桩身内力测试方法-滑动测微计法

中华人民共和国行业标准《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2003、J 256-2003）附录A.0.3条规定“基桩内力测试宜采用应变式传感器或钢弦式传感器。

根据测试的目的及要求也可采用滑动测微计。

”滑动测微计法是一种新的桩身内力测试方法。

二十世纪80年代初由瑞士联邦苏黎世综合科技大学K.Kovari教授等人提出线法监测原理及其相应的测试技术——滑动测微计[1]（图1）。

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。

1 桩身内力测试方法及其优缺点1.1 钢筋计和压力盒法——点法监测方法目前我国对桩身内力检测一般采用钢筋计、压力盒法。

钢筋计根据地层结构埋设于桩身主筋上，压力盒埋设于桩底，监测桩身某一截面和桩底的应力应变，是一种典型的点法监测，其观测数据只能代表测点处的应变值。

由于探头与介质无法做到理想匹配，以及固定埋设的电测元件或多或少存在零点漂移，且无法修正实测结果在很大程度上只能是定性的。

以钢筋计为例，它是以实测钢筋上某一点处的应变来代替断面上桩身平均应变，然后乘以桩身平均弹模求出该断面的轴向力。

这样作存在一系列的问题。

首先，测点处的应变由于探头或电阻片（包括防潮层、导线）的介入，局部受力状态已发上变化，实测应变不等于真实应变。

其次，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；再者，测点有限，间距一般3～5m，甚至更大，而且钢筋计易于损坏，一般有效率只有65％左右，因而造成有的土层由于测试元件无效，无法取得试验数据，试验难以达到预期的效果[2,3,4]。

1.2滑动测微计法——线法监测方法与钢筋计和压力盒法相比,滑动测微计具有如下优点[2,4]：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。

因此，与传统钢筋计、压力盒法的点法检测相比,滑动测微计不仅可以计算摩阻力、端阻力、弯矩和挠度曲线等,还可以全面评价桩身质量。

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，可随时监测测段温度，特别适用于优温度变化的长期检测，如负摩阻力检测、岩土工程检测等，与传统方法相比，新方法可以区分温度应变及应力导致的应变。

4）滑动测微计法在每根桩中预埋两根测线，可以测定垂直加载时桩身平均应变及水平加载时的应变差，利用应变差，可计算挠度曲线。

图1 滑动测微计2 滑动测微计线法监测原理图2（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l∆、转角iα及转角iα∆变化以后，任意段的i位移u、n v和转角nα即可计算出。

式中i k为曲率。

n图2 以多个参考点形成的测量链确定变形线（a）直线；（b）曲线图3 通过测点ε、bε确定构件平面变形轴a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3）,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。

3.滑动测微计探头标定3.1标定装置滑动测微计探头的标定装置（图4）提供了分别由长度为997.5和1002.5mm（△e=5mm）的铟钢结构控制的高稳定性的两个标定位置e1和e2。

测量标志是高硬度的不锈钢。

铟钢在0℃～30℃时的温度膨胀系数接近1×10-6m/℃。

3.2标定程序探头的标定应在每一次连续的野外测量的前后定期进行。

两次标定测量的平均值在数据整理分析时使用。

（1）仪器标定前，连接所有的测量设备，读数器启动需要大约20分钟；（2）把探头放在标定装置的位置e1（图5），并记录测量数据。

从标定装置上移开探头，重复放在位置e1上再测量2次。

确定3次测量值的平均值，作为位置e1上的标定值；（3）在位置e2上重复上述步骤，计算位置e2上的标定值e（2）；图4 滑动测微计标定装置——铟钢标定筒-5mm图5 滑动测微计探头标定示意图例如：位置e1测量值：-2611/-2610/-2609 ，则e（1）平均值=-2610 位置e2测量值：+2450/+2452/+2451 ，则e（2）平均值=+2451 （4）从平均标定值e（1）和e（2）中计算△e和Zo；△e= e（2）- e（1）Zo=〔e（2）+ e（1）〕/2例如：△e=+2451-（-2610）=5061Zo=（-2610+2451）/2=80（5）比较△e和标定装置的给定标定值（由制造商提供，如5.075mm）。

给定的标定值除以△e即为F。

F=给定的标定值/△e例如：F=5.075mm/5061 =0.001003 mm（6）零点位置Zo和标定系数F将用于测量值的计算。

取野外测量的前后两次标定的零点位置的平均值和标定系数的平均值对测量值进行修正，以消除零点漂移和环境温度带来的测量误差，具体方法如下：测量值修正后的值=（测量读数-平均零点位置）×平均标定系数。

4 现场实测数据的分析与整理4.1 数据修正[15]实际钻孔灌注桩由于施工工艺的原因，其横截面面积往往变化较大，为了消除桩身横截面面积变化对桩-土体系荷载传递特性的影响，将实测试验桩孔径的变化归一化到桩身平均截面，即采用实测孔径与平均孔径之比的平方作为应变修正系数，将此系数乘以相应测得的实测值，其结果即为经过断面修正的应变。

4.2 平均静弹模E s 的计算[15]已有的试验研究表明:混凝土的应力- 应变关系在超过一定的应力水平后呈现出非线性特性,其弹性模量将随应变或轴力的增加而降低。

为了得到符合实际的桩身轴力,应对桩身弹性模量进行校正。

在以往的工程项目中这一问题一直未引起关注,往往简单地按混凝土强度等级采用同一弹性模量,或虽然考虑了弹性模量的校正问题,但利用取有限的几组( Ei 、εi ) 数据得到的平均弹性模量进行计算。

根据各级回归应变曲线,桩顶应变可计算不同应变量级下桩身平均弹性模量, 由线性回归, 得到Ei = f (εi ) 的线性方程,从应变计算轴向及摩阻力时采用不同应变量级下的E 值。

通过这种校正方法,可有效地解决桩身材料的应力应变非线性问题。

平均静弹模E s 可由下式给出:εA P E S = 式中 E s ：桩身平均静弹模, GPa ；A ：桩体平均截面积,m 2；εo ：桩顶应变,10 - 6 ；P：桩顶垂直荷载,kN。

4.3桩身轴向应变分布桩身轴向应变分布是配合单桩竖向静载实验进行的,对于单桩的每一级加载,在每级变形基本稳定后,量测一次桩身应变,将每根桩的两根测管平均后得实测桩身轴向应变曲线。

由于桩身应变受桩身质量(混凝土弹模和桩身截面积) 、测管埋设质量积仪器误差的影响, 会产生一定的测试误差,不能直接用于摩阻力分析,所以要对实测曲线进行修正平滑处理, 可以使用最小二乘法,进行回归处理, 得到实测应变曲线的拟合曲线,作为分析的依据。

实测应变曲线是判断桩身质量及孔径是否均匀的依据, 理想情况下桩身轴向应变自上而下是递减的。

4.4 轴向力Q 和单位摩阻力f 沿桩轴分布在第i 级荷载下, 桩身第j 级测点处的轴向力Q ij由下式得出：Q ij = A Es iεi j =πD2 Es iεij/4式中Q ij：第i 级荷载下第j 级测点处的轴向力,kN；D ：桩平均直径,m；Es i:第i 级荷载下桩体平均静弹模, GPa；εij:第i 级荷载下j 测点处的应变,10 - 6 。

其余符号同前。

第i 级荷载下桩身j 测段处的单位摩阻力f ij由下式给出:f ij = ( Q i,j– Q i,j+i) /(πDL) =R/2×LE si (εi,j–εi,j+1)式中f i,j:单位摩阻力，kPa；R ：桩平均半径,m;L ：测段长,取1m;εi,j ,εi,j+1 :分别为第i 测段上、下测点处的应变,10-6。

5 滑动测微计在桩身内力测试中的应用该项技术于1987年首次在北仑电厂试桩工程中应用[4,5]，之后在陕西蒲城电厂[5]、温州电厂[4]、西安市郊邮电网管中心大楼[5]、京珠高速公路广珠段[6]、武汉市轻型轨道交通线[7]、广州市海珠区嘉仕花园[8]、广州地区泥岩持力层中嵌岩桩的试验[9]、西安市高新技术产业开发区[10]、广东科学中心[11]、宁夏扶贫扬黄灌溉工程[12]、武汉天兴洲公铁两用长江大桥铁路引桥工程[13]等工程的试桩工程得到广泛应用。

滑动测微计应用文献及工程实例如下：[1]苏志东．极限摩阻力系数测试的新方法．公路，1999，2：30-32．[2]唐军风，胡祥昭，汤新福，等．滑动测微计在大直径桩身检测中的应用.勘察科学技术，2005，2：31-34．[3] Kovari K，Amstad Ch．A new method of measuring deformation indiaphragm wall and pile．Geotechnique，1982，32（4）：402-406．[4]李光煜，江彬．静力试桩及负摩阻力研究的新进展．土工基础，1990，4（2）：1-8．[5] 李光煜，黄粤．岩土工程应变监测中的线法原理及便携式仪器系列．岩石力学与工程学报，2001，20（1）：99-109．[6]杨航宇，江静．京珠高速公路广珠段桩基静载试验方法及结果分析．中南公路工程，2000，25（2）：31-33．[7]徐松林，吴文，张华，等．钻孔压浆桩桩土荷载传递性状分析．工程勘察，2001，（2）：10-13．[8] 赵燕方，李祥新，於法明．嘉仕花园嵌岩桩的试验研究．广州建筑，2002，（5）：12-17．[9] 李祥新，陈如桂．泥岩持力层中嵌岩桩的试验与优化设计．岩土工程技术，2003，（3）：125-128．[10] 冯世进，柯翰，陈方敏．黄土地基中超长钻孔灌注桩承载力性状试验研究．岩土工程学报，2004，26（1）：110-114．[11] 王遇国，张季超，朱立宏，等．强夯加固后的软土地基桩基承载性状试验研究．建筑技术开发，2005，32（10）：57-64．[12] 蒋学峰，陈正汉，哈双，等．大厚度自重湿陷性黄土中灌注桩承载性状与负摩阻力的试验研究．岩土工程学报，2007，29（3）：338-346．[13] 杨明．AM扩底灌注桩桩身应变测试．土工基础，2007，21（6）：76-78．[14] 朱国甫，李光煜．确定桩侧摩阻力曲线的约束样条拟合方法．岩土力学，1994，15（3）：1-8．[15]石怀清，章杰，茹伯勋．滑动测微计技术在桩侧阻力测试中的应用与研究．岩土工程技术，2003，4：193-196．[16] 李光煜．钢管桩负摩阻力及水平位移测定．岩土力学，1988，9（2）：89-97．桩身内力测试新方法——滑动测微计法确认广东天信电力工程检测有限公司[17] 李光煜．滑动测微计简介．岩土力学，1988，9（1）．[18] 邹艳丽．滑动测微计在某发电厂桩基内力测试中的应用．山西建筑，2006，32（19）：108-109．[19] 贺永利，高文龙，徐放明，等．滑动测微计在桩基应变测试中的应用．岩土工程，2007，3：6-9．[20] 冯世进，周子范，陈云敏，等．施工质量对黄土地基中超长钻孔灌注桩承载性状的影响．中国市政工程，2004，5：48-50．[21] 陈尚桥．用滑动测微计实测桩的荷载传递函数．岩土力学与工程学报，2005，24（7）：1267-1271．[22] 廖永初．桩身应变线法监测新技术．物探与化探，2004，28（4）：92-94．广东天信电力工程检测有限公司2008年7月9日11。