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桩的力学性质分析

包括极限承载力、Q-s曲线、桩身轴力、侧阻力和端阻力的分析。

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桩身内力测试目的

通过对桩身应变测试、分析，确定垂直静载条件下，各级荷载时的侧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，评价桩身质量。

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桩身内力测试方法及其优缺点

3.1 钢筋计法（主流）

测试原理

钢筋计法是根据地层结构埋设于钢筋主筋上，将其实测频率通过率定系数换算成钢筋力，求得钢筋计的应变量，根据桩体内钢筋计应变等于混凝土应变的原理，求得桩体的应变，根据第i断面的截面积等信息，进而求得第i断面处的轴力；再根据第i层、第i+1层的轴力差，层厚信息、桩身周长信息算出第i+1层的侧阻力；根据桩底的轴力，计算端阻力。

1.钢筋力

P_{i =} K（f_i - f₀）                     （3.1）

式中：

P _i  —钢筋计力（kN），P_i 为正时，钢筋计受拉力；P_i 为负时，钢筋计受压力；

K —钢筋计率定系数，由厂家检验合格证提供；

f _i  —钢筋计实测频率；

f₀ —钢筋计初始频率；

2.钢筋力应变

ε_si = P_i / E * A_s                       （3.2）

式中：

P_i —钢筋计力（kN）；

ε_si —钢筋计应变，与混凝土Ec应变相等；

E —钢筋计弹性模量，取2.0× 10 ⁵ MPa；

A_s —钢筋计截面积；

说明：P_i / A_s 为钢筋计单位面积上的受力；E 的定义是单向应力力除以力方向上的应变，显然ε_si * E = P_i / A_s ；

3.桩身第i断面处的轴力

             （3.3）

式中：

Q _i  —桩身第i断面处的轴力（kN）；

—桩身的第i断面处应变平均值，与该处的钢筋计应变均值相等；

E _ci  —桩身混凝土的弹性模量（kPa）；

A _pi  —第i断面处的桩身截面积；

4.由于各断面处的桩身轴力计算侧阻力、端阻力

            （3.4）

                       （3.5）

式中：

q _si  —桩身第i断面与第第i+1断面间的侧阻力（kPa）

Q _i  —桩身第i断面处的轴力（kN）；

U _i  —桩身的第i断面周长（m）；

L _i  —第i断面与第第i+1断面间土层厚度（m）；

A _pi  —第i断面处的桩身截面积轴力（kN）；

q _p  —桩端阻力（kPa）；

A₀ —桩端截面积（m2）；

方法优缺点

优点：测试原理简单，安装方便，成本较低；

缺点：（1）传感器与介质之间无法做到完美匹配，电测元件容易产生零点漂移且无法修正，测试结果与实际结果误差较大；

（2）钢筋计的埋设依赖于桩身和桩底，信号线缆的埋设以及成桩过程都会影响传感器存活率，对测试结果的精度以及可靠性造成影响；

（3）测点有限，定点测量，点之间的应变推断；

（4）传感器成活率较低，一般为65%左右，传感器的损坏将导致无法取得实验数据，实验效果难以保证；

（5）桩身平均弹模只是一个估算值，实际上它沿轴向变化很大，特别是现场灌注桩，而且弹模还与加载量级和速率有关。

成果输出

3.2 滑动测微计

测试原理（有规范标准）

滑动测微计其主体为一标距1ｍ、两端带有球形测头的探头，内装一个LVDT位移计和一个NTC温度计。为了测定测线上的应变和温度分布，沿测线每隔一米安置一个具有精确定位功能的锥形环，环间用HPVC管（硬塑料管）相连，测试时将滑动测微计探头放入测管中，即可依次 量测各相邻环之间的相对位移，换算成测线方向上的应变 。

图(a)、(b)为一条直线或弯曲的测线，在平面问题的前提下，当测定了所有测段的变形li、转角 α_i 及转角 α_i 变化以后，任意段的位移 u_n 、v_n

和转角 α_n 即可计算出。式中ki为曲率

图1   以多个参考点形成的测量链确定变形线；（a）直线（b）曲线

对于桩、地下连续墙以及大坝等细长型构件, 当测定了a、b两条测线上轴向应变分布后（图2, 即可算出整个构件的变形轴, 其横向变形测量精度比通用的钻孔测斜仪高一个量级

图2  通过 测点ε_a、ε_b确定平 面变形轴

使用过程中还涉及探头标定程序。 

方法优缺点

优点：（1）滑动测微计法能连续测定标距为1ｍ的桩身平均应变，分辨率高（0.001mm），能够反映桩身任何部位微小变形；

（2）滑动测微计法在桩内埋设套管和测环，用一个探头测量，简单可靠，不易损坏，而且探头可以在铟钢制标定筒内进行标定，筒体温度系数仅为2×10-6/℃，可有效地修正零点漂移，适用于长期观测;

（3）滑动测微计法所用的探头具有温度自补偿功能，温度系数小于2×10-6/℃，并且附有一个分辨率为0.1℃的温度计，可以区分温度应变及应力导致的应变；

（4）滑动测微计通过在桩身埋设两根测线，可以测定垂直加载和水平加载时的应变及应变差，利用应变差计算挠度曲线；

（5）可以得到各级荷载下摩阻力随深度变化的连续分布曲线，确定桩身平均弹性模量；

缺点：（1）实测应变值不能直接用于摩阻力和端阻力的计算，需要进行平滑处理。

3.2 光栅传感器

测试原理

当光纤沿线存在温度变化或发生轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率会产生漂移，其漂移量与光纤温度或应变的变化成正比。因此，测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量 v _B ，即可得到光纤分布范围内温度或应变的变化。

将光纤埋入桩身混凝土，加载前测初始应变；静载实验过程中，待每级荷载稳定后，采集数据数据，采集结束后施加下一级荷载。由于在竖向压力下，光纤与桩身发生协调形变，仪器测试得到的光纤的轴向应变即为桩身混凝土的轴向应变ε_Z；

光纤埋设：对于管桩，在桩身侧面划线开槽，槽规格满足光纤完整埋入，将光纤顺直埋入槽内，定点固定后用高强度胶剂封槽

桩身轴力：

           （3.6）

Q _z  —桩身轴力（kN）；

—光纤轴应变；

E _c  —桩身混凝土的弹性模量（kPa）；

A _pi  —桩身截面积（m2）；

侧摩阻力：

               （3.7）

Δε —某土层内选定的桩身两截面间轴向应变差

本质上，此处

与相似。

方法优缺点

优点：（1）技术成熟、可靠性高，抗干扰能力强；

（2）零漂值小，测量精度高；

（3）单路光纤上可制作多个光栅，可进行分布式测量，测量范围广；（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智能材料或结构。

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知识点：桩身内力测试