一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统

1.本发明属于桩基检测技术领域，具体涉及一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统。


背景技术：

2.桩基础由于具有承载力高和沉降小等优点，已经成功应于软土地区大量建筑、铁路和桥梁等实际工程。桩基检测对保证桩基础安全性至关重要，桩基检测的主要方法有静载试验、钻芯法、低应变法、高应变法、声波透射法等。对于灌注桩，其灌注成桩过程中，易出现桩身缺陷，所以要对灌注桩进行承载力和桩身完整性检测。
3.传统静载试验法包括堆载法和锚桩法，前者是通过在桩顶进行堆载以测得桩的竖向抗压承载力，需要运输大量的堆载重物、配置吊车，试验成本较高，不适用于承载力大、斜坡等环境下的桩的承载力测试；后者测试构件安装时荷载对中不易控制，如果采用工程桩做锚桩会对工程桩承载力产生影响，如果设置锚桩则会增加成本。高应变法即可以检测单桩竖向承载力，也可以检测桩身完整性，但是由于其受诸多因素影响，检测误差较大。其他测试方法，包括钻芯法、低应变法和声波透射法均为桩身完整性检测，只能定性分析桩的完整性，由于桩埋置于土层中，无法获得桩实际三维成相结果，故无法对桩的完整性进行定量分析。新兴的热法桩身完整性测试是利用水泥凝固过程中水化放热的原理，测量并记录桩身沿深度方向的温度，根据温度的变化情况，来对桩身的完整性及桩身轮廓尺寸进行评价分析，该方法测试必须在灌注混凝土后24至48小时快速开始检测，但是受水泥水化热发挥效果的影响，有可能测得沿桩身深度方向的温度差异性不明显，则不能很好的根据水化热产生的温度差对桩身完整性进行测试。
4.自平衡法与传统的静载试验法不同，不受场地限制，装置简单，且不会破坏被测试桩，故可以继续作为工程桩继续使用。其工作原理是在桩间预埋荷载箱，通过油泵对荷载箱加压，荷载箱上部桩向上运动，下部桩向下运动，测试获得桩的荷载位移曲线、桩侧摩阻力曲线，将桩侧土摩阻力和桩底端阻力迭加得到单桩的抗压承载力。但是自平衡法，只能测试桩的承载力，无法获得桩的完整性结果。
5.公开号为cn105926683a的发明中公开了一种应用分布式光纤测温技术检测桩基后压浆质量的新方法，通过注浆前后温度值的对比可以得到浆液在桩侧土体中的分布状态。公开号为cn105908789a的发明中公开了一种应用电缆发热与光纤测温综合检测桩基后压浆质量的方法，通过注浆前后温度值的对比可以得到浆液在桩侧土体中的分布状态。但是这两个发明只能对灌注桩压浆时的压浆质量进行检测，并不能实现凝固后的桩身的三维成像。


技术实现要素：

6.解决的技术问题：本发明提出一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，能够同时对灌注桩进行三维成相分析和承载力分析，该测试方法不受时间限制，可多次对
被测桩进行测量，以减小误差。
7.技术方案：
8.一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，所述测试系统用于测试灌注桩的承载力和绘制桩身三维图像；
9.所述测试系统包括光纤数据采集仪、桩无损检测智能终端、液压泵、液压管、加热装置、测温和测位移光纤、光纤预留孔和荷载箱；
10.所述荷载箱预埋在灌注桩内，通过液压管与液压泵连接，液压泵根据桩无损检测智能终端发送的压力控制信号，以调整施加在荷载箱上的压力，使荷载箱上部桩向上运动，荷载箱下部桩向下运动；所述测温和测位移光纤穿过灌注桩的光纤预留孔，其一端通过光纤数据采集仪与桩无损检测智能终端连接，并且其延伸方向与沿灌注桩的延伸方向一致；在压力调整期间，测温和测位移光纤实时采集不同等级荷载作用下的桩位移数据，将采集到的桩位移数据经由光纤数据采集仪发送至桩无损检测智能终端；
11.所述加热装置用于根据桩无损检测智能终端的加热控制指令，将液压泵内的液体加热后输送到桩身；桩无损检测智能终端对输送到桩身的热量进行计算，同时通过测温和测位移光纤采集得到加热前后桩身的温度分布信息，获得桩身不同深度的升温数据，再根据灌注桩所耗用的混凝土体积，计算得到桩身不同深度的截面信息，绘制得到桩身三维图像。
12.进一步地，所述桩无损检测智能终端为手持式。
13.进一步地，所述测温和测位移光纤的长度大于等于灌注桩长度和载荷箱最大伸张量之和。
14.进一步地，所述加热装置包括液体加热器，用于对液压泵内的液体进行加热；加热后的液体经液压泵输送至液压管内；对桩身加热时，液压管内的液体通过隔离组件以隔离在载荷箱之外。
15.进一步地，所述隔离组件采用橡木塞。
16.进一步地，所述加热装置包括液体加热器和加热管；加热管预埋在灌注桩内，其延伸方向与灌注桩延伸方向一致，并且其一端与液压泵的液体出口端连接；
17.所述液体加热器用于对液压泵内的液体加热，加热后的液体经液压泵输送至加热管内。
18.进一步地，所述桩无损检测智能终端根据加热管允许容纳的液体体积、液体温度加热前后温差、液体密度和液体比热容信息，计算得到加热管输送到桩身的热量。
19.进一步地，所述加热管的长度大于等于灌注桩长度和载荷箱最大伸张量之和。
20.进一步地，本发明还提及一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
21.根据桩无损检测智能终端发送的压力控制信号，通过液压管输送未加热的液体至载荷箱，以调整施加在荷载箱上的压力，使荷载箱上部桩向上运动，荷载箱下部桩向下运动；
22.实时采集加热前的桩身温度分布数据和不同等级荷载作用下的桩位移数据；
23.根据接收到的桩位移数据，绘制桩的荷载位移曲线和桩侧摩阻力曲线，将桩侧土摩阻力和桩底端阻力迭加得到单桩的抗压承载力；
24.继续通过液压管输送未加热的液体至载荷箱，直至载荷箱内充满未加热的液体；
25.向液压管内投入橡木塞，隔离载荷箱和液压管；
26.对液压泵内的液体进行加热，将加热后的液体输送至液压管，对桩身进行加热；
27.采集加热后的桩身温度分布数据，计算桩身不同深度的升温数据；
28.根据液压管允许容纳的液体体积、液体温度加热前后温差、液体密度和液体比热容信息，计算得到液压管输送到桩身的热量；
29.结合灌注桩所耗用的混凝土体积、桩身不同深度的升温数据和液压管输送到桩身的热量，根据能量守恒定律，计算得到桩身不同深度的截面信息，绘制得到桩身三维图像。
30.进一步地，本发明还提及另一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试方法，所述测试方法包括以下步骤：
31.根据桩无损检测智能终端发送的压力控制信号，通过液压管输送未加热的液体至载荷箱，以调整施加在荷载箱上的压力，使荷载箱上部桩向上运动，荷载箱下部桩向下运动；
32.实时采集加热前的桩身温度分布数据和不同等级荷载作用下的桩位移数据；
33.根据接收到的桩位移数据，绘制桩的荷载位移曲线和桩侧摩阻力曲线，将桩侧土摩阻力和桩底端阻力迭加得到单桩的抗压承载力；
34.对液压泵内的液体进行加热，将加热后的液体输送至加热管，对桩身进行加热；
35.采集加热后的桩身温度分布数据，计算桩身不同深度的升温数据；
36.根据加热管允许容纳的液体体积、液体温度加热前后温差、液体密度和液体比热容信息，计算得到加热管输送到桩身的热量；
37.结合灌注桩所耗用的混凝土体积、桩身不同深度的升温数据和加热管输送到桩身的热量，根据能量守恒定律，计算得到桩身不同深度的截面信息，绘制得到桩身三维图像。
38.有益效果：
39.第一，本发明的无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，在安装预埋荷载箱过程中，预埋测桩身温度的光纤，待桩承载力测试结束后，将输入油泵的液压油加热到一定温度，测试桩身温度消散情况，根据测试结果对灌注桩进行三维成相分析，该方法不受时间限制，可多次对被测桩进行测量，以减小误差。
40.第二，本发明的无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，将自平衡桩承载力测试、光纤三维成相测试、数据采集系统和手持智能终端技术相结合，依据自平衡桩承载力测试获得桩承载力，依据光纤对桩身温度消散测量获得灌注桩三维成相，设计桩承载力和三维成像集成数据采集系统，并将数据采集系统安装在手持智能终端设备，最终实现无损桩承载力和三维成像集成测试一体化测试技术和设备。本发明能够实现灌注桩的无损承载力和三维成像集成测试，提高了测试效率，无需笨重的测试设备、适用于各种工程场地。
41.第三，本发明的无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，采用桩无损检测手持智能终端，实现测量无线采集，远程操控，方便测试人员现场和测试后期使用。
42.第四，本发明的无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，可以节约大量的人力物力财力，操作简单。
附图说明
43.图1为本发明实施例的无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统结构示意图；
44.图2为本发明实施例的灌注桩1-1截面俯视图；
45.图3为本发明实施例的灌注桩1-2截面俯视图；
46.图4为本发明实施例的3对预埋光纤截面俯视图；
47.图5为本发明实施例的不含预埋光纤灌注桩测试侧视图；
48.图6为本发明实施例的灌注桩1-2截面俯视图；
49.图7为本发明实施例的3对光纤截面俯视图。
50.附图标记说明：1为光纤数据采集仪，2为桩无损检测智能终端，3为液压泵，4为液体加热器，5a为液压管，5b为加热管，6为测温和测位移光纤，6(a)为右侧光纤，6(b)为前侧光纤，6(c)为后侧光纤，6(d)为左侧光纤，7为光纤预留孔，8为荷载箱，9为灌注桩。
具体实施方式
51.下面的实施例可使本专业技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
52.参见图1所示，本实施例提及一种无损灌注桩承载力和三维成像集成测试系统，所述测试系统用于测试灌注桩9的承载力和绘制桩身三维图像。
53.所述测试系统包括光纤数据采集仪1、桩无损检测智能终端2、液压泵3、液压管5a、加热装置、测温和测位移光纤6、光纤预留孔7和荷载箱8。
54.所述荷载箱8预埋在灌注桩9内，通过液压管5a与液压泵3连接，液压泵3根据桩无损检测智能终端2发送的压力控制信号，以调整施加在荷载箱8上的压力，使荷载箱8上部桩向上运动，荷载箱8下部桩向下运动；所述测温和测位移光纤6穿过灌注桩9的光纤预留孔7，其一端通过光纤数据采集仪1与桩无损检测智能终端2连接，并且其延伸方向与沿灌注桩9的延伸方向一致；在压力调整期间，测温和测位移光纤6实时采集不同等级荷载作用下的桩位移数据，将采集到的桩位移数据经由光纤数据采集仪1发送至桩无损检测智能终端2。
55.所述加热装置用于根据桩无损检测智能终端2的加热控制指令，将液压泵3内的液体加热后输送到桩身；桩无损检测智能终端2对输送到桩身的热量进行计算，同时通过测温和测位移光纤6采集得到加热前后桩身的温度分布信息，获得桩身不同深度的升温数据，再根据灌注桩9所耗用的混凝土体积，计算得到桩身不同深度的截面信息，绘制得到桩身三维图像。
56.示例性地，所述桩无损检测智能终端为手持式，实现测量无线采集，远程操控，方便测试人员现场和测试后期使用。
57.示例性地，所述测温和测位移光纤6包含2对或者三对光纤，如图2、图3、图4和图7所示。应当理解，测温和测位移光纤6的分布方式并不固定，只要是沿桩身延伸，能够全面覆盖桩身不同检测深度即可。
58.工作原理及工作过程：
59.(一)承载力测量
60.在桩间预埋荷载箱，通过液压泵对荷载箱加压，荷载箱上部桩向上运动，下部桩向下运动，加载过程中测位移光纤记录不同等级荷载作用下桩位移数据，以获得桩的荷载位
移曲线、桩侧摩阻力曲线，将桩侧土摩阻力和桩底端阻力迭加得到单桩的抗压承载力。
61.(二)桩身三维成像
62.本实施例提出了两种桩身加热方案：
63.第一种方案：所述加热装置包括液体加热器4和加热管5b；加热管5b预埋在灌注桩9内，其延伸方向与灌注桩9延伸方向一致，并且其一端与液压泵3的液体出口端连接。所述液体加热器4用于对液压泵3内的液体加热，加热后的液体经液压泵3输送至加热管5a内。
64.在未对液压泵内液体加热前，采集测温光纤数据，获得温度沿桩身分布数据。然后对液压泵内液体加热，通过加热管输送到桩身。根据加热管可容纳液体体积、液体温度加热前后温差、液体密度和液体比热容信息，可以计算加热管输送到桩身的热量。测温光纤对加热前后桩身温度的测量，可以获得桩身不深度处温度升高情况。根据灌注桩所耗用混凝土体积，根据能量守恒定律，便可获得不能深度桩身截面信息，以绘制桩身三维成相，分析桩身缺陷。
65.第一种方法更适合能够预埋加热管的灌注桩。需要注意的是，对于可预埋加热管和光纤的灌注桩，加热管和光纤在荷载箱内长度要有一定的冗余，大于荷载箱伸张量，以保证加热管和光纤在测试过程中不会断裂。
66.第二种方案：
67.所述加热装置包括液体加热器4，用于对液压泵3内的液体进行加热；加热后的液体经液压泵3输送至液压管5a内；对桩身加热时，液压管5a内的液体通过隔离组件以隔离在载荷箱8之外。如图5所示，所述液压管5a对荷载箱8施加液体压力同时也作为测温阶段高温液体输入管。
68.对已经灌注完成的桩，无法预埋加热管，可以采用第二种方案。液压管既用来输送液体加压，又用来输送加热的液体。先将荷载箱内充满未加热的液体，然后向液压管内投入适当大小的橡木塞，以防止加热液体流入荷载箱；桩内预埋光纤传感器时，应保证内嵌光纤的成活率。
69.以上所述尽是本发明的优选实施方式，应指出：对于该技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下依旧可以做出若干改进，这些改进亦应视为本发明的保护范围。