一种吸力式桶形基础贯入阶段内力测试装置的制作方法

本发明属于内力测试技术领域，涉及海洋岩土工程中一种吸力式桶形基础贯入阶段内力测试装置，特别是一种吸力式桶形基础贯入过程中内、外壁摩擦力的测试装置。

背景技术：
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吸力式桶形基础是通过抽真空及水体产生吸力并安装于既有海床中的一种新型基础型式，一般由一个或几个顶部封闭的钢圆筒或钢筋混凝土圆筒组成，其安装主要依靠自重和负压贯入，首先桶形基础在结构自身重力作用下沉入至海床一定深度，然后再通过顶部抽真空使桶形基础内腔内产生一定负压，桶形基础内外压力差使其下沉至预定深度，该基础型式具有运输与安装方便、工期短、造价低、经济可靠等优点，被广泛应用于近海及深海结构物基础中。目前，吸力式桶形基础内力测试大多通过基础内安装测试元件获得，传统的测试元件易受测试环境影响，导致桶身侧壁摩阻力测试准确度不高。桶身内外壁安装电阻式应变片贯入过程中易受桶形基础周围及内腔土体磨损破坏，导致应变片可靠性及成活率不高，测试精度不能保证；应变式钢筋应力计及振弦式钢筋应力计较应变片稳定，但需与钢筋焊接才能进行测试，不适用于吸力式桶形基础内外壁摩阻力测试；传统的FBG传感器体积大，桶身开槽面积较大，对桶身弹性模量造成一定损伤并且封装后桶形基础与周围土体界面摩擦性状与完整桶体也有一定差异，导致桶形基础与周围土体的摩擦系数发生变化，测试精度不高。吸力式桶形基础内外壁摩阻力测试对吸力式桶形基础贯入过程中性状研究具有重要意义，只有准确测定贯入过程中吸力式桶形基础内外壁摩阻力，才能更好地完善吸力式桶形基础的贯入机理，提升吸力式桶形基础的承载特性研究理论。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，在不破坏吸力式桶形基础完整性及保证桶形基础与周围土体的摩擦系数不变的前提下，提供一种吸力式桶形基础贯入阶段内力测试方法，在桶身内外壁安装裸露的FBG传感器，并用光纤串联在一起形成内外壁光纤串，贯入过程中基础周围土体分别对桶身内外壁产生剪切作用，致使裸FBG传感器波长发生变化，利用压入前后波长变化求得传感器截面处桶身内力，进而获得吸力式桶形基础内外壁摩阻力。

为了达到上述目的，本发明所述吸力式桶形基础内外壁摩阻力测试装置的主体结构包括裸FBG传感器、光纤连接线、铠装光缆、光栅传感分析仪和计算机，各裸FBG传感器之间用光纤连接线串联在一起分别组成内壁光纤串和外壁光纤串，内壁光纤串和外壁光纤串放置在预先刻好的宽15mm、深15mm的浅槽内，浅槽底面用高强粘结剂粘结牢固，浅槽底面通过环氧树脂对内壁光纤串和外壁光纤串封装，光纤连接线的端部与铠装光缆熔接，裸FBG传感器采用无线连接的方式分别与光栅传感分析仪、计算机组成远程数据采集分析系统，裸FBG传感器之间的间距根据施工场区土层具体情况确定，每个测试截面的内侧和外侧间隔120°分别布设三组内壁光纤串和外壁光纤串，以保证测试结果的准确性。

本发明在吸力式桶形基础内外壁摩阻力测试装置中实现，具体测试过程为：

(1)在吸力式桶形基础内壁、外壁间隔120°沿桶身轴线方向画3条定向线，然后沿定向线切宽15mm,深15mm的浅槽，用刷子将浅槽清扫干净，将预先加工好的三条内壁光纤串、三条外壁光纤串沿浅槽方向布设安装，并用高强粘结剂将其与浅槽底部粘结牢固，然后用环氧树脂进行封装保护；

(2)待环氧树脂强度充分发挥后，将内壁光纤串、外壁光纤串引至桶身顶端并分别与铠装光缆以熔接的方式进行连接；

(3)将吸力式桶形基础吊至贯入位置，然后采用无线连接的方式将裸FBG传感器与光栅传感分析仪、计算机组成远程光纤传感测试系统，并进行调试；

(4)记录贯入开始前内壁光纤串、外壁光纤串中裸FBG传感器的初始波长读数，每间隔60秒记录贯入过程中内壁光纤串、外壁光纤串中裸FBG传感器波长，计算出各个截面处裸FBG传感器波长变化，利用下述公式反算出贯入过程中吸力式桶形基础内外壁摩阻力大小：

f_mn＝EA(Δλ_m-Δλ_n)/(K_sh_mn) (1)

f_ij＝EA(Δλ_i-Δλ_j)/(K_sh_ij) (2)

式中f_mn.,f_ij分别为桶形基础内壁裸FBG传感器m、n之间摩阻力，桶形基础外壁裸FBG传感器i、j之间摩阻力；E为桶身弹性模量；A为桶身截面积；Δλ_m,Δλ_n分别为桶形基础内壁裸FBG传感器m、n波长变化；Δλ_i,Δλ_j分别为桶形基础外壁裸FBG传感器i、j波长变化；K_s为桶身裸FBG传感器应变灵敏系数；h_mn,h_ij分别为桶形基础内壁传感器m、n,桶形基础外壁传感器i、j之间的距离。

本发明与现有技术相比，利用裸FBG传感器直径细、体积小、安装灵活方便的特点，并结合光纤光栅传感测试技术测量精度高、受环境因素影响小、稳定性好等优势实现了压入过程中吸力式桶形基础内外壁摩阻力的测试；其结构简单，操作方便，原理科学可靠，测试结果准确。

附图说明：

图1为本发明所述桶形基础内壁光纤串光栅布设示意图。

图2为本发明所述桶形基础外壁光纤串光栅布设示意图

图3为本发明所述吸力式桶形基础内、外壁光纤串安装示意图。

图4为本发明所述内、外壁光纤串安装截面图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例：

本实施例所述吸力式桶形基础内外壁摩阻力测试装置的主体结构包括裸FBG传感器1、光纤连接线2、铠装光缆3、光栅传感分析仪4和计算机5，各裸FBG传感器1之间用光纤连接线2串联在一起分别组成内壁光纤串6和外壁光纤串7，内壁光纤串6和外壁光纤串7放置在预先刻好的宽15mm、深15mm的浅槽内，浅槽底面用高强粘结剂粘结牢固，并用环氧树脂对内壁光纤串6和外壁光纤串7进行封装保护，光纤连接线2的端部与铠装光缆3熔接，裸FBG传感器1采用无线连接的方式分别与光栅传感分析仪4、计算机5组成远程数据采集分析系统，裸FBG传感器1之间的间距根据施工场区土层具体情况确定，每个测试截面间隔120°布设三组裸FBG传感器1，以保证测试结果的准确性。

本实施例在吸力式桶形基础内外壁摩阻力测试装置中实现，具体测试过程为：

(1)在吸力式桶形基础内壁、外壁间隔120°沿桶身轴线方向画3条定向线，然后沿定向线切宽15mm,深15mm的浅槽，用刷子将浅槽清扫干净，将预先加工好的三条内壁光纤串6、三条外壁光纤串7(如图1，2所示)沿浅槽方向布设安装，并用高强粘结剂将其与浅槽底部粘结牢固，然后用环氧树脂进行封装保护，如图4所示；

(2)待环氧树脂强度充分发挥后，将内壁光纤串6、外壁光纤串7引至桶身顶端并分别与铠装光缆3以熔接的方式进行连接；

(3)将吸力式桶形基础吊至贯入位置，然后采用无线连接的方式将裸FBG传感器1与光栅传感分析仪4、计算机5组成远程光纤传感测试系统，并进行调试，如图3所示；

(4)记录贯入开始前内壁光纤串6、外壁光纤串7中裸FBG传感器1的初始波长读数，每间隔60秒记录贯入过程中内壁光纤串6、外壁光纤串7中裸FBG传感器1波长，计算出各个截面处裸FBG传感器1波长变化，利用下述公式反算出贯入过程中吸力式桶形基础内外壁摩阻力大小：

f_mn＝EA(Δλ_m-Δλ_n)/(K_sh_mn) (1)

f_ij＝EA(Δλ_i-Δλ_j)/(K_sh_ij) (2)

式中f_mn.,f_ij分别为桶形基础内壁裸FBG传感器m、n之间摩阻力，桶形基础外壁裸FBG传感器i、j之间摩阻力；E为桶身弹性模量；A为桶身截面积；Δλ_m,Δλ_n分别为桶形基础内壁裸FBG传感器m、n波长变化；Δλ_i,Δλ_j分别为桶形基础外壁裸FBG传感器i、j波长变化；K_s为桶身裸FBG传感器应变灵敏系数；h_mn,h_ij分别为桶形基础内壁传感器m、n,桶形基础外壁传感器i、j之间的距离。