一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置及方法

1.本发明涉及岩土工程原位试技术领域，特别涉及一种土岩二元地层钢管嵌套桩桩身内力测试装置及方法，能够有效测试土岩二元地层基坑中钢管嵌套桩上部大直径灌注桩的内力与下部内置钢管桩沿深度方向的内力。


背景技术：

2.近几年，大直径灌注桩由于具有施工时无振动、无挤土、噪音小、宜于在城市建筑物密集地区使用等优点，大直径灌注桩在基坑支护中得到较为广泛的应用。微型钢管桩支护体系因其承载性能高、场地适应性好、施工便捷和扰动小等优势，在硬岩地层得到规模化的推广应用。在特殊的土岩二元地层基坑支护工程中，大直径灌注桩常常遇到嵌入硬岩中施工困难、工效低的难题，鉴于此，基坑上部采用大直径灌注桩，下部采用内置钢管桩的复合支护形式应运而生，称为“钢管嵌套桩”。该微型钢管桩复合型支护结构，具有承载力可靠、节约材料、方便施工、造价低等诸多优势，备受土木工程界的青睐。除此之外，钢管嵌套桩还有以下优点：(1)在常规吊脚桩上进行优化，与常规吊脚桩相比较减少了预留肥槽范围。对于一般工程建设而言，常规吊脚桩肥槽外扩至少1.5m，两侧一共3m。本发明提出的钢管嵌套桩可节约空间，几乎减少一条车道的占用；(2)减少肥槽的回填、土方的开挖、腰梁和锚索的制作及拆除等工程量；(3)提前进行下部小直径钢管桩施工，后续基坑开挖过程中无须再施工锁脚梁，便捷安全。
3.为研究钢管嵌套桩复合型支护结构桩身弯矩沿深度方向的变化情况，分析其受力特点、内力分布规律以及桩-土共同作用下桩身反弯点位置，以验证钢管嵌套桩的承载机制，保证施工安全和工程质量，并为设计提供参考依据，有必要在基坑开挖过程中对钢管嵌套桩桩身应力进行实时监测，确保基坑本体和周边环境安全。现有的监测技术大多集中采用仅在钢管桩桩身粘贴应变片测量桩身应力，或仅在大直径灌注桩钢筋笼安装钢筋应力计测量桩身应力，且均未考虑温度对桩身应力产生的影响，并没有一种完整的、精确的测量钢管嵌套桩上部大直径灌注桩加下部内置钢管桩的方法，而且钢管桩内壁粘贴应变片的封口工艺大多采用点焊封口，焊接高温对应变片的存活率及其连接导线会产生较大的损坏，特别是针对上土下岩的二元地层，往往上层杂填土成孔不稳定、易坍塌，对试桩的沉桩工艺造成了较大的限制，也极大降低了传感器的存活率及连接导线的完整性。目前针对钢管嵌套桩存在一个较大的试验难点，即下部内置钢管桩桩身迎土面及背土面的准确定位，这对实测数据的准确与否具有十分重要的意义。在上述钢管嵌套桩桩身应力测试环境受监测技术、地层条件及沉桩方式限制下，需要采取合理的传感器布设方式，配合特定的沉桩工艺，设计一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置及方法显得尤为重要。
4.在现有技术中，专利cn202210821207.x公开了一种杂填土地层微型钢管桩应力测试装置及方法，将应变片的布置方式由外壁改为内壁，应变片连接导线由管内部引出，有效的提高了应变片的存活率，但封孔方式采用点焊封口，未考虑焊接高温对应变片及连接导线的损坏；专利cn201720937833.x公开了一种用于监测地铁深基坑四肢灾害的预警装置及
系统，在大直径灌注桩上安装应变计传感器，可以实时监测桩身应力，但该方式需要截断钢筋笼纵筋，对钢筋笼强度影响较大；专利cn202211482258.0公开了一种锚索应力监测装置及方法，通过在锚索钢绞线布设应变片，提出了一种可以实时监测锚索应力的方法，但应变片连接导线引线及绑扎部分不明确，且没有一种有效的钻孔沉锚的保护方法。上述装置或方法均未解决钢管嵌套桩复合型支护结构的桩身内力测试问题，仅针对钢筋笼或钢管桩部分内力的测试提出了创新，不能解决复合型支护结构的内力监测问题，且因沉桩工艺对传感器及连接导线造成的潜在损坏，以及复合型支护结构下部桩身迎土面及背土面的精准定位，温度对桩身内力产生的影响，均未提出合理的解决方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种土岩二元地层钢管嵌套桩桩身内力测试装置及方法，不仅能够对电阻应变片粘贴区域进行有效的保护，又能完成沉桩过程中下部内置钢管桩桩身迎土面(基坑非开挖侧)与背土面(基坑开挖侧)的精准定位，使得测试结果更有代表性；还能实现上部大直径灌注桩与下部内置钢管桩的实时同步测试，关键是能够剔除温度对桩身内力产生的影响，确保测试结果更准确。
6.为了实现上述目的，本发明提出如下方案：
7.一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，包括大直径灌注桩、内置钢管桩、大直径灌注桩钢筋笼纵筋、定位套管、电阻应变片、温度补偿传感器、电阻应变片传输线、电阻应变片安装孔、动态应变采集系统、数据存储电脑、桩尖和角磨机打磨部位；两根内置钢管桩对称搭接在大直径灌注桩下方构成钢管嵌套桩，大直径灌注桩选用两根对称的大直径灌注桩钢筋笼纵筋作为桩身迎土面和背土面，每根大直径灌注桩钢筋笼纵筋上设有十个用于粘贴电阻应变片的角磨机打磨部位，大直径灌注桩桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋设有两个用于粘贴温度补偿传感器的角磨机打磨部位；作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋内侧均采用铁丝绑扎有定位套管；内置钢管桩的底端焊接有桩尖，内置钢管桩表面竖向均匀设有电阻应变片安装孔，电阻应变片通过电阻应变片传输线与动态应变采集系统连接，动态应变采集系统与数据存储电脑连接，实时同步收集大直径灌注桩和内置钢管桩的应变值。
8.作为本发明的进一步技术方案，作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋上的十个角磨机打磨部位中自上而下前六个点位间距1.5m，后四个点位间距1.0m；大直径灌注桩桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋上的两个角磨机打磨部位分别与作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋上第四个和第七个角磨机打磨部位对应。
9.作为本发明的进一步技术方案，所述大直径灌注桩外侧套有钢套筒；内置钢管桩搭接在定位套管内，搭接长度为2.0m；大直径灌注桩内浇筑混凝土，并与周围土层粘结；内置钢管桩嵌岩部分通过水泥砂/浆与成孔岩石紧密粘结，内置钢管桩搭接在定位套管内壁部分通过水泥砂/浆粘结；定位套管外壁通过混凝土与大直径灌注桩浇筑为一体。
10.作为本发明的进一步技术方案，所述内置钢管桩的顶部布设有对称的迎土面吊装孔与背土面吊装孔，迎土面吊装孔与背土面吊装孔的开孔直径为3cm，并位于内置钢管桩桩顶下端5cm处；内置钢管桩上的电阻应变片安装孔间隔为1.0m，开孔截面为9cm
×
7cm的矩形，内置钢管桩上的电阻应变片安装孔处采用孔口钢管片进行封口；内置钢管桩上开设四
个间隔为1.5m的出浆孔。
11.作为本发明的进一步技术方案，所述电阻应变片、温度补偿传感器均采用型号bf120-5aa的免焊型电阻应变片，电阻应变片、温度补偿传感器的外侧均采用硅橡胶防水层、植筋胶保护层进行封装保护，大直径灌注桩钢筋笼纵筋上电阻应变片及连接电阻应变片传输线端部位置套有pvc管植筋胶模具，方便植筋胶对电阻应变片及连接电阻应变片传输线端部的涂覆工作，起防止植筋胶外流和定型的作用；温度补偿传感器通过同步监测桩身中轴线的应变值，与迎土面和背土面的桩身应变值对比，可以分析温度对桩身内力的影响，达到剔除温度对桩身内力影响的目的，确保测试结果更准确。
12.作为本发明的进一步技术方案，所述电阻应变片传输线外包裹pvc束线管，并利用绑扎带捆扎固定。
13.作为本发明的进一步技术方案，内置钢管桩上的迎土面吊装孔和背土面吊装孔均各绑扎一根钢丝和保险绳，钢丝的另一侧绑扎在吊装机的吊钩上，沉桩时人工精准控制内置钢管桩安装电阻应变片的迎土面与背土面分别朝向基坑非开挖侧和基坑开挖侧，保险绳通过绑扎带与电阻应变片传输线绑扎固定。
14.本发明还提供了一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试方法，具体过程为：
15.(1)分别安装土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置中大直径灌注桩的传感器和内置钢管桩的传感器，待大直径灌注桩内的混凝土养护完毕后，开始进行内置钢管桩的沉桩工作，首先采用潜孔钻机冲击成孔，潜孔钻机钻头伸入定位套管，从微风化岩面继续进行竖向精准下探钻孔，钻至内置钢管桩桩尖嵌岩设计标高，嵌岩设计标高满足现行规范要求，并满足内置钢管桩与定位套管的内搭接长度；钻孔孔径小于定位套管内径，大于内置钢管桩的外径，以便于施工；
16.(2)预成孔后，在内置钢管桩迎土面吊装孔和背土面吊装孔均各绑扎1根钢丝和保险绳，内置钢管桩桩身下沉过程中将两根钢丝另一侧绑扎在吊装机的吊钩上，沉桩时人工精准控制内置钢管桩安装电阻应变片的迎土面与背土面，分别朝向基坑非开挖侧和基坑开挖侧，保险绳通过绑扎带与电阻应变片传输线绑扎固定，用于沉桩过程中的牵引工作，绑扎过程中电阻应变片传输线始终保持较松弛状态，以控制沉桩过程中让保险绳受力，电阻应变片传输线始终处于不受力状态；
17.(3)内置钢管桩沉桩结束后将注浆管伸入内置钢管桩底部注入水泥砂/浆23，直至完成所有内置钢管桩和定位套管的内部注浆；
18.(4)将钢管嵌套桩所有电阻应变片传输线与动态应变采集系统连接，动态应变采集系统与数据存储电脑连接，基坑开挖之前，记录桩身微应变作为初始值，后续每次开挖按监测周期均进行数据采集，直至基坑挖至设计标高；
19.(5)基坑开挖过程中，用动态应变采集系统及数据存储电脑实时记录电阻式传感器的应变值，利用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可求得钢管嵌套桩上部大直径灌注桩和下部内置钢管桩的待测断面的桩身弯曲应力：
20.桩身受力引起的截面应变ε：
[0021][0022]
式中ε
i2
为背土面产生应变量；ε
i1
为迎土面产生应变量；
[0023]
桩身受力引起的截面应力σ：
[0024][0025]
应力应变转换关系：
[0026]
σ＝ε
×
10-6
×es
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
式中：es为钢材的弹性模量，2.06
×
105n/mm2；
[0028]
大直径灌注桩弯矩计算公式：
[0029][0030]
式中：m为测量断面的计算弯矩；d为灌注桩直径；σ1、σ2为一对传感器的应力计算值，以拉为正，压为负；io为量测断面的惯性矩；
[0031]
内置钢管桩弯矩计算公式：
[0032][0033]
式中：d为桩内径，d为桩外径,d＝d-2t。
[0034]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0035]
(1)在大直径灌注桩钢筋笼纵筋与内置钢管桩内壁粘贴电阻应变片，实时同步测试钢管嵌套桩复合型支护结构桩身内力。
[0036]
(2)大直径灌注桩与内置钢管桩桩身中轴线处均粘贴温度补偿传感器，通过监测桩身中轴线部位内力变化，剔除温度对桩身内力产生的影响，确保测试结果更准确。
[0037]
(3)试桩沉桩过程采用钢丝加保险绳牵引吊放沉桩，一方面可以实现内置钢管桩桩身迎土面朝向基坑非开挖侧和桩身背土面朝向基坑开挖侧的精准定位；另一方面可以保证沉桩过程中电阻应变片传输线不受力，防止接线部分断开。
[0038]
(4)大直径灌注桩沉桩时提前下放钢护筒，一方面能够有效防止孔壁塌孔，确保顺利沉桩；另一方面避免桩身传感器受成孔工艺影响传感器成活率。
[0039]
(5)内置钢管桩桩身提前预留出浆孔，电阻应变片安装孔采用植筋胶封口，对电阻应变片传输线和电阻应变片的损伤小，密实度好，强度高，有效降低桩身开孔对自身强度的影响。
附图说明
[0040]
图1为所述钢管嵌套桩的桩身主体正剖面图。
[0041]
图2为所述钢管嵌套桩的桩身主体俯视图。
[0042]
图3为所述一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置上部的主体结构原理示意图。
[0043]
图4为所述大直径灌注桩粘贴电阻应变片保护方式示意图。
[0044]
图5为所述一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置下部的主体结构原理示意图。
[0045]
图6为所述内置钢管桩粘贴电阻应变片保护方式示意图。
[0046]
图7为所述内置钢管桩侧立面图。
[0047]
图8为所述内置钢管桩吊放沉桩牵引详图。
[0048]
图9为所述内置钢管桩沉桩施工示意图。
具体实施方式
[0049]
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
[0050]
实施例1：
[0051]
如图1-9所示，本实施例提供一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，包括大直径灌注桩2、内置钢管桩3、大直径灌注桩钢筋笼纵筋4、定位套管5、电阻应变片6、温度补偿传感器7、电阻应变片传输线10、电阻应变片安装孔12、动态应变采集系统20、数据存储电脑21、桩尖24和角磨机打磨部位26；两根内置钢管桩3对称搭接在大直径灌注桩2下方构成钢管嵌套桩1，大直径灌注桩2选用两根对称的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4作为桩身迎土面和背土面，每根大直径灌注桩钢筋笼纵筋4上设有十个用于粘贴电阻应变片6的角磨机打磨部位26，大直径灌注桩2桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4设有两个用于粘贴温度补偿传感器7的角磨机打磨部位26；作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4内侧均采用铁丝绑扎有定位套管5；内置钢管桩3的底端焊接有桩尖24，内置钢管桩3表面竖向均匀设有电阻应变片安装孔12，电阻应变片6通过电阻应变片传输线10与动态应变采集系统20连接，动态应变采集系统与数据存储电脑21连接，实时同步收集大直径灌注桩2和内置钢管桩3的应变值。
[0052]
具体的，作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4上的十个角磨机打磨部位26中自上而下前六个点位间距1.5m，后四个点位间距1.0m；大直径灌注桩2桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4上的两个角磨机打磨部位26分别与作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4上第四个和第七个角磨机打磨部位26对应。
[0053]
具体的，所述大直径灌注桩2外侧套有钢套筒28；内置钢管桩3搭接在定位套管5内，搭接长度为2.0m；大直径灌注桩2内浇筑混凝土27，并与周围土层粘结；内置钢管桩3嵌岩部分通过水泥砂/浆23与成孔岩石紧密粘结，内置钢管桩3搭接在定位套管5内壁部分通过水泥砂/浆23粘结；定位套管5外壁通过混凝土27与大直径灌注桩2浇筑为一体。
[0054]
具体的，所述内置钢管桩3的顶部布设有对称的迎土面吊装孔15与背土面吊装孔16，迎土面吊装孔15与背土面吊装孔16的开孔直径为3cm，并位于内置钢管桩3桩顶下端5cm处；内置钢管桩3上的电阻应变片安装孔12间隔为1.0m，开孔截面为9cm
×
7cm的矩形，内置钢管桩3上的电阻应变片安装孔12处采用孔口钢管片13进行封口；内置钢管桩3上开设四个间隔为1.5m的出浆孔14。
[0055]
具体的，所述电阻应变片6、温度补偿传感器7均采用型号bf120-5aa的免焊型电阻应变片，电阻应变片6、温度补偿传感器7的外侧均采用硅橡胶防水层8、植筋胶保护层9进行封装保护，大直径灌注桩钢筋笼纵筋4上电阻应变片6及连接电阻应变片传输线10端部位置套有pvc管植筋胶模具25，方便植筋胶对电阻应变片6及连接电阻应变片传输线10端部的涂覆工作，起防止植筋胶外流和定型的作用；温度补偿传感器7通过同步监测桩身中轴线的应变值，与迎土面和背土面的桩身应变值对比，可以分析温度对桩身内力的影响，达到剔除温度对桩身内力影响的目的，确保测试结果更准确。
[0056]
具体的，所述电阻应变片传输线10外包裹pvc束线管11，并利用绑扎带22捆扎固
[0072]
大直径灌注桩部分2弯矩计算公式：
[0073][0074]
式中：m为测量断面的计算弯矩；d为灌注桩直径；σ1、σ2为一对传感器的应力计算值，以拉为正，压为负；io为量测断面的惯性矩
[0075]
内置钢管桩部分3弯矩计算公式：
[0076][0077]
式中：d为桩内径，d为桩外径,d＝d-2t。
[0078]
本实施例安装大直径灌注桩2的传感器的具体过程为：
[0079]
(1-1)根据测试方案，先选取两根对称的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4作为大直径灌注桩2的桩身迎土面和背土面，每根大直径灌注桩钢筋笼纵筋4设有十个角磨机打磨部位26，沿长度方向自上而下前六个角磨机打磨部位26的间距为1.5m，后四个角磨机打磨部位26的间距为1.0m(桩身搭接部位附近需加密电阻应变片6的布置间距)，两根大直径灌注桩钢筋笼纵筋4的打磨部位一一对应，再选取大直径灌注桩2桩身中轴线部位一根大直径灌注桩钢筋笼纵筋4设置两个角磨机打磨部位26，分别与桩身迎土面和背土面纵筋第四个和第七个点位对应，粉笔标记点位，用角磨机打磨铁锈至平整光滑；
[0080]
(1-2)在步骤(1-1)的角磨机打磨部位26测点位置用502胶水粘贴万用表检测存活的电阻应变片6(桩身中轴线部位大直径灌注桩钢筋笼纵筋4角磨机打磨部位26粘贴温度传感器7)，电阻应变片6或温度补偿传感器7的长边方向与大直径灌注桩2长度方向保持一致，电阻应变片6或温度补偿传感器7的引线端朝着大直径灌注桩2桩顶的方向；粘贴时挤出电阻应变片6或温度补偿传感器7粘贴面的气泡，待电阻应变片6或温度补偿传感器7完全固定以后进行下一步；
[0081]
(1-3)将电阻应变片传输线10的一端用胶带分别临时固定在每个测点处，方便后续接线，另一端引至大直径灌注桩2桩顶，并预留3m左右长度便于数据采集，引线过程中将线从外圈与内圈箍筋中间穿过，防止施工、沉桩过程中电阻应变片传输线10磨损，每一根电阻应变片传输线10的预留长度相同；22根电阻应变片传输线10引线完成后，在电阻应变片传输线10两端分别贴上标签，便于后续的检查电阻应变片6、温度补偿传感器7存活率和准确连接动态应变采集系统20的工作；
[0082]
(1-4)将步骤(1-3)中测点处临时固定的电阻应变片传输线10接线端的两芯铜导线的两极分别与电阻应变片6或温度补偿传感器7导线的两极相接，用电工绝缘胶带进行接线，并再次用万能表对桩顶的电阻应变片传输线10进行电阻检测，以检验电阻应变片6或温度补偿传感器7是否失效或接线端出现断路并及时更换和接线；接线完成后，在电阻应变片6或温度补偿传感器7及其导线外层均匀涂抹704硅胶，静置12小时后，使其固化形成硅橡胶防水层8，涂抹704硅胶时完全覆盖电阻应变片6或温度补偿传感器7及其导线；
[0083]
(1-5)完成步骤(1-4)后，将电阻应变片传输线10沿着大直径灌注桩钢筋笼纵筋4方向拉直，不可将其拉至紧绷状态，并用绑扎带22将电阻应变片传输线10固定在待测大直径灌注桩钢筋笼纵筋4内侧，防止后续施工、沉桩过程中电阻应变片传输线10脱落，每两个
测点之间至少绑扎固定一次；
[0084]
(1-6)硅橡胶防水层8成型以后，将直径约为45mm的pvc软管沿直径方向剪裁约15cm长度，然后沿长度方向剪开，并套在大直径灌注桩钢筋笼纵筋4的测点上形成pvc管植筋胶模具25，涂抹植筋胶前用绑扎带22在pvc管植筋胶模具25两端进行绑扎固定，防止植筋胶漏出，绑扎完成后在大直径灌注桩钢筋笼纵筋4测点处涂覆植筋胶，植筋胶完全覆盖电阻应变片6及其导线接线端，完全硬化后得到植筋胶保护层9；并用pvc束线管11将桩顶预留3m左右长度的电阻应变片传输线10进行套管保护，并在标签位置利用透明胶带进行包裹，再用塑料袋进行防水防潮处理，完成大直径灌注桩2上的传感器安装。
[0085]
本实施例安装内置钢管桩3的传感器的具体过程为：
[0086]
(1-7)大直径灌注桩2上的传感器安装结束后，借助大型吊桩机械将定位套管5置于大直径灌注桩钢筋笼内，两根定位套管5位于选取的两根迎土面和背土面粘贴传感器的大直径灌注桩钢筋笼纵筋4内侧，与桩顶上下端对齐后，用铁丝将定位套管5绑扎固定在大直径灌注桩钢筋笼纵筋4；
[0087]
(1-8)定位套管5安装完成后，进行大直径灌注桩2的沉桩工作，采用旋挖钻机预成孔，再利用振动打拔机进行钢护筒28的下放工作，后进行大直径灌注桩2的沉桩，桩身下沉过程中需控制选取的2根粘贴应变片的对称大直径灌注桩钢筋笼纵筋4作为桩身迎土面(基坑非开挖侧)和背土面(基坑开挖侧)，且注意沉桩前需将定位套管5的两端孔口位置用麻袋密封，防止在大直径灌注桩2内浇筑常规的混凝土27时发生堵塞，影响后续内置钢管桩3的施工；
[0088]
(1-9)泵送混凝土27至大直径灌注桩2内完成浇筑，静置凝固3小时后，拔出钢护筒28，此过程可在泵送混凝土27刚浇筑完成时提前拔出1m钢护筒28，有效减少后期拔出的拉拔力，达到保护电阻应变片6及电阻应变片传输线10的目的；钢护筒28拔出后，处于混凝土27养护期间，期间进行内置钢管桩3的传感器安装工作；
[0089]
(1-10)根据测试方案，确定六个电阻应变片安装孔10的开孔位置，开孔截面间距为1m，采用火焰切割方式在内置钢管桩部分3表面开设电阻应变片安装孔12，保留切割电阻应变片安装孔12得到的局部钢片(孔口钢管片13)，并用粉笔标记出电阻应变片安装孔10处桩身内壁两侧(桩身迎土面和背土面)及与桩身迎土面和背土面第4个点位对应，电阻应变片安装孔10对称的桩身中轴线侧，分别为12个电阻应变片6、1个温度补偿传感器7的粘贴位置；
[0090]
(1-11)在桩身开设迎土面吊装孔15与背土面吊装孔16，开孔直径为3cm，位于桩顶下端5cm处；用同样方式在电阻应变片安装孔12桩身对称面开4个出浆孔14，尺寸根据工程要求确定，间隔为1.5m；
[0091]
(1-12)在每个电阻应变片安装孔12两侧分别引出应变片传输线10，用铁丝绑扎电阻应变片传输线10的一端，通过电阻应变片安装孔12在内置钢管桩3内部进行引线，并将电阻应变片传输线10从内置钢管桩3桩顶处引出，并预留14.2m(内置钢管桩3桩顶至大直径灌注桩2桩顶11.2m加多预留3m便于数据采集)，每一根电阻应变片传输线10的预留长度相同，并将电阻应变片传输线10用胶带临时固定在电阻应变片安装孔12处，方便后续接线；13根电阻应变片传输线10引线完成后，在电阻应变片传输线10两端分别贴上标签，便于后续的检查电阻应变片6或温度补偿传感器7的存活率和准确连接动态应变采集系统20的工作；
[0092]
(1-13)用砂纸打磨内置钢管桩3内壁预设测点处的铁锈，用502胶将万用表检测存活的电阻应变片6或温度补偿传感器7粘贴在测点，迎土面和背土面两侧的电阻应变片6左右对称，电阻应变片6或温度补偿传感器7的长边方向与轴线方向保持一致，电阻应变片6或温度补偿传感器7的引线端须朝着桩顶方向；粘贴时要挤出电阻应变片6或温度补偿传感器7粘贴面的气泡，待电阻应变片6或温度补偿传感器7完全固定以后进行下一步操作；
[0093]
(1-14)将电阻应变片安装孔12处临时固定的电阻应变片传输线10接线端的两芯铜导线的两极分别与电阻应变片6或温度补偿传感器7导线的两极相接，用绝缘胶带进行接线，然后在桩顶引出电阻应变片传输线10接线部分多余长度，用万能表对桩顶引出的电阻应变片传输线10进行电阻检测，以检验在牵引电阻应变片传输线10的时候是否存在电阻应变片6或温度补偿传感器7失效或接线端出现断路并及时更换和接线；
[0094]
(1-15)接线完成后，在电阻应变片6或温度补偿传感器7及其导线外层均匀涂抹704硅橡胶，静置12小时后，使其固化形成硅橡胶防水层8，涂抹时须完全覆盖电阻应变片6或温度补偿传感器7及其导线；
[0095]
(1-16)待硅橡胶防水层8成型以后，用植筋胶对其外层进行厚涂，把电阻应变片6或温度补偿传感器7接线端全部覆盖，完全硬化后得到植筋胶保护层9。
[0096]
(1-17)植筋胶保护层9完全成型后，用pvc束线管11将桩端位置引出的电阻应变片传输线10进行套管保护(14.2m电阻应变片传输线10全部套管)，在标签位置利用透明胶带进行包裹，并在电阻应变片传输线10端部用塑料袋进行防水防潮处理。
[0097]
(1-18)上述所有步骤完成后，对孔口钢管片13和电阻应变片安装孔12进行植筋胶封口，降低封口工作对电阻应变片6、温度补偿传感器7、电阻应变片传输线10的损伤。

技术特征：
1.一种土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，包括大直径灌注桩、内置钢管桩、大直径灌注桩钢筋笼纵筋、定位套管、电阻应变片、温度补偿传感器、电阻应变片传输线、电阻应变片安装孔、动态应变采集系统、数据存储电脑、桩尖和角磨机打磨部位；两根内置钢管桩对称搭接在大直径灌注桩下方构成钢管嵌套桩，大直径灌注桩选用两根对称的大直径灌注桩钢筋笼纵筋作为桩身迎土面和背土面，每根大直径灌注桩钢筋笼纵筋上设有十个用于粘贴电阻应变片的角磨机打磨部位，大直径灌注桩桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋设有两个用于粘贴温度补偿传感器的角磨机打磨部位；作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋内侧均采用铁丝绑扎有定位套管；内置钢管桩的底端焊接有桩尖，内置钢管桩表面竖向均匀设有电阻应变片安装孔，安装在电阻应变片安装孔内的电阻应变片通过电阻应变片传输线与动态应变采集系统连接，动态应变采集系统与数据存储电脑连接，实时同步收集大直径灌注桩和内置钢管桩的应变值。2.根据权利要求1所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋上的十个角磨机打磨部位中自上而下前六个点位间距1.5m，后四个点位间距1.0m；大直径灌注桩桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋上的两个角磨机打磨部位分别与作为桩身迎土面和背土面的大直径灌注桩钢筋笼纵筋上第四个和第七个角磨机打磨部位对应。3.根据权利要求1所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，所述大直径灌注桩外侧套有钢套筒；内置钢管桩搭接在定位套管内，搭接长度为2.0m；大直径灌注桩内浇筑混凝土，并与周围土层粘结；内置钢管桩嵌岩部分通过水泥砂/浆与成孔岩石紧密粘结，内置钢管桩搭接在定位套管内壁部分通过水泥砂/浆粘结；定位套管外壁通过混凝土与大直径灌注桩浇筑为一体。4.根据权利要求1所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，所述内置钢管桩的顶部布设有对称的迎土面吊装孔与背土面吊装孔，迎土面吊装孔与背土面吊装孔的开孔直径为3cm，并位于内置钢管桩桩顶下端5cm处；内置钢管桩上的电阻应变片安装孔间隔为1.0m，开孔截面为9cm
×
7cm的矩形，内置钢管桩上的电阻应变片安装孔处采用孔口钢管片进行封口；内置钢管桩上开设四个间隔为1.5m的出浆孔。5.根据权利要求1所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，所述电阻应变片、温度补偿传感器均采用型号bf120-5aa的免焊型电阻应变片，电阻应变片、温度补偿传感器的外侧均采用硅橡胶防水层、植筋胶保护层进行封装保护，大直径灌注桩钢筋笼纵筋上电阻应变片及连接电阻应变片传输线端部位置套有pvc管植筋胶模具。6.根据权利要求5所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，所述电阻应变片传输线外包裹pvc束线管，并利用绑扎带捆扎固定。7.根据权利要求4所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置，其特征在于，内置钢管桩上的迎土面吊装孔和背土面吊装孔均各绑扎一根钢丝和保险绳，钢丝的另一侧绑扎在吊装机的吊钩上，保险绳通过绑扎带与电阻应变片传输线绑扎固定。8.一种采用如权利要求1-7任一项所述土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置的测试方法，其特征在于，具体过程为：(1)分别安装土岩二元地层钢管嵌套桩内力测试装置中大直径灌注桩的传感器和内置钢管桩的传感器，待大直径灌注桩内的混凝土养护完毕后，开始进行内置钢管桩的沉桩工
作，首先采用潜孔钻机冲击成孔，潜孔钻机钻头伸入定位套管，从微风化岩面继续进行竖向精准下探钻孔，钻至内置钢管桩桩尖嵌岩设计标高，嵌岩设计标高满足现行规范要求，并满足内置钢管桩与定位套管的内搭接长度；钻孔孔径小于定位套管内径，大于内置钢管桩的外径，以便于施工；(2)预成孔后，在内置钢管桩迎土面吊装孔和背土面吊装孔均各绑扎1根钢丝和保险绳，内置钢管桩桩身下沉过程中将两根钢丝另一侧绑扎在吊装机的吊钩上，沉桩时人工精准控制内置钢管桩安装电阻应变片的迎土面与背土面，分别朝向基坑非开挖侧和基坑开挖侧，保险绳通过绑扎带与电阻应变片传输线绑扎固定，用于沉桩过程中的牵引工作，绑扎过程中电阻应变片传输线始终保持较松弛状态，以控制沉桩过程中让保险绳受力，电阻应变片传输线始终处于不受力状态；(3)内置钢管桩沉桩结束后将注浆管伸入内置钢管桩底部注入水泥砂/浆23，直至完成所有内置钢管桩和定位套管的内部注浆；(4)将钢管嵌套桩所有电阻应变片传输线与动态应变采集系统连接，动态应变采集系统与数据存储电脑连接，基坑开挖之前，记录桩身微应变作为初始值，后续每次开挖按监测周期均进行数据采集，直至基坑挖至设计标高；(5)基坑开挖过程中，用动态应变采集系统及数据存储电脑实时记录电阻式传感器的应变值，利用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可求得钢管嵌套桩上部大直径灌注桩和下部内置钢管桩的待测断面的桩身弯曲应力：桩身受力引起的截面应变ε：式中ε
i2
为背土面产生应变量；ε
i1
为迎土面产生应变量；桩身受力引起的截面应力σ：应力应变转换关系：σ＝ε
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10-6
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e
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中：e
s
为钢材的弹性模量，2.06
×
105n/mm2；大直径灌注桩弯矩计算公式：式中：m为测量断面的计算弯矩；d为灌注桩直径；σ1、σ2为一对传感器的应力计算值，以拉为正，压为负；i
o
为量测断面的惯性矩；内置钢管桩弯矩计算公式：式中：d为桩内径，d为桩外径,d＝d-2t。

技术总结
本发明涉及岩土工程原位试技术领域，特别涉及一种土岩二元地层钢管嵌套桩桩身内力测试装置及方法，两根内置钢管桩对称搭接在大直径灌注桩下方构成钢管嵌套桩，大直径灌注桩桩身中线轴的大直径灌注桩钢筋笼纵筋设有用于粘贴温度补偿传感器的角磨机打磨部位；安装在电阻应变片安装孔的电阻应变片通过电阻应变片传输线与动态应变采集系统连接，动态应变采集系统与数据存储电脑连接，实时同步收集大直径灌注桩和内置钢管桩的应变值，沉桩过程采用钢丝加保险绳牵引吊放沉桩，实现内置钢管桩桩身迎土面朝向基坑非开挖侧和桩身背土面朝向基坑开挖侧的精准定位；同时保证沉桩过程中电阻应变片传输线不受力，防止接线部分断开。防止接线部分断开。防止接线部分断开。


技术研发人员：闫楠 郝增明 白晓宇 张启军 齐阳 林西伟 张鹏飞 包希吉 张明义 赵广 银吉超 孙淦
受保护的技术使用者：青岛理工大学
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/16