基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统及测试方法，该试验系统包括反力架装置，动力加载装置，容土槽及监测装置。该试验方法是利用一套动力加载系统模拟多种振动波作用在基础桩上，通过布设在桩基中的传感光纤光栅测得基础桩的应力应变变形情况。本发明将反力架装置与容土槽浇筑在一起，保证反力传递的稳定可靠；动力加载装置可以精确控制动力试验过程中的加载波形和荷载；监测装置响应速度快且可远程监控，使用的传感光纤光栅对桩身影响很小。
【专利说明】基于光纤光栅的粧基动荷载试验系统及测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基础结构的试验装置及试验方法，具体涉及一种基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统及测试方法。
【背景技术】
[0002]在现有相关工程中，设计时大多沿用静力下的桩基设计方法，很少考虑振动荷载的影响，只能以承载力作为设计控制标准，通过大幅提高承载力作为安全储备的方法进行设计。近年来，随着我国高速铁路建设迅速发展，对高速铁路的高速度、高舒适性、高安全性、高密度连续运营等要求越来越高，这就对其下部基础工程提出了更加严格的要求。高速列车过桥时，由于动力作用，墩身动力响应显著，同时在高速列车荷载作用下，其桥梁桩基必然受到影响，但目前对动载作用下桥梁桩基础的动力特性研究相对较少。列车过桥时，桩的实际工作状态是既受到静力(恒载)作用，又受到动力作用。为了能够在桩顶模拟恒载和交通荷载作用的静动载，开展桩基静动载试验显得尤为重要。由于动荷载相关试验及理论研究的不足，目前对于动荷载下桩基承载及变形特性的认识还远远不够，现有的评价标准严重滞后于工程实践，至今还没有令人满意的设计方法来指导工程设计，因此很有必要针对动荷载作用下的桩基特性开展系统的试验及理论研究，加深对动荷载作用下桩基承载及变形机理的认识。由于对振动的波形的模拟相对困难，能够精确模拟多种波形的动力加载系统比较少，而且能够高速、稳定、精确监测桩基在振动条件下的传感器也比较少。为了能够准确监测动荷载作用下桩基承载及变形情况，使得动荷载下桩基的设计更加趋于理性，安全性更好、经济指标更为合理，开发一种能够对动荷载作用下桩基应力应变监测的系统具有重要的工程实践价值。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统及测试方法。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供的基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统包括:
容土槽，具有由钢筋混凝土制成的侧壁和底壁；
反力架，包括一对平行设置的门形支架，所述门形支架由槽钢立柱和工字钢上横梁通过螺栓连接而成，所述一对门形支架的上横梁中部连接有下横梁，所述槽钢立柱的底部嵌入容土槽的钢筋混凝土侧壁中；
动力加载装置，包括垫板、上铰支座、下铰支座和动荷载施加装置，所述垫板与上铰支座通过螺栓固定于下横梁的中部，所述动荷载施加装置包括液压千斤顶、油泵、冷却系统和控制系统，所述上铰支座与下铰支座分别安装于液压千斤顶的两端，所述控制系统与液压千斤顶控制连接，所述油泵接入液压千斤顶的液压油路，所述冷却系统安装于油泵上；工程桩，其桩身嵌入容土槽的土中，桩身顶部与下铰支座固定连接，桩身表面安装有传感光纤，所述传感光纤接入光纤光栅动态解调仪和数据处理及保存系统。
[0005]使用时，上述试验系统的测试方法包括以下步骤:
O使用反力架，动力加载装置与容土槽搭建试验系统；
2)将预制好的工程桩表面要埋设传感光纤的位置用砂纸等打磨干净；
3)在打磨干净的位置用调和好的环氧树脂进行涂抹，涂抹后静置；
4)待涂抹的环氧树脂充分凝固之后，用快干胶将拉直的传感光纤固定在环氧树脂层上，然后再用环氧树脂将固定好的传感光纤进行封装，同时记录传感光纤上光纤光栅的位置及长度；
5)在容土槽底部铺设土层，再将预埋好光纤光栅的工程桩放入容土槽内，然后在容土槽中分层布置土层到指定的位置，将工程桩的顶部与液压千斤顶底部的铰支座连接；
6)连接动力加载装置与千斤顶，用动力加载系统对工程桩进行预压，使桩顶与液压千斤顶底部的铰支座紧密接触；
7)将传感光纤连接光纤光栅动态解调仪，利用控制系统调整动荷载，同时记录传感光纤的数据。
[0006]有益效果:本发明采用的试验系统与方法，能够可靠地监测动荷载作用下的桩基应力应变。由于采用足尺寸试验，所加载的动荷载比原荷载要小很多，本试验系统将动力加载装置通过高强螺栓固定在反力架上，动力加载装置可以精确模拟任意荷载及波形。其中，反力架装置采用钢结构，容土槽采用钢筋混凝土结构，通过将槽钢浇筑在容土槽的钢筋混凝土中形成一个整体，可以增加整体结构的稳定性；而一下横梁连接于两平行上横梁的中点形成了工字形的稳固结构，可以将动荷载的反作用力均匀地分散到两个门形支架的立柱上，极大地降低了了试验中的动荷载施加后发生偏移或倾斜导致的设备损坏的风险。而在施加动荷载的液压千斤顶两端均安装铰支座，极大地提高了系统的稳定性和测试数据的可靠性，降低了安装与校准的难度。通过控制系统与液压千斤顶可以精确控制动力试验过程中的加载波形和荷载，模拟多种振动波作用。
[0007]传统的监测手段目前多采用电式应变片来监测桩身应变，存在易受潮、受电磁干扰等不足，不能全面获取桩身的变形特征，且在动载试验中容易损坏，造成监测数据缺失，无法全面反映桩身变形情况，难以实现桩的优化设计和施工。如果需要全面分析桩身变形特性，则要布置较多的传感器，而传感器引出来的导线过多，在实际操作过程中会很麻烦。因此采用一种方便有效的手段监测桩的受力变形情况尤为重要。光纤布喇格光栅FBG (Fiber Bragg Grating)技术具有传输与传感媒质合二为一的特性,将具有不同栅距的FBG做在同一根光纤不同位置上，采用波分复用技术实现应力和温度的准分布式测量，使得沿光纤布设路径上的光栅全部成为敏感元件，从而实现准分布式测量。光纤既是传感介质，又是传输通道，具有体积小、重量轻、几何形状适应性强、抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、易于实现远距离监测等诸多优点，可以被应用于桩身动态变形的监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的结构示意图；
图3是图1中工程桩的剖面图。【具体实施方式】
[0009]下面结合实施例详细描述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0010]本实施例的基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统如图1和图2所不,包括反力架，动力加载装置与容土槽17。其中反力架包括一对平行设置的门形支架，该门形支架由槽钢立柱15和工字钢上横梁I通过高强螺栓14连接而成，下横梁4连接与一对上横梁I的中部形成工字型，槽钢立柱15的底部与容土槽17的钢筋混凝土侧壁浇筑形成一体。
[0011]动力加载装置，包括垫板2、上铰支座5、下铰支座和动荷载施加装置，垫板2与上铰支座5通过第二高强螺栓3固定于下横梁4的中部，动荷载施加装置包括液压千斤顶7，油泵8和冷却系统9，以及控制系统6。上铰支座5与下铰支座分别安装于液压千斤顶7的两端，控制系统6与液压千斤顶7控制连接，油泵8接入液压千斤顶7的液压油路，冷却9系统安装于油泵8上。
[0012]工程桩12的桩身嵌入容土槽17的土中，桩身顶部与下铰支座固定连接。工程桩12的表面安装有传感光纤13，传感光纤13接入光纤光栅动态解调仪11和数据处理及保存系统10。
[0013]如图3所示，工程桩的表面的传感光纤13封装于环氧树脂18中，在传感光纤13与工程桩之间填充有环氧树脂18，在传感光纤13的外侧也包裹环氧树脂18。
[0014]使用时，本实施例的基于光纤光栅的桩基动荷载试验方法包括以下步骤:
I)将反力架，动力加载装置，容土槽及监测装置连接形成试验系统。其中反力架装置采用工字型钢和槽钢组成，工字型钢之间采用焊接，工字型钢与槽钢之间采用高强螺栓铆接。槽钢与容土槽相连，将槽钢底部浇筑在容土槽之中。动力加载装置由动加载控制器，动荷载施加装置，油泵和冷却装置等等组成。动力加载装置与反力架通过垫板、高强螺栓和上铰支座连接。
[0015]2)将预制好的工程桩表面要埋设光纤光栅的位置用砂纸等打磨干净。
[0016]3)在打磨干净的位置用调和好的环氧树脂进行涂抹，涂抹的宽度约5cm，厚度约2mm ο
[0017]4)涂抹的环氧树脂一般要静置24小时，待涂抹的环氧树脂充分凝固之后，用快干胶将拉直的传感光纤固定在环氧树脂层上，然后再用环氧树脂将固定好的传感光纤进行封装，同时记录传感光纤上光纤光栅的位置及长度，以便用于监测分析；
5)在容土槽底部铺设土层，再将预埋好光纤光栅的工程桩放入容土槽内，然后在容土槽中分层布置土层到指定的位置，将工程桩的顶部与液压千斤顶底部的铰支座连接；
6)将动荷载施加装置的控制系统连接到液压千斤顶上，同时连接好油泵装置与冷却装置，对动荷载施加装置进行调试，待一切正常后，先用动力加载系统对工程桩进行预压，使桩顶与液压千斤顶底部的铰支座紧密接触，同时检查调整使动力加载装置所施加的荷载正好能够传递到桩顶上。
[0018]7)将传感连接光纤光栅动态解调仪，调试各项系数，再次确认加载及监测系统是否正常，如果不正常，则要检查各部件连接是否有问题，光纤光栅是否破坏等，如果正常则可以进行试验。采用动力加载装置模拟多种振动波作用，同时记录光纤光栅采集的数据。
【权利要求】
1.一种基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统，其特征在于包括: 容土槽，具有由钢筋混凝土制成的侧壁和底壁； 反力架，包括一对平行设置的门形支架，所述门形支架由槽钢立柱和工字钢上横梁通过螺栓连接而成，所述一对门形支架的上横梁中部连接有下横梁，所述槽钢立柱的底部嵌入容土槽的钢筋混凝土侧壁中； 动力加载装置，包括垫板、上铰支座、下铰支座和动荷载施加装置，所述垫板与上铰支座通过螺栓固定于下横梁的中部，所述动荷载施加装置包括液压千斤顶、油泵、冷却系统和控制系统，所述上铰支座与下铰支座分别安装于液压千斤顶的两端，所述控制系统与液压千斤顶控制连接，所述油泵接入液压千斤顶的液压油路，所述冷却系统安装于油泵上； 工程桩，其桩身嵌入容土槽的土中，桩身顶部与下铰支座固定连接，桩身表面安装有传感光纤，所述传感光纤接入光纤光栅动态解调仪和数据处理及保存系统。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的桩基动荷载试验系统的测试方法，其特征在于包括以下步骤: O使用反力架，动力加载装置与容土槽搭建试验系统； 2)将预制好的工程桩表面要埋设传感光纤的位置用砂纸等打磨干净； 3)在打磨干净的位置用调和好的环氧树脂进行涂抹，涂抹后静置； 4)待涂抹的环氧树脂充分凝固之后，用快干胶将拉直的传感光纤固定在环氧树脂层上，然后再用环氧树脂将固定好的传感光纤进行封装，同时记录传感光纤上光纤光栅的位置及长度； 5)在容土槽底部铺设土层，再将预埋好光纤光栅的工程桩放入容土槽内，然后在容土槽中分层布置土层到指定的位置，将工程桩的顶部与液压千斤顶底部的铰支座连接； 6)连接动力加载装置与千斤顶，用动力加载系统对工程桩进行预压，使桩顶与液压千斤顶底部的铰支座紧密接触； 7)将传感光纤连接光纤光栅动态解调仪，利用控制系统调整动荷载，同时记录传感光纤的数据。
【文档编号】E02D33/00GK103882893SQ201410118137
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】高磊, 刘汉龙, 孔纲强, 丁选明, 余湘娟, 陈晖东 申请人:河海大学