基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括反力架裝置，動力加載裝置，容土槽及監(jiān)測裝置。該試驗(yàn)方法是利用一套動力加載系統(tǒng)模擬多種振動波作用在基礎(chǔ)樁上，通過布設(shè)在樁基中的傳感光纖光柵測得基礎(chǔ)樁的應(yīng)力應(yīng)變變形情況。本發(fā)明將反力架裝置與容土槽澆筑在一起，保證反力傳遞的穩(wěn)定可靠；動力加載裝置可以精確控制動力試驗(yàn)過程中的加載波形和荷載；監(jiān)測裝置響應(yīng)速度快且可遠(yuǎn)程監(jiān)控，使用的傳感光纖光柵對樁身影響很小。
【專利說明】基于光纖光柵的粧基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，具體涉及一種基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有相關(guān)工程中，設(shè)計(jì)時(shí)大多沿用靜力下的樁基設(shè)計(jì)方法，很少考慮振動荷載的影響，只能以承載力作為設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)，通過大幅提高承載力作為安全儲備的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。近年來，隨著我國高速鐵路建設(shè)迅速發(fā)展，對高速鐵路的高速度、高舒適性、高安全性、高密度連續(xù)運(yùn)營等要求越來越高，這就對其下部基礎(chǔ)工程提出了更加嚴(yán)格的要求。高速列車過橋時(shí)，由于動力作用，墩身動力響應(yīng)顯著，同時(shí)在高速列車荷載作用下，其橋梁樁基必然受到影響，但目前對動載作用下橋梁樁基礎(chǔ)的動力特性研究相對較少。列車過橋時(shí)，樁的實(shí)際工作狀態(tài)是既受到靜力(恒載)作用，又受到動力作用。為了能夠在樁頂模擬恒載和交通荷載作用的靜動載，開展樁基靜動載試驗(yàn)顯得尤為重要。由于動荷載相關(guān)試驗(yàn)及理論研究的不足，目前對于動荷載下樁基承載及變形特性的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，現(xiàn)有的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐，至今還沒有令人滿意的設(shè)計(jì)方法來指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，因此很有必要針對動荷載作用下的樁基特性開展系統(tǒng)的試驗(yàn)及理論研究，加深對動荷載作用下樁基承載及變形機(jī)理的認(rèn)識。由于對振動的波形的模擬相對困難，能夠精確模擬多種波形的動力加載系統(tǒng)比較少，而且能夠高速、穩(wěn)定、精確監(jiān)測樁基在振動條件下的傳感器也比較少。為了能夠準(zhǔn)確監(jiān)測動荷載作用下樁基承載及變形情況，使得動荷載下樁基的設(shè)計(jì)更加趨于理性，安全性更好、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更為合理，開發(fā)一種能夠?qū)雍奢d作用下樁基應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的系統(tǒng)具有重要的工程實(shí)踐價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法。
[0004]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)包括:
容土槽，具有由鋼筋混凝土制成的側(cè)壁和底壁；
反力架，包括一對平行設(shè)置的門形支架，所述門形支架由槽鋼立柱和工字鋼上橫梁通過螺栓連接而成，所述一對門形支架的上橫梁中部連接有下橫梁，所述槽鋼立柱的底部嵌入容土槽的鋼筋混凝土側(cè)壁中；
動力加載裝置，包括墊板、上鉸支座、下鉸支座和動荷載施加裝置，所述墊板與上鉸支座通過螺栓固定于下橫梁的中部，所述動荷載施加裝置包括液壓千斤頂、油泵、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述上鉸支座與下鉸支座分別安裝于液壓千斤頂?shù)膬啥?，所述控制系統(tǒng)與液壓千斤頂控制連接，所述油泵接入液壓千斤頂?shù)囊簤河吐罚隼鋮s系統(tǒng)安裝于油泵上；工程樁，其樁身嵌入容土槽的土中，樁身頂部與下鉸支座固定連接，樁身表面安裝有傳感光纖，所述傳感光纖接入光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀和數(shù)據(jù)處理及保存系統(tǒng)。
[0005]使用時(shí)，上述試驗(yàn)系統(tǒng)的測試方法包括以下步驟:
O使用反力架，動力加載裝置與容土槽搭建試驗(yàn)系統(tǒng)；
2)將預(yù)制好的工程樁表面要埋設(shè)傳感光纖的位置用砂紙等打磨干凈；
3)在打磨干凈的位置用調(diào)和好的環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂抹，涂抹后靜置；
4)待涂抹的環(huán)氧樹脂充分凝固之后，用快干膠將拉直的傳感光纖固定在環(huán)氧樹脂層上，然后再用環(huán)氧樹脂將固定好的傳感光纖進(jìn)行封裝，同時(shí)記錄傳感光纖上光纖光柵的位置及長度；
5)在容土槽底部鋪設(shè)土層，再將預(yù)埋好光纖光柵的工程樁放入容土槽內(nèi)，然后在容土槽中分層布置土層到指定的位置，將工程樁的頂部與液壓千斤頂?shù)撞康你q支座連接；
6)連接動力加載裝置與千斤頂，用動力加載系統(tǒng)對工程樁進(jìn)行預(yù)壓，使樁頂與液壓千斤頂?shù)撞康你q支座緊密接觸；
7)將傳感光纖連接光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀，利用控制系統(tǒng)調(diào)整動荷載，同時(shí)記錄傳感光纖的數(shù)據(jù)。
[0006]有益效果:本發(fā)明采用的試驗(yàn)系統(tǒng)與方法，能夠可靠地監(jiān)測動荷載作用下的樁基應(yīng)力應(yīng)變。由于采用足尺寸試驗(yàn)，所加載的動荷載比原荷載要小很多，本試驗(yàn)系統(tǒng)將動力加載裝置通過高強(qiáng)螺栓固定在反力架上，動力加載裝置可以精確模擬任意荷載及波形。其中，反力架裝置采用鋼結(jié)構(gòu)，容土槽采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，通過將槽鋼澆筑在容土槽的鋼筋混凝土中形成一個(gè)整體，可以增加整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而一下橫梁連接于兩平行上橫梁的中點(diǎn)形成了工字形的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)，可以將動荷載的反作用力均勻地分散到兩個(gè)門形支架的立柱上，極大地降低了了試驗(yàn)中的動荷載施加后發(fā)生偏移或傾斜導(dǎo)致的設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。而在施加動荷載的液壓千斤頂兩端均安裝鉸支座，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測試數(shù)據(jù)的可靠性，降低了安裝與校準(zhǔn)的難度。通過控制系統(tǒng)與液壓千斤頂可以精確控制動力試驗(yàn)過程中的加載波形和荷載，模擬多種振動波作用。
[0007]傳統(tǒng)的監(jiān)測手段目前多采用電式應(yīng)變片來監(jiān)測樁身應(yīng)變，存在易受潮、受電磁干擾等不足，不能全面獲取樁身的變形特征，且在動載試驗(yàn)中容易損壞，造成監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失，無法全面反映樁身變形情況，難以實(shí)現(xiàn)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工。如果需要全面分析樁身變形特性，則要布置較多的傳感器，而傳感器引出來的導(dǎo)線過多，在實(shí)際操作過程中會很麻煩。因此采用一種方便有效的手段監(jiān)測樁的受力變形情況尤為重要。光纖布喇格光柵FBG (Fiber Bragg Grating)技術(shù)具有傳輸與傳感媒質(zhì)合二為一的特性,將具有不同柵距的FBG做在同一根光纖不同位置上，采用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力和溫度的準(zhǔn)分布式測量，使得沿光纖布設(shè)路徑上的光柵全部成為敏感元件，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量。光纖既是傳感介質(zhì)，又是傳輸通道，具有體積小、重量輕、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以被應(yīng)用于樁身動態(tài)變形的監(jiān)測。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1中工程樁的剖面圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0009]下面結(jié)合實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
[0010]本實(shí)施例的基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1和圖2所不,包括反力架，動力加載裝置與容土槽17。其中反力架包括一對平行設(shè)置的門形支架，該門形支架由槽鋼立柱15和工字鋼上橫梁I通過高強(qiáng)螺栓14連接而成，下橫梁4連接與一對上橫梁I的中部形成工字型，槽鋼立柱15的底部與容土槽17的鋼筋混凝土側(cè)壁澆筑形成一體。
[0011]動力加載裝置，包括墊板2、上鉸支座5、下鉸支座和動荷載施加裝置，墊板2與上鉸支座5通過第二高強(qiáng)螺栓3固定于下橫梁4的中部，動荷載施加裝置包括液壓千斤頂7，油泵8和冷卻系統(tǒng)9，以及控制系統(tǒng)6。上鉸支座5與下鉸支座分別安裝于液壓千斤頂7的兩端，控制系統(tǒng)6與液壓千斤頂7控制連接，油泵8接入液壓千斤頂7的液壓油路，冷卻9系統(tǒng)安裝于油泵8上。
[0012]工程樁12的樁身嵌入容土槽17的土中，樁身頂部與下鉸支座固定連接。工程樁12的表面安裝有傳感光纖13，傳感光纖13接入光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀11和數(shù)據(jù)處理及保存系統(tǒng)10。
[0013]如圖3所示，工程樁的表面的傳感光纖13封裝于環(huán)氧樹脂18中，在傳感光纖13與工程樁之間填充有環(huán)氧樹脂18，在傳感光纖13的外側(cè)也包裹環(huán)氧樹脂18。
[0014]使用時(shí)，本實(shí)施例的基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)方法包括以下步驟:
I)將反力架，動力加載裝置，容土槽及監(jiān)測裝置連接形成試驗(yàn)系統(tǒng)。其中反力架裝置采用工字型鋼和槽鋼組成，工字型鋼之間采用焊接，工字型鋼與槽鋼之間采用高強(qiáng)螺栓鉚接。槽鋼與容土槽相連，將槽鋼底部澆筑在容土槽之中。動力加載裝置由動加載控制器，動荷載施加裝置，油泵和冷卻裝置等等組成。動力加載裝置與反力架通過墊板、高強(qiáng)螺栓和上鉸支座連接。
[0015]2)將預(yù)制好的工程樁表面要埋設(shè)光纖光柵的位置用砂紙等打磨干凈。
[0016]3)在打磨干凈的位置用調(diào)和好的環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂抹，涂抹的寬度約5cm，厚度約2mm ο
[0017]4)涂抹的環(huán)氧樹脂一般要靜置24小時(shí)，待涂抹的環(huán)氧樹脂充分凝固之后，用快干膠將拉直的傳感光纖固定在環(huán)氧樹脂層上，然后再用環(huán)氧樹脂將固定好的傳感光纖進(jìn)行封裝，同時(shí)記錄傳感光纖上光纖光柵的位置及長度，以便用于監(jiān)測分析；
5)在容土槽底部鋪設(shè)土層，再將預(yù)埋好光纖光柵的工程樁放入容土槽內(nèi)，然后在容土槽中分層布置土層到指定的位置，將工程樁的頂部與液壓千斤頂?shù)撞康你q支座連接；
6)將動荷載施加裝置的控制系統(tǒng)連接到液壓千斤頂上，同時(shí)連接好油泵裝置與冷卻裝置，對動荷載施加裝置進(jìn)行調(diào)試，待一切正常后，先用動力加載系統(tǒng)對工程樁進(jìn)行預(yù)壓，使樁頂與液壓千斤頂?shù)撞康你q支座緊密接觸，同時(shí)檢查調(diào)整使動力加載裝置所施加的荷載正好能夠傳遞到樁頂上。
[0018]7)將傳感連接光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀，調(diào)試各項(xiàng)系數(shù)，再次確認(rèn)加載及監(jiān)測系統(tǒng)是否正常，如果不正常，則要檢查各部件連接是否有問題，光纖光柵是否破壞等，如果正常則可以進(jìn)行試驗(yàn)。采用動力加載裝置模擬多種振動波作用，同時(shí)記錄光纖光柵采集的數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于包括: 容土槽，具有由鋼筋混凝土制成的側(cè)壁和底壁； 反力架，包括一對平行設(shè)置的門形支架，所述門形支架由槽鋼立柱和工字鋼上橫梁通過螺栓連接而成，所述一對門形支架的上橫梁中部連接有下橫梁，所述槽鋼立柱的底部嵌入容土槽的鋼筋混凝土側(cè)壁中； 動力加載裝置，包括墊板、上鉸支座、下鉸支座和動荷載施加裝置，所述墊板與上鉸支座通過螺栓固定于下橫梁的中部，所述動荷載施加裝置包括液壓千斤頂、油泵、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述上鉸支座與下鉸支座分別安裝于液壓千斤頂?shù)膬啥?，所述控制系統(tǒng)與液壓千斤頂控制連接，所述油泵接入液壓千斤頂?shù)囊簤河吐罚隼鋮s系統(tǒng)安裝于油泵上； 工程樁，其樁身嵌入容土槽的土中，樁身頂部與下鉸支座固定連接，樁身表面安裝有傳感光纖，所述傳感光纖接入光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀和數(shù)據(jù)處理及保存系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的樁基動荷載試驗(yàn)系統(tǒng)的測試方法，其特征在于包括以下步驟: O使用反力架，動力加載裝置與容土槽搭建試驗(yàn)系統(tǒng)； 2)將預(yù)制好的工程樁表面要埋設(shè)傳感光纖的位置用砂紙等打磨干凈； 3)在打磨干凈的位置用調(diào)和好的環(huán)氧樹脂進(jìn)行涂抹，涂抹后靜置； 4)待涂抹的環(huán)氧樹脂充分凝固之后，用快干膠將拉直的傳感光纖固定在環(huán)氧樹脂層上，然后再用環(huán)氧樹脂將固定好的傳感光纖進(jìn)行封裝，同時(shí)記錄傳感光纖上光纖光柵的位置及長度； 5)在容土槽底部鋪設(shè)土層，再將預(yù)埋好光纖光柵的工程樁放入容土槽內(nèi)，然后在容土槽中分層布置土層到指定的位置，將工程樁的頂部與液壓千斤頂?shù)撞康你q支座連接； 6)連接動力加載裝置與千斤頂，用動力加載系統(tǒng)對工程樁進(jìn)行預(yù)壓，使樁頂與液壓千斤頂?shù)撞康你q支座緊密接觸； 7)將傳感光纖連接光纖光柵動態(tài)解調(diào)儀，利用控制系統(tǒng)調(diào)整動荷載，同時(shí)記錄傳感光纖的數(shù)據(jù)。
【文檔編號】E02D33/00GK103882893SQ201410118137
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】高磊, 劉漢龍, 孔綱強(qiáng), 丁選明, 余湘娟, 陳暉東 申請人:河海大學(xué)