基于先进传感技术的桩基础负荷测试与评估

基于先进传感技术的桩基础负荷测试与评估

宋鑫烽

南京南大工程检测有限公司  江苏省南京市  210000

摘 要：本文基于先进传感技术，通过静载试验方法系统评估桩基础的负荷性能。介绍了三种静载试验方法，包括单桩竖向抗压、抗拔、水平试验，探讨了传感技术的选择和原理，以及数据采集与处理方法。详细阐述了实验设计、实施过程，包括方案设计、参数选取、实验样本选择和试验设备介绍。在分析和评估阶段，采用合适的方法比较和评估了不同条件下的负荷测试结果。通过结果解读和讨论，深入剖析了桩基础在各种条件下的性能表现。通过本文的研究，为桩基础负荷测试与评估领域的发展提供了新的视角。

关键词：桩基础；负荷测试；传感技术；静载试验；数据分析

0 引言

随着建筑工程的不断发展和复杂化，桩基础的设计与评估显得尤为关键。在这一领域，传感技术的应用为桩基础负荷测试提供了更为精准和全面的数据，使得对其性能的准确评估成为可能。因此，本文旨在通过先进传感技术，结合静载试验方法，对桩基础的负荷性能进行深入研究与评估。

1 桩基础负荷测试方法

1.1 静载试验方法

1.1.1 单桩竖向抗压静载试验

     单桩竖向抗压静载试验旨在评估桩的竖向抗压承载力是否符合设计要求，按照《建筑地基基础检测规程》DB32/T 3916-2020进行。采用静载试验方法，加载反力装置为压重平台，通过压力传感器测定油压，位移传感器监测桩的沉降。全程使用自动采集设备实时上传数据至公司和检测监管系统。逐级加载方式，每级荷载相对稳定后加下一级，卸载时每级荷载维持20分钟。试验终止条件包括荷载-沉降曲线出现陡降、桩沉降连续24小时未稳定、桩总沉降量达设计要求。最终检测报告包括试验方法、数据记录、荷载-沉降曲线、分析判定等详细信息，提供有关桩的竖向抗压承载力数据。

1.1.2 单桩竖向抗拔静载试验

单桩竖向抗拔静载试验旨在评估桩在竖向抗拔承载方面的性能，遵循《建筑地基基础检测规程》DB32/T 3916-2020标准。该试验适用于评估单桩竖向抗拔承载力，可测定抗拔侧阻力或桩端上拔量。试验采用慢速维持荷载法或按照设计文件指定的方式，荷载加载至桩侧土破坏或桩身达到设计强度。在工程桩验收检测中，最大加载值可达设计限值或不小于抗拔承载力特征值的2.0倍。

在试验前，施工单位需对桩头进行处理，以确保场地平整。试验所需的设备包括千斤顶、主梁、副梁、高压油管、电动油泵、基准梁和压力表。为确保试验的准确性和符合规范要求，需要特别注意加载反力装置、荷载测量以及上拔量的测定[1]。

试验按规定的分级进行加卸载，通过观察桩的变形，并在满足稳定标准时施加下一级荷载。试验可终止的条件包括钢筋应力达到设计值、上拔变形量陡增、或累计桩顶上拔量超过规定值。

1.1.3 单桩水平静载试验

单桩水平静载试验的目的在于全面测试桩在水平荷载作用下的性能，明确其水平承载力和地基土水平抗力系数。试验所需设备包括卧式千斤顶、反力装置（可采用试桩对顶或周围结构物支持）、电动油泵、电阻应变传感器和电子秤。

采用单向多循环加卸载方法，加载荷载为设计荷载的2倍，每级加载增量为预估水平极限荷载的1/10-1/15。在加载过程中，通过测读水平位移，并在卸载至零后测读残余位移，完成一个加载循环。试验终止条件包括桩身折断或水平位移超过规定值。对于长期水平荷载桩，可采用慢速维持荷载法，维持时间为10分钟，直至位移稳定。

1.2 传感技术的选择和原理介绍

在桩基础负荷测试方法中，传感技术的选择至关重要，需要考虑到技术性的要求和高质量的测量。在负荷测试中，传感技术的选择涉及测量系统的灵敏度、准确性以及对外界干扰的抗干扰能力。

传感技术应当具备高精度和高分辨率，以确保对桩基础承受的荷载变化进行准确的监测。常用的传感技术包括电阻应变片、压电传感器、光纤传感器等。其中，电阻应变片具有高灵敏度和广泛的应用领域，在桩基础负荷测试中，可通过将电阻应变片安装在关键位置，实现对桩身应变的高精度测量。

1.3 数据采集和处理方法

在桩基础负荷测试方法中，数据采集和处理是关键环节，要求具备高技术性和高质量。有效的数据采集应当借助先进的传感技术，以高频率、高精度地记录桩基础受力情况。采用先进的数据采集设备，如高速采样数据采集卡，确保对荷载变化的实时监测。

数据处理方面，需要运用先进的数学模型和算法对采集到的大量数据进行精准分析。采用信号处理技术，如傅里叶变换，可以提取出荷载信号中的各个频率成分，为深入理解桩基础受力提供详尽信息。此外，采用统计学方法对数据进行处理，可以获得更为可靠的统计特性，为后续结构安全性评估提供科学依据。

1.4 常用的负荷测试设备和仪器

在桩基础负荷测试方法中，常用的负荷测试设备和仪器具备高度的技术性和质量标准。先进的液压千斤顶广泛应用于负荷加载，其技术特点包括高精度、可靠性强、操作便捷，并能够满足不同负荷级别的需求。加载反力装置常采用两根试桩对顶、锚桩横梁反力装置或压重平台反力装置，确保提供的试验反力不小于最大加载量的1.2倍

[2]。

在荷载测量方面，高精度的荷重传感器是关键组成部分，其准确度达到或优于0.5级。此外，应用数字压力计和压力表实时监测液压千斤顶的油路压力，确保荷载测量的可靠性。对于水平位移的测量，采用精密的位移测量仪表，其测量误差不大于0.1%FS，分辨力达到或优于0.01mm。

为了确保系统的整体性能，百分表作为位移测量的主要工具，需要具有高灵敏度和准确性，通过安装在桩外侧地面和地面以上的测点，实现对桩身水平位移的双层测量。

2 实验设计和实施

2.1 实验方案设计和参数选取

静载试验在桩基础负荷测试中有多种方法，其中包括快速维持荷载法和慢速维持荷载法。现实工作中较多使用快速维持荷载法。试验时，加载反力装置采用压重平台，用连于千斤顶的压力传感器测定油压，根据千斤顶率定系数换算荷载。试验桩的沉降采用位移传感器观测。全部使用自动采集设备，其数据信息自动上传至公司和检测监管系统。

试验加载方式采用维持荷载收敛法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后加下一级荷载。直到预定加载值。试验装置示意图如图1所示：

图1 试验装置示意图

加卸载与沉降观测：

(1)逐级加卸载，第一级加载至分级荷载的2倍，第二级加载至分级荷载的5倍，第三级加载至分级荷载的7倍，第四级加载至分级荷载的9倍，第五级加载至分级荷载的10倍；卸载可分为三级，第一级卸载至分级荷载的5倍，第二级卸载至分级荷载的2倍，第三级卸载至零。

(2)沉降收敛条件：第一、二、三、四级荷载作用下，从开始记录后的第 40min 开始，连续两次出现后 10min 沉降增量小于等于前 10min 沉降增量；第五级荷载作用下，桩顶沉降增量连续两次在每一小时内小于 0.1mm（开始记录后的第 30min 开始计算）；

(3)当桩的沉降达到收敛条件时，再施加下一级荷载；

(4)卸载时，每级荷载维持 20min，即可卸下一级荷载。卸载至零后，继续记录 20min。

静载试验出现下列情况之一时，可终止加载：

①荷载-沉降（Q-s）曲线有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过 40mm；

②某级荷载作用下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的 2 倍，且连续 24h 尚未达到相对稳定标准或收敛条件；

③荷载-沉降曲线呈缓变型时，可加载至桩顶总沉降量 60~80mm；当桩端阻力尚未充分发挥时，可加载至桩顶累计沉降量超过 80mm；

④已达到设计要求（或验收要求）的最大加载值且桩顶沉降达到稳定标准或收敛条件；
⑤工程桩作锚桩时，锚桩上拔量已达到设计允许值。

通过这一精心设计的实验方案，本文旨在全面评估桩基础在不同荷载条件下的性能与响应。

2.2 实验样本选择和试验设备介绍

在实验设计和实施阶段，样本的选择和试验设备的合理搭配至关重要。首先，为确保技术性和质量，应根据工程需求选择具有代表性的试验样本，考虑不同桩径、桩型及地层条件，以获得全面而准确的试验结果。同时，为确保试验的科学性和可靠性，应充分了解桩基本特性和实际工程情况。

在试验设备方面，建议采用先进的荷载测试设备和仪器，确保其技术性和质量。典型的设备包括液压千斤顶、电动油泵、电阻应变式传感器、电子秤等。千斤顶应具备良好的稳定性和控制精度，以确保施加水平荷载的准确性[3]。

2.3 实验操作步骤和安全措施

在实验设计和实施中，关键的实验操作步骤和安全措施对于确保技术性和质量至关重要，实验操作步骤主要如图2所示。

图2 实验操作步骤

试验开始前，确保试桩头距地表以上200mm，主筋延伸至桩顶高度3000mm。地表需在7m×7m范围内平整、硬实。安装千斤顶、主梁、副梁、压重荷载、高压油管、电动油泵、基准梁、压力表等设备，保证平稳且足够强度。调试加载装置，加载反力应不小于最大加载量的1.2倍。位移测量系统包括位移测量仪表、基准桩、基准梁，确保准确性。采用慢速维持荷载法，按规范分级加载，记录荷载、位移、反力桩和桩周土的变形数据。试验可在钢筋应力达到设计值、上拔变形量急增、累计桩顶上拔量超过100mm等情况下终止。

在进行实验时，需要特别注意安全措施。操作人员应受过专业培训，熟悉试验设备的使用方法，并穿戴符合安全标准的个人防护装备[4]。在加载过程中，监测设备运行状态，确保加载平稳有序。此外，要定期检查试验场地和设备，确保其稳定性和安全性。在可能发生意外情况时，应制定紧急停机和撤离程序，确保人员安全。

3 分析和评估

3.1 数据分析方法和工具

数据分析方法和工具在单桩静载试验中起关键作用。通常采用统计学方法，如荷载-位移曲线的斜率、桩身变形等参数进行分析。常用工具包括MATLAB、Python等编程语言，以及专业的数据分析软件。通过对试验数据进行精细分析，可以得出桩的承载性能、变形特征等重要信息，为工程设计和评估提供科学依据。

3.2 在不同条件下的负荷测试结果比较与评估

通过对不同条件下的负荷测试结果进行比较与评估，结果如表1所示。

表1 在不同条件下的负荷测试结果

在普通草地条件下，桩的荷载为100 kN时，桩顶位移为5.2 mm，地面沉降为1.8 mm。相比之下，软弱土壤条件下的荷载为150 kN时，桩顶位移增大至8.9 mm，地面沉降也相应增加至2.5 mm。在加装防护层的草地和软土条件下，随着荷载的增加，桩的位移和地面沉降均呈现逐渐增大的趋势。与此相反，在无防护层的硬质地面条件下，相同荷载下的桩顶位移和地面沉降相对较小。

3.3 结果解读和讨论

通过对不同条件下的负荷测试结果的比较与评估，可以进行结果解读和讨论。观察到在软弱土壤条件下，相同荷载下桩的位移和地面沉降较大，说明软弱土壤对桩的承载能力有较大的影响。此外，在加装防护层的草地和软土条件下，随着荷载增加，桩的变形和地面沉降呈逐渐增大的趋势，表明防护层对于减缓土体沉陷的效果相对明显。而在硬质地面条件下，相同荷载下桩的位移和地面沉降相对较小，显示硬质地面对桩的稳定性有一定的提升作用。

4 结语

通过基于先进传感技术的桩基础负荷测试与评估，能够全面了解单桩在竖向抗压、竖向抗拔和水平静载等条件下的性能表现。在不同条件下进行的负荷测试结果比较与评估为工程设计和基础选型提供了有力的支持，强调了地质条件对桩基础性能的显著影响。因此，本文的研究为提高桩基础设计和施工的科学性和可靠性提供了实用的参考和经验。

参考文献

[1]吕晗波,毕彬彬,吴顺喜.松散砂卵砾石层桩基泥浆性能优化试验研究[J].四川水利,2023,44(04):18-21.

[2]李纯,王刚,王煜斌.滨海软弱土层中混凝土桩基水平承载性能分析[J].建筑结构,2023,53(S1):2615-2622.

[3]薛鹏,杨雅师,孟星宇等.桩基支承梁与弹性地基梁承载性能对比研究[J].水利与建筑工程学报,2023,21(02):60-67.

[4]吴凯.基于工程实例的冻土区桩基混凝土性能研究[J].交通世界,2022,(24):26-28+38.

作者简介：宋鑫烽（1994.4），男，汉族，江苏南通，本科，助理工程师，研究方向：工程检测。