一种微型钢管桩桩身应力测试方法技术

一种微型钢管桩桩身应力测试方法，本发明专利技术属于岩土工程原位试验技术领域，特别涉及一种微型钢管桩应力测试方法，当自补偿式微型光纤光栅应变传感器受到拉力或者压力作用时，传感器的伸长或压缩使光纤光栅周期发生变化，进而改变光纤光栅应变传感器的有效折射率，从而得到微型钢管桩在水土压力作用下的弯曲应力分布；其测试工艺简单，测量精度高，灵敏度高，误差小，抗电磁场干扰能力强，成活率高，易于实现准分布式和自动化监测。

A test method for the stress of micro steel pipe pile body

A kind of micro steel pipe pile stress test method, the invention belongs to the technical field of in-situ test of geotechnical engineering, in particular to stress test method for micro steel pipe pile, when the micro self compensating fiber grating strain sensor by force or pressure sensor, the extension or compression of the fiber grating period changes, and change the effective refractive index of fiber Bragg grating strain sensor, obtained in water and soil pressure under the action of bending stress distribution of micro steel pipe pile; the testing process is simple, high accuracy, high sensitivity, small error, anti electromagnetic interference ability, high survival rate, easy to realize quasi distributed monitoring and automation.

【技术实现步骤摘要】
一种微型钢管桩桩身应力测试方法
：本专利技术属于岩土工程原位试验
，特别涉及一种基坑或边坡支护中微型钢管桩应力测试方法，弥补并改进了目前测试装置和测试方法的不足，通过沿微型钢管桩桩身埋设自补偿式微型光纤光栅应变传感器串能更准确地得出微型钢管桩在水土压力作用下的桩身弯曲应力分布规律，为以后更加深入的研究和实际工程提供了一定的参考价值。
技术介绍
：微型桩是以树根桩为基础发展起来的一种小直径桩，桩径一般为90～300mm。而微型钢管桩是指采用钢管作为加强体的一类微型桩。由于微型钢管桩具有地层适应性强、承载力高、布置形式更灵活、施工占用场地小、重量轻、成孔快、施工机械小型化以及可进行超前支护等诸多优点，近年来在基坑支护和边坡加固等工程中得到广泛应用，特别是在土岩复合地层中配合锚杆(索)使用，形成一种新型支护型式。在基坑开挖过程中，微型钢管桩在水土压力作用下发生弯曲变形，将产生较大的弯曲应力，为有效验证微型钢管桩的受力作用，保证施工安全和工程质量，并为设计提供数据，有必要在基坑开挖过程中对微型钢管桩弯曲应力进行实时监测，确保钢管桩受力满足安全要求。传统的电测技术大多采用在桩身外壁粘贴应变片的方法，测试结果受环境的影响较大，实际受力结果与测试结果存在一定误差，且受现场施工震动和开挖过程中机械的扰动影响应变片的成活率不高，导致测试数据缺失。光纤光栅传感技术是伴随着光纤通信技术和纤维光学的发展而产生的一种新型光电子学技术，光纤光栅应变传感器可通过布拉格反射波长的移动来感应外界细微应变变化，从而实现在线测量结构应力，是一种性能优良的敏感元件，与传统的电测技术相比，具有稳定性好、耐腐蚀、抗电磁干扰、准分布测量、体积小、结构简单、精度高、能够进行实时监测等特点。由于光纤纤细和软弱，对传感器和传输光纤必须进行细致安装，光纤传感原位监测成败的关键在于如何在现场施工环境中实现传感器的埋设定位并保证其存活率。中国专利201320628409.9公开了一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试装置，高强预应力混凝土管桩内切割制有浅槽，光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆按准分布式熔接串联，串联的光纤Bragg光栅传感器和铠装光缆植入高强预应力混凝土管桩的浅槽内并用环氧树脂混合液进行封装保护，光纤Bragg光栅传感器在高强预应力混凝土管桩的位置根据需要测试的土层标高进行布设；高强预应力混凝土管桩的顶部内侧开制有桩身钻孔，铠装光缆通过桩身钻孔引出与数据采集系统连通；其装置结构简单，操作方便，测量精度高，灵敏度高，抗电磁场干扰能力强，成活率高，与传统测力元件相比易于实现准分布式和自动化监测，但是该测试装置主要针对软弱地层中的预应力高强度混凝土管桩，埋置的光纤Bragg光栅传感器串一旦有一个失效会对测试过程造成较大的影响，甚至会造成传感器串全部失效；另外桩身开槽会对桩的强度造成一定的影响，再者测试过程中未能剔除由温度引起的桩身应变变化以致于影响测试结果的准确性。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求一种能够准确、实时测量微型钢管桩桩身应力的方法，当自补偿式微型光纤光栅应变传感器受到拉力或者压力作用时，传感器的伸长或压缩使光纤光栅周期发生变化，进而改变光纤光栅应变传感器的有效折射率，从而得到微型钢管桩在水土压力作用下的弯曲应力分布。为了实现上述目的，本专利技术采用微型钢管桩桩身应力测试装置实现，其具体工艺过程为：(1)根据微型钢管桩待测断面的设计要求，确定出温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串中各传感器的间距，将温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串联成准分布式的温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串，各温度自补偿式微型光纤光栅应变传感之间的光纤以及引出底面的光纤全部用铠装导线进行保护；(2)温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串在微型钢管桩安装之前，先接通光纤光栅传感分析仪与数据存储电脑，一方面检查光纤是否折断，另一方面检验温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器是否失效；(3)根据温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串在微型钢管桩中的安装位置，在微型钢管桩外壁用粉笔画出传感器安装孔的位置和大小，以火焰切割的方式在微型钢管桩成孔，传感器安装孔的形心截面尽量与每一个温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器的形心截面重合，待微型钢管桩冷却后，用砂纸对微型钢管桩内壁安装温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的位置进行打磨；(4)将两串温度自补偿式微型光纤光栅传感器串从微型钢管桩的端部顺入微型钢管桩的内部，通过传感器安装孔将两串温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串对称焊接在微型钢管桩的内壁，焊接完成后接通光纤光栅传感分析仪与数据存储电脑，检验温度自补偿式光纤光栅应变传感器串的成活率使其不得低于90％，若温度自补偿式光纤光栅应变传感器串的成活率低于90％，需要拆除损坏的传感器进行重新安装，检验完成后将孔洞切除板焊接在微型钢管桩表面将传感器安装孔完全遮盖，确保焊缝质量，温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的线头(每个温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串个线头，一端损坏可由另一端测试，)通过微型钢管桩顶部的引线孔引出；(5)在施工场地确定微型钢管桩的施工部位，采用潜孔成孔，清孔，孔径略大于微型钢管桩的直径；将带有温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的微型钢管桩放入钻好的孔内，要保证其中一串温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串位于基坑开挖面，另一串位于临土面，若微型钢管桩不能靠其自重放入钻孔内，采用小型挖机将微型钢管桩轻轻打入预定的标高，在微型钢管桩施工过程中要注意保护温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串和铠装导线端头的法兰盘；(6)将注浆管插入微型钢管桩的底部，将拌好的水泥浆通过注浆机缓缓注入微型钢管桩内，水泥浆的水灰比严格控制在0.45～0.5，注浆过程中要时刻注意注浆管上的压力表，确保注浆压力达到0.5MPa，注浆后暂不拔注浆管，直至水泥浆从微型钢管桩外流出为止，拔出注浆管，密封钢管端部，加压5分钟，待水泥浆再次从钢管外流出为止，若一次注浆难以满足既定的冲盈系数的要求，需要多次间隙注浆，直至微型钢管桩桩顶翻浆为止，然后拔出注浆管，完成注浆作业，注浆过程中要确保铠装导线端头的法兰盘不要有浆液进入；(7)将温度自补偿式光纤光栅应变传感器串、光纤光栅传感分析仪及数据存储电脑接通，检测温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的成活率；(8)基坑开挖之前，待注浆后的微型钢管桩内的水泥浆养护28天或水泥浆的抗压强度达到设计强度的75％后，将温度自补偿式光纤光栅应变传感器串、光纤光栅传感分析仪及数据存储电脑接通，检查测试装置连接是否完好，并记录温度自补偿式光纤光栅应变传感器串初始波长；(9)基坑开挖过程中，用光纤光栅传感分析仪及数据存储电脑实时记录温度自补偿式微型光纤光栅传感器串的波长，利用公式(1)、(2)、(3)可求得求得微型钢管桩的待测断面的桩身弯曲应力，Δεx＝Δλε/Kε(1)σi＝EsΔεx(2)Mi＝σiW(3)其中Δεx为微型钢管桩的轴向应变变化量；Δλε为中心波长变化量，单位nm；Kε为传感器应变灵敏系数；σi为任一测试断面微型钢管桩轴线处的弯曲应力，其数值等于基坑临土面与开挖面应力差值的一半，单位MPa；Es为微型钢管桩的弹性模量，单位MP本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微型钢管桩桩身应力测试方法，其特征在于采用微型钢管桩桩身应力测试装置实现，其具体工艺过程为：(1)根据微型钢管桩待测断面的设计要求，确定出温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串中各传感器的间距，将温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串联成准分布式的温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串，各温度自补偿式微型光纤光栅应变传感之间的光纤以及引出底面的光纤全部用铠装导线进行保护；(2)温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串在微型钢管桩安装之前，先接通光纤光栅传感分析仪与数据存储电脑，一方面检查光纤是否折断，另一方面检验温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器是否失效；(3)根据温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串在微型钢管桩中的安装位置，在微型钢管桩外壁用粉笔画出传感器安装孔的位置和大小，以火焰切割的方式在微型钢管桩成孔，传感器安装孔的形心截面尽量与每一个温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器的形心截面重合，待微型钢管桩冷却后，用砂纸对微型钢管桩内壁安装温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的位置进行打磨；(4)将两串温度自补偿式微型光纤光栅传感器串从微型钢管桩的端部顺入微型钢管桩的内部，通过传感器安装孔将两串温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串对称焊接在微型钢管桩的内壁，焊接完成后接通光纤光栅传感分析仪与数据存储电脑，检验温度自补偿式光纤光栅应变传感器串的成活率使其不得低于90％，若温度自补偿式光纤光栅应变传感器串的成活率低于90％，需要拆除损坏的传感器进行重新安装，检验完成后将孔洞切除板焊接在微型钢管桩表面将传感器安装孔完全遮盖，确保焊缝质量，温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的线头通过微型钢管桩顶部的引线孔引出；(5)在施工场地确定微型钢管桩的施工部位，采用潜孔成孔，清孔，孔径略大于微型钢管桩的直径；将带有温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的微型钢管桩放入钻好的孔内，要保证其中一串温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串位于基坑开挖面，另一串位于临土面，若微型钢管桩不能靠其自重放入钻孔内，采用小型挖机将微型钢管桩轻轻打入预定的标高，在微型钢管桩施工过程中要注意保护温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串和铠装导线端头的法兰盘；(6)将注浆管插入微型钢管桩的底部，将拌好的水泥浆通过注浆机缓缓注入微型钢管桩内，水泥浆的水灰比严格控制在0.45～0.5，注浆过程中要时刻注意注浆管上的压力表，确保注浆压力达到0.5MPa，注浆后暂不拔注浆管，直至水泥浆从微型钢管桩外流出为止，拔出注浆管，密封钢管端部，加压5分钟，待水泥浆再次从钢管外流出为止，若一次注浆难以满足既定的冲盈系数的要求，需要多次间隙注浆，直至微型钢管桩桩顶翻浆为止，然后拔出注浆管，完成注浆作业，注浆过程中要确保铠装导线端头的法兰盘不要有浆液进入；(7)将温度自补偿式光纤光栅应变传感器串、光纤光栅传感分析仪及数据存储电脑接通，检测温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的成活率；(8)基坑开挖之前，待注浆后的微型钢管桩内的水泥浆养护28天或水泥浆的抗压强度达到设计强度的75％后，将温度自补偿式光纤光栅应变传感器串、光纤光栅传感分析仪及数据存储电脑接通，检查测试装置连接是否完好，并记录温度自补偿式光纤光栅应变传感器串初始波长；(9)基坑开挖过程中，用光纤光栅传感分析仪及数据存储电脑实时记录温度自补偿式微型光纤光栅传感器串的波长，利用公式(1)、(2)、(3)可求得求得微型钢管桩的待测断面的桩身弯曲应力，Δεx＝Δλε/Kε        (1)σi＝EsΔεx          (2)Mi＝σiW           (3)其中Δεx为微型钢管桩的轴向应变变化量；Δλε为中心波长变化量，单位nm；Kε为传感器应变灵敏系数；σi为任一测试断面微型钢管桩轴线处的弯曲应力，其数值等于基坑临土面与开挖面应力差值的一半，单位MPa；Es为微型钢管桩的弹性模量，单位MPa；Mi为任一测试断面微型钢管桩的弯矩，单位kN·m；W为微型钢管桩的弯曲截面系数，单位mm...

【技术特征摘要】
1.一种微型钢管桩桩身应力测试方法，其特征在于采用微型钢管桩桩身应力测试装置实现，其具体工艺过程为：(1)根据微型钢管桩待测断面的设计要求，确定出温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串中各传感器的间距，将温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串联成准分布式的温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串，各温度自补偿式微型光纤光栅应变传感之间的光纤以及引出底面的光纤全部用铠装导线进行保护；(2)温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串在微型钢管桩安装之前，先接通光纤光栅传感分析仪与数据存储电脑，一方面检查光纤是否折断，另一方面检验温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器是否失效；(3)根据温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串在微型钢管桩中的安装位置，在微型钢管桩外壁用粉笔画出传感器安装孔的位置和大小，以火焰切割的方式在微型钢管桩成孔，传感器安装孔的形心截面尽量与每一个温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器的形心截面重合，待微型钢管桩冷却后，用砂纸对微型钢管桩内壁安装温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的位置进行打磨；(4)将两串温度自补偿式微型光纤光栅传感器串从微型钢管桩的端部顺入微型钢管桩的内部，通过传感器安装孔将两串温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串对称焊接在微型钢管桩的内壁，焊接完成后接通光纤光栅传感分析仪与数据存储电脑，检验温度自补偿式光纤光栅应变传感器串的成活率使其不得低于90％，若温度自补偿式光纤光栅应变传感器串的成活率低于90％，需要拆除损坏的传感器进行重新安装，检验完成后将孔洞切除板焊接在微型钢管桩表面将传感器安装孔完全遮盖，确保焊缝质量，温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的线头通过微型钢管桩顶部的引线孔引出；(5)在施工场地确定微型钢管桩的施工部位，采用潜孔成孔，清孔，孔径略大于微型钢管桩的直径；将带有温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串的微型钢管桩放入钻好的孔内，要保证其中一串温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串位于基坑开挖面，另一串位于临土面，若微型钢管桩不能靠其自重放入钻孔内，采用小型挖机将微型钢管桩轻轻打入预定的标高，在微型钢管桩施工过程中要注意保护温度自补偿式微型光纤光栅应变传感器串和铠装导线端头的法兰盘；(6)将注浆管插入微型钢管桩的底部，将拌好的水泥浆通过注浆机缓缓注入微型钢管桩内，水泥浆的水灰比严格控制在0.45～0.5，注浆过程中要时刻注意注浆管上的压力表，确保注浆压力达到0.5MPa，注浆后暂不拔注浆管，直至水泥浆从微型钢管桩外流出为止，拔出注浆管，密封钢管端部，加压5分钟，待水泥浆再次从钢管外流出为止，若一次注浆难以满足既定的冲盈系数的要求，需要多次间隙注浆，直至微型钢管桩桩顶翻浆为止，然后拔出注浆管，完成注浆作业，注浆过程中要确保铠装导线端头的法兰盘不要有浆液进入；(7)将温度自补偿式光纤光...

【专利技术属性】
技术研发人员：张明义，白晓宇，黄凯，王永洪，陈小钰，牟洋洋，桑松魁，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37