作。有时，基础发生较大沉降时，桩端阻力才充分发挥，但这已不符合建筑物对沉降的要求。因此，有必要采取一种新型的现场测试方法快速准确地确定出桩端阻力，一方面能够弥补现有测试技术的不足，中国专利201310500315.8公开了一种预应力高强混凝土管桩桩端阻力测试装置，属阻力测试设备技术领域，试验装置由三个加强钢板、钢护筒、轴力计、加劲肋、螺栓、屏蔽导线和振弦式频率读数仪组成，该试验装置可实现对采用静压施工的预应力管桩测试桩端阻力，解决了由于桩土相互作用十分复杂造成的确定桩端阻力的困难。但现有的测试装置未能反映管桩真实的施工效应，将土塞效应和壁厚所提供的桩端阻力合并，且所测桩端阻力大于实际值；另一方面也能够为相关研究积累经验和奠定基础。

技术实现要素：
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本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，在保留原有开口混凝土管桩施工效应的前提下，优化和提高桩端阻力测试精度，提供一种采用静压法或锤击法施工的端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试装置，在桩端安装温度自补偿式光纤光栅土压力传感器，利用光纤光栅解调仪测得光纤光栅中心波长变化量，然后计算得到桩端阻力。

为了实现上述目的，本实用新型所述端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试装置的主体结构包括管桩、底座钢板、温度自补偿式光纤光栅土压力传感器、铠装光缆、光纤光栅分析仪、牵引槽、内壁凹槽、桩身第一钻孔、外壁凹槽、桩身第二钻孔、法兰接头、接桩焊缝和传感器嵌入孔，管桩为端部敞口型PHC管桩；圆环形结构、厚度为3cm的底座钢板内外直径与管桩内外直径相同，底座钢板与管桩桩端处自带的圆环形钢板焊接在一起；底座钢板上预留两个对称布置的传感器嵌入孔，传感器嵌入孔的直径大于温度自补偿式光纤光栅土压力传感器，底座钢板上预留有与传感器嵌入孔相连、宽度为5mm的牵引槽；温度自补偿式光纤光栅土压力传感器安装在底座钢板上预留的传感器嵌入孔内，温度自补偿式光纤光栅土压力传感器的底面和侧面用植筋胶与管桩紧密粘贴，保证温度自补偿式光纤光栅土压力传感器凸出底座钢板，使得温度自补偿式光纤光栅土压力传感器与管桩、底座钢板成为一整体；温度自补偿式光纤光栅土压力传感器的引线用铠装光缆保护；管桩的内外壁上分别开有内壁凹槽和外壁凹槽，管桩的桩端开有桩身第一钻孔，桩顶开有桩身第二钻孔，铠装光缆通过底座钢板上的牵引槽从管桩的内壁凹槽经桩身第一钻孔引入管桩的外壁凹槽，然后经桩身第二钻孔从管桩的内部引出与光纤光栅分析仪连接，牵引槽、内壁凹槽、桩身第一钻孔、外壁凹槽、桩身第二钻孔内的铠装光缆采用结构胶封装；底座钢板防止管桩在施工过程中温度自补偿式光纤光栅土压力传感器脱落或受损，保证温度自补偿式光纤光栅土压力传感器均匀受力，温度自补偿式光纤光栅土压力传感器能够自动剔除温度变化对测试结果的影响，因此，本试验装置进行试验时不需要考虑温度补偿；一根管桩的长度不够时，从桩身第一钻孔中穿出带有法兰接头的铠装光缆，将铠装光缆与另一根管桩的桩身第二钻孔中引出的同样带有法兰接头的铠装光缆连接，并将两根管桩沿管桩抱箍板周边焊接对齐形成接桩焊缝。

本实用新型实现端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试的具体过程：

(1)将加工好的底座钢板与管桩桩端的圆环形端头板焊接在一起，其中底座钢板在桩端近内边缘处预留传感器嵌入孔(直径略大于温度自补偿式光纤光栅土压力传感器，深度略小于温度自补偿式光纤光栅土压力传感器的厚度)和宽度5mm的牵引槽；沿桩外壁侧表面预刻宽度5mm的外壁凹槽，在管桩的桩顶和桩端用电钻钻孔形成桩身第二钻孔和桩身第一钻孔，并在桩端内壁预留宽度5mm的内壁凹槽；

(2)将温度自补偿式光纤光栅土压力传感器放入传感器嵌入孔中，铠装光缆沿牵引槽和内壁凹槽从管桩内部穿出再沿桩身凹槽顺线，最后从桩身第二钻孔中引出并全程临时固定，再在内壁凹槽、外壁凹槽、桩身第二钻孔和桩身第一钻孔中灌入植筋胶封装，此时要保证温度自补偿式光纤光栅土压力传感器与管桩桩端土接触面齐平以反映桩端与岩土的相互作用；

(3)待植筋胶固化2小时后，将管桩引出的铠装光缆与光纤光栅分析仪连接，一方面检查测试装置连接是否完好，另一方面检查温度自补偿式光纤光栅土压力传感器是否被损坏；在采用静压或锤击施工之前及时测量安装定位完成的温度自补偿式光纤光栅土压力传感器的初始值，然后根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)的具体要求进行施工，施工过程中作好施工记录与数据存储，并在使用过程中保护好测试仪器；

(4)如果一根管桩的长度达不到设计规定的深度，则进行接桩处理，此时上节桩需提前将铠装光缆沿桩身封装完毕，并从桩身第一钻孔中穿出带有法兰接头的铠装光缆，将其与从已压入桩桩身第二钻孔中引出的同样带有法兰接头的铠装光缆连接，确保上下法兰接通良好，将上下两节桩沿管桩抱箍版周边焊接对齐，保证焊接质量，上述工作完成后利用静压或锤击的施工方法继续贯入直至达到设计要求的沉桩控制条件。

本实用新型使用前，对温度自补偿式光纤光栅土压力传感进行标定，使用时，温度自补偿式光纤光栅土压力传感器承压面的外法线与岩土接触面外法线共线，确保管桩的受力状态通过温度自补偿式光纤光栅土压力传感器正常传递到桩端岩土层，装置安装完成后及时测量初始值；在管桩的施工过程中，利用光纤光栅分析仪读取数据，根据装置的参数指标、读取的数据和公式(1)Δλ_B＝K_εΔε_x、公式(2)Q_pk＝EΔε_xΑ_p计算得到桩端阻力，其中，Δλ_B为中心波长变化量，单位nm；K_ε为传感器应变灵敏系数；Δε_x为轴向应变变化量；Q_pk为桩端阻力，单位kN；E为管桩弹性模量，单位MPa；Α_p为管桩桩端面积，单位mm²。

本实用新型与现有技术相比，其结构简单，安装便捷，操作方便，造价低，不易损坏，测试精度高，可操作性强，能够进行实时监测和长期监测，应用广泛，也可应用于其他类型的预制桩。

附图说明：

图1为本实用新型所述端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试装置的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型所述管桩接桩原理示意图。

图3为本实用新型所述管桩桩端结构原理示意图。

图4为本实用新型实施例所述其中一根试验桩的测试结果。

图5为本实用新型实施例所述另外一根试验桩的测试结果。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例：

本实施例所述端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试装置的主体结构包括管桩1、底座钢板2、温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3、铠装光缆4、光纤光栅分析仪5、牵引槽6、内壁凹槽7、桩身第一钻孔8、外壁凹槽9、桩身第二钻孔10、法兰接头11、接桩焊缝12和传感器嵌入孔13，管桩1为端部敞口型PHC管桩；圆环形结构、厚度为3cm的底座钢板2内外直径与管桩1内外直径相同，底座钢板2与管桩1桩端处自带的圆环形钢板焊接在一起；底座钢板2上预留两个对称布置的传感器嵌入孔13，传感器嵌入孔13的直径略大于温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3，底座钢板2上预留有与传感器嵌入孔13相连、宽度为5mm的牵引槽6；温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3安装在底座钢板2上预留的传感器嵌入孔13内，温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3的底面和侧面用植筋胶与管桩1紧密粘贴，保证温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3微凸出底座钢板2，使得温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3与管桩1、底座钢板2成为一整体；温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3的引线用铠装光缆4保护；管桩1的内外壁上分别开有内壁凹槽7和外壁凹槽9，管桩1的桩端开有桩身第一钻孔8，桩顶开有桩身第二钻孔10，铠装光缆4通过底座钢板2上的牵引槽6从管桩1的内壁凹槽7经桩身第一钻孔8引入管桩1的外壁凹槽9，然后经桩身第二钻孔10从管桩1的内部引出与光纤光栅分析仪5连接，牵引槽6、内壁凹槽7、桩身第一钻孔8、外壁凹槽9、桩身第二钻孔10内的铠装光缆4采用结构胶封装；底座钢板2防止管桩1在施工过程中温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3脱落或受损，保证温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3均匀受力，温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3能够自动剔除温度变化对测试结果的影响，因此，本试验方法不需要考虑温度补偿；一根管桩1的长度不够时，从桩身第一钻孔8中穿出带有法兰接头11的铠装光缆4，将铠装光缆4与另一根管桩1的桩身第二钻孔10中引出的同样带有法兰接头11的铠装光缆4连接，并将两根管桩沿管桩抱箍板周边焊接对齐形成接桩焊缝12。

本实施例实现端部敞口型PHC管桩桩端阻力测试的具体过程：

(1)将加工好的底座钢板2与管桩1桩端的圆环形端头板焊接在一起，其中底座钢板2在桩端近内边缘处预留传感器嵌入孔13(直径略大于温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3，深度略小于温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3的厚度)和宽度5mm的牵引槽6；沿桩外壁侧表面预刻宽度5mm的外壁凹槽9，在管桩1的桩顶和桩端用电钻钻孔形成桩身第二钻孔10和桩身第一钻孔8，并在桩端内壁预留宽度5mm的内壁凹槽7；

(2)将温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3放入传感器嵌入孔13中，铠装光缆4沿牵引槽6和内壁凹槽7从管桩内部穿出再沿桩身凹槽9顺线，最后从桩身第二钻孔10中引出并全程临时固定，再在内壁凹槽7、外壁凹槽9、桩身第二钻孔10和桩身第一钻孔8中灌入植筋胶封装，此时要保证温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3与管桩桩端土接触面齐平以反映桩端与岩土的相互作用；

(3)待植筋胶固化2小时后，将管桩1引出的铠装光缆4与光纤光栅分析仪5连接，一方面检查测试装置连接是否完好，另一方面检查温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3是否被损坏；在采用静压或锤击施工之前及时测量安装定位完成的温度自补偿式光纤光栅土压力传感器3的初始值，然后根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)的具体要求进行施工，施工过程中作好施工记录与数据存储，并在使用过程中保护好测试仪器；

(4)如果一根管桩的长度达不到设计规定的深度，则进行接桩处理，此时上节桩需提前将铠装光缆沿桩身封装完毕，并从桩身第一钻孔8中穿出带有法兰接头11的铠装光缆4，将其与从已压入桩桩身第二钻孔10中引出的同样带有法兰接头11的铠装光缆4连接，确保上下法兰接通良好，将上下两节桩沿管桩抱箍版周边焊接对齐，保证焊接质量，上述工作完成后利用静压或锤击的施工方法继续贯入直至达到设计要求的沉桩控制条件。

本实施例的试验桩为PHC-AB400型端部敞口型预应力混凝土管桩，壁厚95mm，桩长23m，在如表1所示试验场地下采用两根试验桩分别进行测试，测试结果分别如图4和图5所示。

表1：试验场地地质情况