一种荷载补偿的桩基自平衡检测系统及方法与流程

本发明涉及一种桥梁等建筑结构的检测方法，特别是一种荷载补偿的桩基自平衡检测系统及方法。

背景技术：

据有关文献记载，被国内冠以“自平衡法”之名的桩内预埋加载设备进行桩基承载特性检测的方法，最早在1960年由以色列afarvasela公司提出并实施，根据专利资料，该方法被称为一种新的承载力测试方法，俗称为通磨静载法。与传统的堆载法不同，该方法在施工过程中将提前制作的成品荷载箱设置于桩身某位置或桩端附近，通过施压油管及位移测量装置对桩基的承载力和位移进行测试，使得上部桩体向上移动，激发桩体上部的桩侧摩阻力，同时荷载箱向下及桩端产生反力，从而发挥桩体下部的侧阻力和桩端阻力，当桩侧和桩端阻力均达到极限时，即为该桩的单桩竖向抗压极限承载力。该方法通过试验加荷过程中位移和压力的对应关系，获得桩体上下段的q-s和s-lgt曲线，采用相关载荷转换方法得出常用堆载(锚桩)法测试q-s，从而确定单桩竖向抗压承载力。自平衡加载受力情况及典型测试曲线如图1所示。

现有技术中自平衡法检测桩体的竖向承载力所使用的加载装置由于在静载下测试，不能真实的模拟桩体上段和下段的受力情况，需要在测试过程中通过荷载箱的变化进行荷载补偿才能进行真实的模拟检测，而目前还没有任何开展相关研究的技术。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种荷载补偿的桩基自平衡检测系统及方法，

本发明的目的在于提供一种荷载补偿的桩基自平衡检测系统，包括：

基准梁；

油管，设置在基准梁埋设的侧壁上，油管为高压油管；

位移杆，与所述油管平行垂直设置；

环形荷载箱，预先埋入桩内，将所述位移杆和所述荷载箱的所述油管延伸到地面，桩基的桩身承受由所述荷载箱传递下来的力，所述桩基的桩身上部以及下部的摩擦阻力以及所述桩基的端部阻力通过自平衡装置来维持加载，并且通过荷载补偿组件保持与所述加载的相互平衡；

加载系统，与所述荷载箱连接，用于与所述自平衡装置加载，加载系统包括高压油泵；

位移传感器，与基准梁电连接；

数据采集系统，与所述位移传感器连接。

优选的，所述荷载补偿组件包括：在所述环形荷载箱体下部或者对于大直径桩情况下所述环形荷载箱体上部安装的锥形导流体，在混凝土通过所述环形荷载箱层面时，对流体起到顺利的引导作用，从而对自平衡的加载荷载进行补偿。

优选的，还包括护管，所述护管包覆在所述位移杆外侧。

优选的，还包括桩身轴向应力测试装置，包括与所述荷载箱连接的应变计以及通过传感线与应变计连接的应变仪，所述应变计为钢筋应变计，所述应变仪为油压式压力计。

本发明的目的还在于提供一种荷载补偿的桩基自平衡检测方法，采用慢速维持荷载并辅助荷载补偿的方式，包括步骤：

步骤1，安装所述环形荷载箱，将所述环形荷载箱按计算位置与钢筋笼进行焊接连接，具体操作为：吊车将上节钢筋笼吊起与所述环形荷载箱上顶板焊接，所有主筋围焊，并确保钢筋笼与所述环形荷载箱起吊时不会脱离，从而保证钢筋笼与所述荷载箱在同一水平线上，再点焊喇叭筋，所述喇叭筋上端与主筋，下端与内圆边缘点焊，保证环形荷载箱水平度小于0.5％，然后将环形荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋；

步骤2，浇注成桩，待成孔后，用吊车将安装所述环形荷载箱的钢筋笼下到钻孔内，然后进行混凝土灌注施工，在关注混凝土时，当混凝土接近所述环形荷载箱时，拔导管速度放慢，当所述环形荷载箱上部混凝土高度大于2.5m时，导管底部方可拔过荷载箱，浇混凝土至设计桩顶，所述环形荷载箱下部混凝土坍落度大于200mm，从而混凝土在所述环形荷载箱处上翻；

步骤3，进行现场实验。

步骤4，进行数据分析。

优选的，所述步骤3包括：

步骤31，加载和卸载分级，试桩每次加载分9级，卸载分5级进行，加载和卸载第一级设定为预设加载量的20％；

步骤32，进行荷载补偿后的数据观测。

优选的，所述步骤32包括：

步骤321，位移观测，每级加载后在第1小时内每隔15分钟各测读1次位移变形，以后每隔30分钟读取一次并自动处理绘制出q-s，s-lgt，s-lgq曲线；

步骤322，稳定标准，每级加载的下沉量，在最后30分钟内不超过0.1mm判定为稳定状态；

步骤323，终止加载，所述终止加载的条件包括总位移大于或者等于40mm，该级荷载施加24小时后仍未达到稳定状态，加载终止；或者宗下沉量小于40mm，但荷载已达加载极限或位移已超过所述环形荷载箱的行程，加载终止。

优选的，所述步骤4包括：

步骤41，绘制荷载-位移q-s曲线，位移-时间对数s-lgt曲线以及其他需要辅助分析曲线；

步骤42，确定承载力；

步骤43，确定单桩竖向抗压极限承载力。

优选的，所述步骤42包括：设定上段桩极限承载力为q1，下段桩极限承载力q2，按照下面五个步骤确定，包括：(1)根据位移随荷载变化的特征确定：对于陡变，即陡降或陡升型q-s曲线，取其发生明显陡变的起始点对应的荷载值；(2)根据位移随时间变化的特征确定取s-lgt曲线尾部出现明显变化的前一级荷载值，即下段桩取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取s-lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值；(3)出现终止加载条件的第二种情况时，取前一级荷载值；(4)对于缓变型q-s曲线根据位移量确定，取s＝40mm对应的荷载值，当整体桩长大于40m时，考虑桩身弹性压缩量，对直径大于或等于800mm时，取s＝0.05d对应的荷载值，d表示桩端直径；(5)按照上面(1)-(4)判定上、下段桩的极限承载力没有达到极限时，取最大试验荷载值为极限承载力值。

优选的，所述步骤43包括：设定单桩竖向抗压承载力为q，则q＝[(q2-g)/r]+q1，其中g为单桩重力，r为根据桩基材料确定的常数。

本发明的有益效果：

采用该系统和方法检测灌注基桩单桩的竖向承载力，在混凝土浇筑之前将荷载箱和钢筋笼一起埋入桩身平衡点处(桩身某位置或桩端附近)，将加载箱的加压管及所需的其它测试装置从桩体引到地面，然后灌注混凝土后成桩，之后由一台加压油泵在地面向荷载箱施加压力，使得桩体内部产生加载力，此时通过荷载补偿装置进行荷载补偿，模拟真实的桩基受力，通过对加载力和这些参数之间的关系的计算和分析，计算得出基桩的竖向承载力，并且可以获得每层土层的侧阻系数、桩的侧阻力、桩端承力等一系列数据，为设计提供设计依据，并且还可以进行工程桩承载力的检验。适用于新建、改建、扩建工程的大直径混凝土灌注桩的竖向承载力检测，尤其适用于传统静载试桩难以实现的水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、超高承载力试桩。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

图1所示为根据本发明实施例的自平衡加载受力情况以及典型测试曲线图；

图2所示为根据本发明实施例的具有荷载补偿的桩基自平衡加载系统结构图；

图3所示为根据本发明实施例的桩身轴向应力测试结构图。

具体实施方式

参见图2所示为根据本发明实施例的具有荷载补偿的桩基自平衡加载系统结构图，以及参见图3所示为桩身轴向应力测试结构图。

一种荷载补偿的桩基自平衡检测系统，包括：

基准梁；

油管，设置在基准梁埋设的侧壁上；

位移杆，与油管平行垂直设置；

环形荷载箱，预先埋入桩内，将位移杆和荷载箱的油管延伸到地面，桩基的桩身承受由荷载箱传递下来的力，桩基的桩身上部以及下部的摩擦阻力以及桩基的端部阻力通过自平衡装置来维持加载，并且通过荷载补偿组件保持与加载的相互平衡；荷载补偿组件包括：在环形荷载箱体下部或者对于大直径桩情况下所述环形荷载箱体上部安装的锥形导流体，在混凝土通过所述环形荷载箱层面时，对流体起到顺利的引导作用，从而对自平衡的加载荷载进行补偿

加载系统，与荷载箱连接，用于与自平衡装置加载；

位移传感器，与基准梁电连接；

数据采集系统，与位移传感器连接。

其中，油管为高压油管，还包括护管，护管包覆在位移杆外侧。还包括桩身轴向应力测试装置，包括与荷载箱连接的应变计以及通过传感线与应变计连接的应变仪。加载系统包括高压油泵。应变计为钢筋应变计，应变仪为油压式压力计。

使用该系统进行荷载补偿的桩基自平衡检测方法，采用慢速维持荷载并辅助荷载补偿的方式，包括步骤：

步骤1，安装所述环形荷载箱，将所述环形荷载箱按计算位置与钢筋笼进行焊接连接，具体操作为：吊车将上节钢筋笼吊起与所述环形荷载箱上顶板焊接，所有主筋围焊，并确保钢筋笼与所述环形荷载箱起吊时不会脱离，从而保证钢筋笼与所述荷载箱在同一水平线上，再点焊喇叭筋，所述喇叭筋上端与主筋，下端与内圆边缘点焊，保证环形荷载箱水平度小于0.5％，然后将环形荷载箱下底板与下节钢筋笼连接，焊接下喇叭筋；

步骤2，浇注成桩，待成孔后，用吊车将安装所述环形荷载箱的钢筋笼下到钻孔内，然后进行混凝土灌注施工，在关注混凝土时，当混凝土接近所述环形荷载箱时，拔导管速度放慢，当所述环形荷载箱上部混凝土高度大于2.5m时，导管底部方可拔过荷载箱，浇混凝土至设计桩顶，所述环形荷载箱下部混凝土坍落度大于200mm，从而混凝土在所述环形荷载箱处上翻；

步骤3，进行现场实验，包括：

步骤31，加载和卸载分级，试桩每次加载分9级，卸载分5级进行，加载和卸载第一级设定为预设加载量的20％；

步骤32，进行进行荷载补偿后的数据观测，包括：

(1)位移观测，每级加载后在第1小时内每隔15分钟各测读1次位移变形，以后每隔30分钟读取一次并自动处理绘制出q-s，s-lgt，s-lgq曲线；

(2)稳定标准，每级加载的下沉量，在最后30分钟内不超过0.1mm判定为稳定状态；

(3)终止加载，所述终止加载的条件包括总位移大于或者等于40mm，该级荷载施加24小时后仍未达到稳定状态，加载终止；或者宗下沉量小于40mm，但荷载已达加载极限或位移已超过所述环形荷载箱的行程，加载终止。

步骤4，进行数据分析，包括：

步骤41，绘制荷载-位移q-s曲线，位移-时间对数s-lgt曲线以及其他需要辅助分析曲线；

步骤42，确定承载力，包括：设定上段桩极限承载力为q1，下段桩极限承载力q2，按照下面五个步骤确定，包括：(1)根据位移随荷载变化的特征确定：对于陡变，即陡降或陡升型q-s曲线，取其发生明显陡变的起始点对应的荷载值；(2)根据位移随时间变化的特征确定取s-lgt曲线尾部出现明显变化的前一级荷载值，即下段桩取s-lgt曲线尾部出现明显向下弯曲的前一级荷载值，上段桩取s-lgt曲线尾部出现明显向上弯曲的前一级荷载值；(3)出现终止加载条件的第二种情况时，取前一级荷载值；(4)对于缓变型q-s曲线根据位移量确定，取s＝40mm对应的荷载值，当整体桩长大于40m时，考虑桩身弹性压缩量，对直径大于或等于800mm时，取s＝0.05d对应的荷载值，d表示桩端直径；(5)按照上面(1)-(4)判定上、下段桩的极限承载力没有达到极限时，取最大试验荷载值为极限承载力值；

步骤43，确定单桩竖向抗压极限承载力，包括：设定单桩竖向抗压承载力为q，则q＝[(q2-g)/r]+q1，其中g为单桩重力，r为根据桩基材料确定的常数。

参见下表1，为本实施例的实验成果：

表1实验成果

表2为试桩加载分级表。

表2试桩加载分级

tab.2loadinggradingoftestpile

表3为试桩各土层摩阻力列表。

表3试桩各土层摩阻力

tab.3soilfrictionresistanceoftestpile

表4为试桩n40-2号加载轴力(第1次试验)

表4试桩n40-2号加载轴力(第1次试验)

tab.4testpilen40-2loadingaxialforce(firsttest)kn

表5为试桩n40-2号分层土摩阻力(第1次试验)

表5试桩n40-2号分层土厚阻力(第1次试验)

tab.5n40-2layeredpilefrictionalresistance(firsttest)kpa

表6为试桩n40-2号桩侧摩阻力_位移列表。

表6试桩n40-2号桩侧摩阻力_位移

tab.6sidefrictiondisplacementoftestpilen40-2

采用该系统和方法检测灌注基桩单桩的竖向承载力，在混凝土浇筑之前将荷载箱和钢筋笼一起埋入桩身平衡点处(桩身某位置或桩端附近)，将加载箱的加压管及所需的其它测试装置从桩体引到地面，然后灌注混凝土后成桩，之后由一台加压油泵在地面向荷载箱施加压力，使得桩体内部产生加载力，此时通过荷载补偿装置进行荷载补偿，模拟真实的桩基受力，通过对加载力和这些参数之间的关系的计算和分析，计算得出基桩的竖向承载力，并且可以获得每层土层的侧阻系数、桩的侧阻力、桩端承力等一系列数据，为设计提供设计依据，并且还可以进行工程桩承载力的检验。适用于新建、改建、扩建工程的大直径混凝土灌注桩的竖向承载力检测，尤其适用于传统静载试桩难以实现的水上试桩、坡地试桩、基坑底试桩、狭窄场地试桩、超高承载力试桩。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。