几种桩身内力测试方法的比较

孙庆安 湛川 张磊

0 引言

钻孔灌注桩有承载力大、施工噪声低、对相邻建筑影响小、施工安全性好等诸多优点,但质量控制直观性差,施工工艺较为复杂,水下混凝土施工要求严格,易出现孔底沉渣、夹泥、缩颈、离析等缺陷。因此工程上对桩主要性能监测的要求较高。

1 钻孔灌注桩的结构特点及力学分析,灌注桩抗压试验目的

桩的力学分析主要包括桩基极限承载力、Q—s曲线、轴力、侧阻应力和端阻应力的力学分析,以及桩身缺陷的力学反演分析等。试验目的是通过对试桩桩身应变测试及分析工作,以便确定垂直静载条件下,各级荷载时摩阻力沿桩身分布曲线以及各级荷载下总摩阻力和端阻力的比值,并评价桩身质量。具体来讲,进行钻孔灌注桩的抗压试验有以下几个方面的工程意义:

1)为设计提供合理的单桩承载能力,《建筑桩基检测技术规范》规定,“单桩的竖向承载力宜通过现场静载荷试验确定,在统一条件下桩数量不宜少于总桩数的1%,并不少于3根”。2)检验施工工艺是否能够满足工程要求。3)反分析桩与地基相互作用条件下的地基承载力。4)反分析桩的工程质量。

2 常用的测量方法

2.1 钢筋计法

目前我国对桩身的应力应变检测一般采用钢筋计。钢筋计根据地层结构埋设于桩身主筋上,监测桩身某一截面和桩底的应力应变。这种测试方法其优点是原理简单,测试元件易于安装,成本相对较低,在我国得到了普遍的应用。但同时具有以下缺点:

1)探头和介质之间无法做到理想匹配,电测元件易产生零点漂移,实测结果与实际结果误差较大;2)钢筋计靠焊接依附于桩身与桩底,同时信号线的埋设以及成桩等过程都将直接影响钢筋计的成活率,对测试结果的可靠性和精度直接造成影响。

2.2 滑动测微计法

滑动测微计法是一种新的桩身应力应变测试方法。采用滑动测微计进行静载试桩内力监测,其测试精度及连续性将大大优于传统钢筋计。相对于传统试桩中的钢筋计等点法固定式仪器及多点伸长计而言,滑动测微计具有如下优点:连续地测定整个桩身轴线上所有各点轴线方向各级荷载下的应变,任何部位微小变形都反映在测值中。传统方法(如钢筋计)只能测定点的应变,两点之间的变形只能推断。简单可靠,能有效地修正零点漂移,特别适用于长期观测。传统钢筋计方法测点有限、成活率低、零点漂移无法修正。与传统的多点伸长计比较,具测点多、精度高的优势,并且填补了多点伸长计不适用于爆破开挖区测试的缺陷。提供静力试桩所需的摩阻力、端阻力等参数,各级荷载下摩阻力随不同深度变化的连续分布曲线,摩阻力与端阻力随荷载变化的增长曲线。全面评估混凝土质量、确定等级,计算桩身平均弹性模量及其随荷载水平的变化规律。

该方法也存在以下不足:实测应变值不能直接用于摩阻力和端阻力的计算,必须对其进行平滑处理,增加了人为因素。

2.3 光栅传感器法

光栅传感器法不仅具有光纤监测的一般优点,它还有以下主要特点:1)技术成熟、可靠性高。2)光纤光栅应变传感器在几百个微应变范围内反复拉压,经过2 000万次疲劳试验,零偏值仅变化三四个微应变。3)实践中光纤光栅传感器可在0.5 MPa水压中正常工作3个月以上,理论上的适用范围更广。4)光纤光栅传感器的引出光缆可以选用具有优异机械性能的全介质自承式光缆或铠装光缆。

FBG传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势,主要包括:1)可靠性好、抗干扰能力强。由于光纤光栅对被测信息用波长编码,不受光源功率波动和光纤弯曲等因素引起的系统损耗的影响。2)测量精度高。精确的透射和反射特征(小误差)使其更加准确的反映了应力和温度的变化。3)单路光纤上可以制作多个光栅的能力,可以对大型工程进行分布式测量,其测量点多,测量范围大。4)传感头结构简单、尺寸小,适于各种应用场合,尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。5)抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的化学环境下工作。6)测量精度高且具有准确的测点空间定位能力。7)系统安装及长期使用过程中无需定标。

由于体积很小,对桩身的实际应力分布没有影响,既可以对试桩进行监测,也可以对承载桩进行监测。当前,光纤光栅传感器被普遍认为是实现“光纤灵巧结构”“光纤机敏材料”的理想器件。由于光栅外面有铠装设备,它适合在现浇混凝土中应用。由此看出,用光栅传感器测量得到的结果规律性很好,传感器在强冲击等恶劣环境下仍然能够正常工作。用光栅传感器测量的费用与要求的精度有直接的关系,理论上它可以精确测量出任意截面的应力分布,要达到与滑动测微计相同的精度,大约3万元/10 m。

3 结语

1)钢筋计这种方法的主要缺点在于其传感器的成活率低,误差大。2)滑动测微计法的优点是:连续测量、精度较高、可长期观测。3)分布式光纤传感技术和光栅传感器测量技术都是以光信号作为载体,具有抗干扰能力强、体积小、精度高、可长期测量等优点。分布式光纤的缺点是测量光纤没有保护装置,并且受到测量原理的限制,安装保护装置也比较困难,光纤是由SiO2材料制成的,在施工过程中极易被碰断,造成数据丢失,另外在测量距离与监测结果的数据配准方面也有一些问题。对比之下,光栅传感器除了具有光传感器的一般优点外,还有铠装保护装置,技术成熟、可靠性高,比较适合在现浇混凝土工程中应用,与其他灌注桩性能监测方法相比,该技术的性价比较高。

因此当桩基地层结构简单,通过对桩身有限点的应变测试,即可实现对桩身的应变测试及分析工作,以便确定垂直静载条件下,各级荷载时摩阻力与端阻力沿桩身分布曲线,并评价桩身质量,可以优化设计并为设计提供单桩极限承载能力。

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