一种组合式桩端压力监测装置及其组装和测试方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，涉及一种基桩桩端压力监测装置及其方法，具体指一种利用土压力盒进行桩端压力监测的组合式装置及其组装和测试方法。

背景技术：

根据《建筑桩基检测技术规范》（jgj106-2014），当设计有要求或出现下列情况时，施工前应进行试验桩检测并确定单桩极限承载力：①设计等级为甲级的桩基；②无相关试桩资料可参考的设计等级为乙级的桩基；③地基条件复杂、基桩施工质量可靠性低；④本地区采用的新桩型或采用新工艺成桩的桩基。桩基工程除应在工程桩施工前和施工后进行基桩试验检测外，尚应根据工程需要，在施工过程中进行质量的检测与监测。基桩测试是评价岩土工程基础是否安全，验证设计理论是否合理的重要依据。桩底压力作为基桩测试的重要内容，是了解桩端阻力的变化过程，确定桩顶竖向荷载通过桩土相互作用以及达到承载力极限状态的根据。

桩底压力测试主要通过在桩底埋设土压力盒进行，现阶段应用最多的是振弦式土压力盒，具有灵敏度高、精度高、稳定性好、价格相对便宜等优点。测试时通过预钻孔成孔后将土压力盒放至所需深度定点监测，然后在孔内回填细砂充填土压力盒周边空间，最后放置钢筋笼并浇筑混凝土。桩端压力通过细砂传递至土压力盒接触面，通过采集振弦式土压力盒的振弦频率变化，获取桩端压力的实时变化情况。

然而，在实际工程中我们发现，现有桩端土压力盒从安装到测量，仍存在以下问题：1、土压力盒直接安放在桩端的持力层表面，缺乏有效的固定措施，当受到不均匀压力作用时极易发生位移或倾斜；如在混凝土浇筑阶段，会受到混凝土的不均匀压力作用出现位移或倾斜，因而无法保证土压力盒的初始测量状态，造成无法准确测量压力大小及方向。2、现有方法仅是在桩底中心位置放置一个土压力盒进行测量，实现的是“点”的测量，而桩端的持力层为面，因而无法准确反映桩端持力层面整体的压力变化情况；尤其是在桩底受不均匀压力作用土压力盒的压力值测试数据误差较大时无法获取真实有效的压力值。3、回填细砂不完全或过度压实均会导致土压力盒测量结果失真，当细砂不完全压实时，“松散”细砂无法将桩底压力有效传递给土压力盒；而当回填细砂过度压实时，土压力盒又会检测不到较小的桩端压力；而现有的安装方法不便于控制回填细砂的压实度，影响检测结果的准确性。4、采用钻孔法进行桩底土压力盒埋设时，在狭窄的现场工作环境下人工埋设的土压力盒“成活率”偏低，误差大、测量数据的可信度难以保证，且人工作业方式使得安装效率低下，在安装时容易损坏土压力盒，影响测量结果的准确性和可靠性的判别及评价。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提供了一种组合式桩端压力监测装置及其组装和测试方法，能够有效解决现有方法利用土压力盒在进行桩端压力监测时，对土压力盒无固定保护措施，存在无法保证土压力盒的初始测量状态，测量结果误差大、精度低等技术问题。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种组合式桩端压力监测装置，包括底座、连接组件、承压组件和土压力盒，其特征在于：所述底座包括底板和围护圆柱筒，所述底板板面上固接有螺纹连接件i，围护圆柱筒紧密套装在底板外围，其上部筒体高出底板，并与底板围成一槽体，槽体内填充有细砂，细砂内均匀埋设有数个土压力盒；所述连接组件包括置于底座上方的连接主体，其底面与土压力盒接触，其中部设有中心孔道i，中心孔道i外围设有与所述螺纹连接件i相适配的连接孔道i，连接主体四周固接有螺纹连接件ii；所述承压组件包括承压主体，其上设有与中心孔道i相对应的中心孔道ii，中心孔道ii外围设有与螺纹连接件ii相适配的连接孔道ii；所述螺纹连接件i穿过连接孔道i将底座与连接主体连接固定，螺纹连接件ii穿过连接孔道ii将连接主体与承压主体连接固定，承压主体上端与基桩钢筋笼连接固定；所述土压力盒上连接有信号传输线，信号传输线依次穿过中心孔道i和中心孔道ii，并沿基桩钢筋笼向上绑扎后与地上数据采集装置连接。

优选地，所述土压力盒至少埋置有4个，且均匀布设在同一水平面。

优选地，所述连接主体的中部为凹槽式结构，其上的中心孔道i和连接孔道i均设置在凹槽内。

优选地，所述底座、连接组件和承压组件均采用混凝土材料制作而成。

优选地，所述连接主体的外围设有包裹护筒。

优选地，所述底板、连接主体和承压主体均内置有加强筋，包括横纵交错布设的横向加强筋和纵向加强筋。

优选地，底板外缘设有用于固定底板和围护圆柱筒的锚筋。

优选地，所述底座、连接组件和承压组件的外形及尺寸均与基桩桩孔相适配。

一种组合式桩端压力监测装置的组装方法，包括以下步骤，

步骤一埋设土压力盒：首先将数个土压力盒均匀埋设在底座的细砂内，将连接组件置于底座上方，通过螺纹连接件和螺母将二者连接固定，连接组件底面与土压力盒水平接触；

步骤二土压力盒初始值标定：包括先粗调和后细调两步，粗调通过调整细砂层面的平整度使数个土压力盒的初始读数相近；细调通过调节底座与连接组件的螺纹连接件和螺母的紧固度，使数个土压力盒的初始值相等，并记录初始读数；

步骤三安装上部承压组件：将承压组件置于连接组件上方，通过螺纹连接件和螺母将二者连接固定，承压组件上端与基桩钢筋笼连接固定；土压力盒的信号传输线向上依次穿过连接组件和承压组件的中心孔道，并沿基桩钢筋笼绑扎后与数据采集装置连接。

一种组合式桩端压力监测装置的测试方法，包括以下步骤，

步骤一开挖桩孔：根据土压力盒埋设深度开挖基桩桩孔，桩孔底部即为桩端压力监测装置的安置位置；

步骤二将组装好的组合式桩端压力监测装置平稳安置于桩孔底部预定位置，向桩孔内浇筑混凝土制成基桩，即完成组合式桩端压力监测装置的安装；

步骤三数据处理：监测装置在桩端压力作用下，每个土压力盒的实时数值与其初始数值的差值即为一组桩底压力的监测数据集，各土压力盒数据集的平均值为桩底压力平均值；然后对数据进行修正，剔除测得的实时数值中超出桩底压力平均值25%的数值后，再次求取数据集平均值得到的修正数据即为桩端压力值；根据土力盒不同埋设深度的桩底压力值，绘制桩底压力分布，即得到桩底压力的最大值和最小值。

本发明区别于现有技术的有益效果是：

1、本组合式桩端压力监测装置，能够将土压力盒稳固在桩端的持力层，解决了土压力盒在受不均匀压力作用时易发生位移、倾斜，无法保证土压力盒初始测量状态的问题，显著提高了桩端压力的监测精度。

2、通过本组合式桩端压力监测装置可在桩端埋设数个土压力盒，实现对桩端压力的整体监测，解决了现有桩端压力监测仅能埋设一个土压力盒，无法准确反映桩端持力层面整体的压力变化；本监测装置可以测得桩底压力分布，得出压力最大值和最小值，进一步提高了桩端压力的测量精度。

3、结构设计合理，将土压力盒埋设在底板和连接主体之间，形成一个整体，避免安装过程对压力盒造成扰动；连接组件起到传递力的作用，将桩底压力通过承压组件均匀传递至压力盒，连接主体的凹槽式结构为底座的螺纹连接件顶部预留足够空间，一方面能够防止桩底压力传至承压组件后由螺纹连接件分担，另一方面预留了足够的操作空间，便于操作；且承压主体和连接主体形成一个箱体，具有较大的刚度，确保将桩底压力准确传至压力盒。

4、解决了人工安装填埋土压力盒时因土压力盒无固定保护措施，以及土压力盒信号传输线被压断等情况所导致的“成活率”偏低的问题；并且本桩端压力监测装置能够在预钻孔外回填细砂，便于控制回填细砂的压实度，有效避免了因回填细砂的压实度而影响土压力盒测量结果的问题；适用于深度较大的桩孔，直接采用吊装或与基桩钢筋笼焊接方式安放，避免了人工安装填埋土压力盒时存在人身安全隐患。

5、本桩端压力监测装置可在地面上进行标定，由于压力盒固定在组合装置中，在放入桩底的过程中受力工况未改变，因而可以采用标定曲线，解决了现有单个无固定措施的压力盒放入桩孔后无法标定的问题。

6、监测装置整体采用混凝土材料制成，适用于长时间以及腐蚀性埋设环境条件的桩底压力监测，能够有效保护土压力盒。

7、节约了成本，在确保测量结果准确的基础上该组合式桩端压力监测装置具有结构简单、易于制作、成本低、方便使用的特点。

附图说明

图1为本发明组合式桩端压力监测装置的结构示意图；

图2为本发明组合式桩端压力监测装置中底座的结构示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明组合式桩端压力监测装置中底板的俯视图；

图5为本发明组合式桩端压力监测装置中连接组件的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图7为本发明组合式桩端压力监测装置中承压组件的结构示意图；

图8为图7的俯视图；

图9为实施例中压力监测值与时间关系曲线图；

图中：1-底板，2-围护圆柱筒，3-细砂，4-土压力盒，5-螺纹连接件i，6-连接主体，7-中心孔道i，8-连接孔道i，9-螺纹连接件ii，10-承压主体，11-中心孔道ii，12-连接孔道ii，13-基桩钢筋笼，14-信号传输线，15-包裹护筒，16-横向加强筋，17-纵向加强筋，18-锚筋，19-吊耳。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。

如图1-8所示，一种组合式桩端压力监测装置，包括底座、连接组件、承压组件和土压力盒，所述底座包括底板1和围护圆柱筒2，围护圆柱筒2套装在底板1的外围，通过高强粘接剂紧密粘接在一起，底板1外缘圆周还设有锚筋18，用于进一步固定底板1和围护圆柱筒2。围护圆柱筒2的上部筒体高出底板，并与底板1板面围成一槽体，槽体内填充有细砂，细砂3内均匀埋设有数个土压力盒4，土压力盒4至少可埋置有4个，且均匀布设在同一水平面；底板1板面上焊接有与连接组件连接的螺纹连接件i5。连接组件包括置于底座上方的连接主体6，其底面与土压力盒4接触，其中部设有中心孔道i7，中心孔道i7外围均匀设有与所述螺纹连接件i5相适配的连接孔道i8；连接主体6四周焊接有与承压组件相连接的螺纹连接件ii9。所述承压组件包括承压主体10，其上设有与中心孔道i7相对应的中心孔道ii11，中心孔道ii11外围设有与螺纹连接件ii9相适配的连接孔道ii12。组装时，螺纹连接件i5穿过连接孔道i8，通过螺母和垫片将底座与连接主体6连接固定，螺纹连接件ii9穿过连接孔道ii12，通过螺母和垫片将连接主体6与承压主体10连接固定，承压主体10上端与基桩钢筋笼13连接固定；土压力盒4上连接有信号传输线14，信号传输线14依次穿过中心孔道i7和中心孔道ii11，并沿基桩钢筋笼13向上绑扎至顶端后与地上数据采集装置连接。其中底座、连接组件和承压组件的外形及尺寸与基桩桩孔相适配，且均采用混凝土材料制作而成，可适用于长时间以及腐蚀性埋设环境条件的桩底压力监测，能够有效保护土压力盒。本组合式桩端压力监测装置，能够将土压力盒稳固在桩端的持力层，解决了土压力盒在受不均匀压力作用时易发生位移、倾斜，无法保证土压力盒初始测量状态的问题，显著提高了桩端压力的监测精度。通过本组合式桩端压力监测装置可在桩端埋设数个土压力盒，实现对桩端压力的整体监测，解决了现有桩端压力监测仅能埋设一个土压力盒，无法准确反映桩端持力层面整体的压力变化；本监测装置可以测得桩底压力分布，得出压力最大值和最小值，进一步提高了桩端压力的测量精度。此外，本桩端压力监测装置可在地面上进行标定，由于压力盒固定在组合装置中，在放入桩底的过程中受力工况未改变，因而可以采用标定曲线，解决了现有单个无固定措施的压力盒放入桩孔后无法标定的问题。

进一步地，连接主体6的中部为凹槽式结构，其上的中心孔道i7和连接孔道i8均设置在凹槽内；凹槽式结构为底座的螺纹连接件顶部预留了足够空间，一方面防止桩底压力传至承压组件后由螺纹连接件分担，另一方面预留了足够的操作空间，便于操作。连接组件能起传递力的作用，将桩底压力通过承压主体均匀传递至压力盒；承压主体和连接主体形成一个箱体，具有较大的刚度，确保将桩底压力准确传至压力盒。

更进一步地，连接主体6的外围设有包裹护筒15，能够避免连接主体6受腐蚀，有效延长了装置整体的使用寿命。所述底板1、连接主体6和承压主体10均内置有加强筋，包括横纵交错布设的横向加强筋16和纵向加强筋17，其结构分别如图2-8所示。此外，承压主体10上端两侧还固接有由弯筋制成的吊耳19，便于吊装。

一种组合式桩端压力监测装置的组装方法，包括以下步骤，

步骤一埋设土压力盒：首先将数个土压力盒4均匀埋设在底座的细砂3内，将连接组件置于底座上方，通过螺纹连接件和螺母将二者连接固定，连接组件底面与土压力盒4水平接触；

步骤二土压力盒初始值标定：包括先粗调和后细调两步，粗调通过调整细砂3层面的平整度使数个土压力盒的初始读数相近；细调通过调节底座与连接组件的螺纹连接件和螺母的紧固度，使数个土压力盒的初始值相等，并记录初始读数；

步骤三安装上部承压组件：将承压组件置于连接组件上方，通过螺纹连接件和螺母将二者连接固定，承压组件上端与基桩钢筋笼13连接固定；土压力盒4的信号传输线14向上依次穿过连接组件和承压组件的中心孔道，并沿基桩钢筋笼13绑扎后与数据采集装置连接。

一种组合式桩端压力监测装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一开挖桩孔：根据土压力盒埋设深度开挖基桩桩孔，桩孔底部即为桩端压力监测装置的安置位置；

步骤二将组装好的组合式桩端压力监测装置平稳安置于桩孔底部预定位置，向桩孔内浇筑混凝土制成基桩，即完成组合式桩端压力监测装置的安装；

步骤三数据处理：监测装置在桩端压力作用下，每个土压力盒的实时数值与其初始数值的差值即为一组桩底压力的监测数据集，各土压力盒数据集的平均值为桩底压力平均值；然后对数据进行修正，剔除测得的实时数值中超出桩底压力平均值25%的数值后，再次求取数据集平均值得到的修正数据即为桩端压力值；根据土力盒不同埋设深度的桩端压力值，画出桩底压力分布，即得到桩底压力的最大值和最小值。

实施例

本实施例为基桩桩端压力载荷试验，在本组合式桩端压力监测装置内埋设4个压力盒，用于监测不同荷载作用下桩端压力的变化情况。由图9压力监测值与时间关系曲线图可以看出：在0～25h时，1号、2号、3号和4号土压力盒所测得的测量值曲线平稳且较为接近，说明4个土压力盒受力均匀，各个土压力盒测得的数据集中无超过桩底压力平均值25%的数据，故在该时间段内桩底压力平均值为4个压力盒的平均值。而接近30h至35h时，4个土压力盒测得的测量值曲线出现波动，4个土压力盒受力不匀，通过对测得的数据进行修正得到桩端压力值曲线，如图中✳形线所示。能够准确监测桩端压力，准确反映桩端持力层面的压力变化情况，实现了对桩端压力的整体监测。解决了现有技术仅能在桩端埋设一个土压力盒，无法反映桩端持力层面压力的变化情况的问题。

以上实施例仅是示例性的，并不会局限本发明，应当指出对于本领域的技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本发明的保护范围。