加速度測試盒及基於多點測試的樁基承載力動態測試方法與流程
2023-07-22 06:25:31 2
本發明涉及一種加速度測試盒及基於多點測試的樁基承載力動態測試方法。
背景技術：
目前測試樁基承載力的方法主要有靜載荷試驗和動態測試法。
靜載荷試驗是指按樁的使用功能，分別在樁頂逐級施加軸向壓力、軸向上拔力或在樁基承臺底面標高一致處施加水平力，觀測樁的相應檢測點隨時間產生的沉降、上拔位移或水平位移，根據荷載與位移的關係(即Q～s曲線)判定相應的單樁豎向抗壓承載力、單樁豎向抗拔承載力或單樁水平承載力的試驗方法。常用的樁基靜載荷測試方法有三種：堆載法、錨樁法和自平衡法。但是靜載荷試驗需要龐大的反力裝置，試驗成本高。
樁基承載力動態測試方法目前主要有高應變測試。高應變所需要的擬合參數過多，導致擬合結果的多樣性。高應變測試還需要用到應變傳感器，然而在實際工程中樁身的動應變很難精確測得。高應變測試技術難度高，試驗時受物理模型、計算方法、樁土參數選擇以及試驗人員實際經驗等諸多因素的影響較大。
技術實現要素：
為了克服高應變測試樁基承載力時不確定參數過多的問題，本發明提供一種加速度測試盒及基於多點測試的樁基承載力動態測試裝置與方法。將樁身分為n段，每段視為單自由度質點，通過樁身預留的測斜管在每段中點安置加速度傳感器測試盒，再用重錘從一定高度落下，測得每一段的加速度時程曲線，分析處理這些曲線就可以得到樁頂的荷載與位移的關係(即Q～s曲線)，從而得到樁基的極限承載力，加速度傳感器測試盒也可以回收再利用。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
加速度測試盒，測試盒內安裝有加速度傳感器，測試盒一側安裝有摩擦墊，另一側安裝有氣囊，氣囊上下兩端均設有連通氣囊內腔的接口。
基於多點測試的樁基承載力動態測試裝置，由若干個如上所述的加速度測試盒等間距綁接在繩索上而成，加速度測試盒之間通過通氣管順次連接氣囊上的接口，最末端的加速度測試盒的底部氣囊接口封閉。使用時，只需要給最頂端的氣囊充氣，下面的氣囊就可以通過連接氣管充氣。
一種使用上述測試裝置的基於多點測試的樁基承載力動態測試方法，包括如下步驟：
步驟1、測試前安裝加速度測試盒：
1-1.根據樁身長度情況，將樁分為等長度的n段；將n個加速度測試盒等間距綁接，加速度傳感器間距為樁段長度l＝L/n，L為樁長；
1-2.在樁身預留的測斜管下放加速度測試盒至整根樁身，以第i個傳感器為中心的樁段標為第i段；通過通氣管給傳感器氣囊充氣，使摩擦墊緊貼測斜管管壁；
1-3.樁頂安裝電渦流位移傳感器，用水準儀測出初始樁頂水平高度H1；
步驟2、用安裝有加速傳感器的重錘錘擊樁頂，測出埋設於樁身的每個加速度傳感器的數據，記錄樁頂安裝的電渦流位移傳感器的數據，用水準儀測出錘擊後樁頂水平高度H2：
2-1.用重錘距離樁頂足夠高度處落下，使得樁身發生沉降從而達到自身的極限承載力；此時重錘上安裝的加速度傳感器測得的加速度數據時程為a0(t)，樁身各個加速度測試盒測得的數據為a1(t)，…，ai-1(t)，ai(t)，ai+1(t)，…，an(t)；對ai(t)積分得到速度時程vi(t)，對vi(t)積分得到位移時程ui(t)；t為時間；
2-2.校核樁頂單元積分所得位移時程u1(t)與電渦流位移傳感器實測位移時程及水準儀實測樁頂位移H2-H1，如果三者相差超過閾值，則重新錘擊；
步驟3、處理上述得到的加速度傳感器的數據，得到樁身每個質點的傳遞函數；
3-1.對於第i樁段，其動力平衡方程可以表示為：
Fim(t)+Fid(t)+Fis(t)＝Fi(t)
Fim(t)表示由加速度引起的慣性力，有Fim(t)＝miai(t)，mi為第i樁段的質量；
Fid(t)表示樁周土的阻尼力，有ηi為第i樁段樁周土阻尼係數；αi為阻尼指數；對於第n樁段，Fnd(t)中包括樁底土的阻尼力；
Fis(t)表示樁周土的靜回復力，有為第i段樁周土側摩阻力係數；對於第n樁段，Fns(t)中包括樁底土的靜回復力；
Fi(t)表示相鄰樁段對該樁段的作用合力，且有Fi(t)＝Fi上(t)-Fi下(t)；
第i樁段頂部的軸力為
第i樁段底部的軸力為
式中：E表示樁身材料的彈性模量，A表示樁身橫截面積，εi上(t)和εi下(t)表示樁段頂部和底部的應變；但對於第n樁段，Fn(t)＝Fn上(t)；對於第1樁段，樁頂的力由下式計算：
F1上(t)＝mha0(t)+mhg
式中：mh為重錘的質量，g為重力加速度；
3-2.在第i個樁段的加速度時程曲線ai(t)上等間距取m個點:t1，t2，…，tj，…，tm，對應的加速度為ai(t1)，ai(t2)，…，ai(tj)，…，ai(tm)；時間間隔應該足夠小，使得前三個時間點所對應的系統的變形處於線性狀態，即為常數，記為kic。
3-3.ηi，kic和αi的值由下式計算得到：
Ai1＝Fi上(t1)-Fi下(t1)-miai(t1)
Ai2＝Fi上(t2)-Fi下(t2)-miai(t2)
Ai3＝Fi上(t3)-Fi下(t3)-miai(t3)
3-4.對於第i樁段的第j組數據ai(tj)、vi(tj)、ui(tj)、Fi上(tj)、Fi下(tj)，根據第i樁段的動力平衡方程可以得到
至此，得到每一樁段的樁周土的靜回復力Fis(t)與位移ui(t)的關係，即傳遞函數；
步驟4、根據每一樁段的傳遞函數，結合荷載傳遞法，得到整個樁身的荷載位移曲線，進而確定整根樁的極限承載力。
作為優選，完成測試後，給氣囊放氣，回收加速度測試盒。
本發明的有益效果如下：
一、確定極限承載力的過程中，所有參數都可以通過測試得到的數據計算而來，沒有不確定的參數，避免了結果的多樣性；二、加速度測試盒在使用後可以回收，降低了測試的成本；
附圖說明
圖1是錘擊測試前樁身的加速度測試盒安裝示意圖。
圖2是加速度測試盒的示意圖。
圖3是錘擊過程示意圖(其中虛線表示撞擊狀態)。
圖中：樁身1、第i樁段1(i)(i＝1,2，…，n)、第i個加速度測試盒2(i)(i＝1,2，…，n)、第i個加速度測試盒的摩擦墊2(i)a、第i個加速度測試盒的加速度傳感器2(i)b、第i個加速度測試盒的外殼2(i)c、第i個加速度測試盒的氣囊2(i)d、第i個加速度測試盒的導線2(i)e、第i個加速度測試盒的氣管2(i)f、重錘3、重錘上的加速度傳感器4、緩衝層5、金屬片6、電渦流位移傳感器7、基準梁8和水準儀9。
具體實施方式
下面結合附圖和實施步驟對本發明進一步說明。
如圖1所示，樁長為L，根據樁長將樁身1分為n段，每段長度為l＝L/n。樁身1內設置有測斜管，導線2上等間距綁有共n個結構相同的加速度測試盒。下面以第i個加速度測試盒為例對其結構進行說明。如圖2所示，加速度測試盒的外殼2(i)c內安裝有加速度傳感器2(i)b，導線2(i)e連接著加速度傳感器2(i)b，外殼2(i)c一側貼有摩擦墊2(i)a，另一側安裝有氣囊2(i)d，氣囊2(i)d上下部均設有連通氣囊內腔的接口。加速度測試盒之間通過通氣管順次連接氣囊上的接口，最末端的加速度測試盒的底部氣囊接口封閉。使用時，給最頂端的氣囊充氣，下面的氣囊就可以通過連接氣管充氣。氣囊膨脹後，擠壓外殼2(i)c，摩擦墊2(i)a貼測斜管管壁，實現加速度測試盒的固定。
樁頂一側安裝一個金屬片6，金屬片上方通過基準梁8連接有電渦流位移傳感器7。樁身1另一側安裝水準儀9。樁基承載力動態測試時，如圖3所示，需要用一個重錘3撞擊樁頂。重錘3側面也固定一個加速度傳感器4，其撞擊面上設置緩衝層5。
採用該裝置的基於多點測試的樁基承載力動態測試方法，具體包括如下步驟：
步驟1、測試前安裝加速度測試盒：
1-1.將加速度測試盒等間距綁接，加速度傳感器間距為l＝L/n。第i-1個氣囊2(i-1)d與第i個氣囊2(i)d之間用氣管2(i)f連接。
1-2.下放傳感器測試盒2(i)(i＝1,2，…，n)至整個樁身，如圖1所示。給第1個加速度測試盒的氣囊2(1)d充氣，使之緊貼測斜管管壁，氣體通過氣管2(i)f使得每個加速度測試盒的氣囊2(i)d(i＝2，…，n)也膨脹，這樣使每一個傳感器測試盒2(i)都與相應的樁段1(i)同步運動。
1-3.樁頂安裝電渦流位移傳感器測量位移時程。撞擊前用水準儀測出初始樁頂水平高度H1；
步驟2、用安裝有加速傳感器4的重錘3錘擊樁頂，測出埋設於樁身的每個加速度測試盒2(i)(i＝1,2，…，n)的數據。記錄電渦流位移傳感器7的數據。用水準儀9測出錘擊後樁頂水平高度H2。
2-1.讓重錘3距離樁頂足夠高度h處落下，使得樁身發生足夠大的沉降從而達到自身的極限承載力。重錘3上安裝的加速度傳感器4測得的數據為a0(t)。各個加速度測試盒2(i)(i＝1,2，…，n)的加速度數據時程為a1(t)，…，ai-1(t)，ai(t)，ai+1(t)，…，an(t)。對ai(t)積分可得到速度時程vi(t)。對vi(t)積分可得到位移時程ui(t)。
2-2.校核樁頂單元積分所得位移u1(t)與電渦流位移傳感器7實測位移時程及水準儀9實測樁頂位移H2-H1，如果三者相差過大，超過一定閾值時，則需要重新錘擊。
步驟3、處理上述得到的樁身加速度傳感器的數據，得到樁身每個質點的傳遞函數。
3-1.對於第i樁段，其動力平衡方程可以表示為：
Fim(t)+Fid(t)+Fis(t)＝Fi(t)
Fim(t)：
Fim(t)表示由加速度引起的慣性力，有Fim(t)＝miai(t)，mi為第i樁段的質量。
Fid(t)：
Fid(t)表示樁周土的阻尼力，有ηi為第i樁段樁周土阻尼係數，對每一樁段而言ηi為常數。αi為阻尼指數。對於第n樁段，Fnd(t)也包括了樁底土的阻尼力。
Fis(t)：
Fis(t)表示樁周土的靜回復力，有為第i段樁周土側摩阻力係數，它是關於ui(t)的變量，在ui(t)較小時，樁土系統變形較小，為常數，當ui(t)較大時，樁土系統變形進入非線性階段，此時與ui(t)呈非線性關係。可由後續步驟3-4中的公式計算得到。對於第n樁段，Fns(t)也包括了樁底土的靜回復力。
Fi(t)表示相鄰樁段對其的作用合力，且有Fi(t)＝Fi上(t)-Fi下(t)。
第i樁段頂部的軸力為
第i樁段底部的軸力為
式中：E表示樁身材料的彈性模量，A表示樁身橫截面積，εi上(t)和εi下(t)表示樁段頂部和底部的應變。對於第n樁段，不存在Fn下(t)這一項，Fn(t)＝Fn上(t)，其實，此時Fn下(t)為樁底土對其的作用力，它已經包括在Fnd(t)和Fns(t)之中。對於第1樁段，樁頂的力由下式計算：
F1上(t)＝mha0(t)+mhg
式中：mh為重錘的質量，g為重力加速度。
3-2.在第i個樁段的加速度時程曲線ai(t)上等間距取m個點:t1，t2，…，tj，…，tm，對應的加速度為ai(t1)，ai(t2)，…，ai(tj)，…，ai(tm)。時間間隔應該足夠小，使得前三個時間點所對應的系統的變形處於線性狀態，即為常數，記為kic。
3-3.ηi，kic和αi的值由下式計算得到：
Ai1＝Fi上(t1)-Fi下(t1)-miai(t1)
Ai2＝Fi上(t2)-Fi下(t2)-miai(t2)
Ai3＝Fi上(t3)-Fi下(t3)-miai(t3)
3-4.對於第i樁段的第j組(即tj時刻)數據ai(tj)、vi(tj)、ui(tj)、Fi上(tj)、Fi下(tj)，根據第i樁段的動力平衡方程可以得到
至此，可以得到每一樁段的樁周土的靜回復力Fis(t)與位移ui(t)的關係，即傳遞函數。
步驟4、根據每一樁段的傳遞函數，結合荷載傳遞法，就可以得到整個樁身的荷載位移曲線，進而就可以根據相關規範確定整根樁的極限承載力。
步驟5、給氣囊2(i)d放氣，提升導線2(i)e回收加速度測試盒2(i)。