一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅自适应铺设装置及方法

技术领域

本发明涉及灌桩光纤植入领域，特别涉及一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅自适应铺设装置及方法。

背景技术

针对灌桩光纤植入的技术，已有相关的专利技术，但其在测量长螺旋钻孔压灌桩轴力分布特性时，仍存在部分的局限性，具体如下：

专利CN 211876974 U：“一种灌注桩桩身内力测试用光纤的植入装置”中，包括光纤、内部设置有水泥浆的声测管、伸入声测管内的光纤植入器、以及与所述光纤植入器和光纤连接的缠绕机构。其特点是在灌注桩施工后植入光纤，利用底部锤头增加光纤植入器的重量，从而利用光纤植入器的自重和钢丝绳将光纤带入刚注满水泥浆的声测管，可将光纤沿声测管通长布设并保证光纤的竖直度，实现了灌注桩的施工后光纤植入，避免了与灌注桩施工的交叉影响，光纤成活率高。

专利CN105332393B：“一种长螺旋后插笼灌注桩侧向刚度监测系统的施工工艺”中，利用光纤光栅传感技术，在长螺旋灌注桩后插笼施工过程中，将传感器固定在钢筋笼壁外侧，利用保护套管将数据采集端口安全引出施工作业面上部，从而测量桩基应力应变数据。

专利CN211876974U：“一种灌注桩桩身内力测试用光纤的植入装置”中，在灌注桩施工后铺设光纤，光纤无法与水泥或者钢筋结合在一起，因此在静载试验过程中无法共同变形，影响轴力测量结果。

专利CN105332393B：“一种长螺旋后插笼灌注桩侧向刚度监测系统的施工工艺”中，将光纤传感器安装在钢筋笼外侧，使光纤传感器暴露在外，在施工过程中容易使光纤受损，成活率低。

需要注意的是，长螺旋钻孔压灌桩的钢筋笼，一般直径为400～800mm，设置有多条纵向的主筋，并通过密集的螺旋箍筋在外侧焊接固定而成。其中，一条主筋中用于整体钢筋笼的起吊，有突出的吊耳。另外，长螺旋钻孔压灌桩的钢筋笼一端为锥形闭口，目的在于使用振捣器将钢筋笼插入充满石子的混凝土中。因此，在测量长螺旋钻孔压灌桩轴力分布特性时，应当将光纤光栅铺设在箍筋和非起吊用的主筋的交接处，避免安装在钢筋笼外侧，从而在起吊和插入混凝土过程中保护光纤的安全。然而，由于箍筋密集，难以通过双手操作在钢筋笼内部传递光纤，同时由于钢筋笼一端闭口和钢筋笼直径较小，难以采用传统做法安装光纤，即工人在钢筋笼行走，把光纤在钢筋笼内拉直后固定在主筋上。因此，本发明针对长螺旋钻孔压灌桩的钢筋笼的特点，旨在提出更为适用且高效的光纤光栅铺设设备及其使用方法，确保光纤光栅的存活以及后续的桩基轴力分布特性测量。

发明内容

本发明提供一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅自适应铺设装置及方法，旨在最大限难度地提高光纤光栅存活率，从而实现在桩基静载过程中长螺旋钻孔压灌桩轴力分布的有效测量。

本发明提供一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅自适应铺设装置，包括握杆、弧形杆件、光纤光栅传送组件，所述光纤光栅传送组件包括径向夹角调节杆、可开合的光纤光栅固定模组，所述弧形杆件设有第一杆件开孔，所述握杆的一端连接在第一杆件开孔内，所述弧形杆件以握杆的一端为中心旋转至与钢筋笼的箍筋平行后，通过紧固件与握杆固定连接；所述径向夹角调节杆设有与弧形杆件连接的第二杆件开孔，所述径向夹角调节杆调节在弧形杆件上的位置和角度后通过紧固件固定，所述径向夹角调节杆与光纤光栅固定模组的一端铰接，所述光纤光栅固定模组另一端固定待安装的光纤光栅，所述光纤光栅固定模组绕铰接位转动至与钢筋笼的主筋平行后通过紧固件进行角度固定。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅固定模组包括第一底座、第二底座、至少三组电动门、舵机，所述第一底座与径向夹角调节杆连接，所述第二底座固定待安装的光纤光栅，所述第二底座上设有卡槽，所述电动门一端通过舵机连接在第一底座上，所述电动门的另一端设有与卡槽连接的卡勾，所述舵机控制电动门翻转使卡勾与卡槽咬合或断开连接。

作为本发明的进一步改进，所述握杆上设置有按钮，所述按钮与舵机连接。

作为本发明的进一步改进，所述电动门上缠绕有线圈，所述线圈两端与按钮连接，所述按钮控制线圈的通电或断电。

作为本发明的进一步改进，光纤光栅自适应铺设装置还包括保护软管、可拆卸的卡扣，所述保护软管绑扎在底部箍筋的光纤光栅上，所述光纤光栅固定模组通过卡扣与保护软管连接。

作为本发明的进一步改进，光纤光栅自适应铺设装置还包括保护硬管，所述保护硬管连接在主筋上并套在光纤光栅的顶部。

本发明还提供一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅自适应铺设方法，包括以下步骤：

S1.截取保护软管，将保护软管套入光纤光栅中部；

S2.将含保护软管的光纤光栅通过卡扣固定于光纤光栅传送组件的第二底座上；

S3.组装并调整光纤光栅自适应铺设装置，包括握杆、弧形杆件、光纤光栅传送组件，使弧形杆件与箍筋平行，光纤光栅传送组件上固定的光纤光栅与主筋平行；

S4.通过握杆将弧形杆件、光纤光栅传送组件、光纤光栅同时沿着钢筋笼轴向移动，并且光纤光栅传送组件穿越箍筋；

S5.每前进一个光栅间距，安装卡扣，将光纤光栅与主筋初步连接且不固定；

S6.光纤光栅拉动至钢筋笼底部，将含保护软管的光纤光栅段通过卡扣与底部箍筋固定；

S7.拆卸光纤光栅自适应铺设装置；

S8.在钢筋笼开口端对光纤光栅施加拉力；

S9.在保持拉力作用下，通过卡扣将光纤光栅中的传感器结点与主筋固定；

S10.将光纤光栅头部以及多余的部分放入保护硬管内，并将保护硬管与主筋固定。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3具体包括：

S31.调整握杆以适应使用者的高度；

S32.调整弧形杆件的角度使弧形杆件与箍筋平行，并通过紧固件与握杆进行固定；

S33.通过调节径向夹角调节杆相对弧形杆件的角度，对光纤光栅传送组件的位置进行调整，以使光纤光栅传送组件对齐所选择铺设光纤光栅的主筋位置，并通过紧固件将径向夹角调节杆固定在弧形杆件；

S34.通过铰接点对光纤光栅传送组件进行角度调整，使光纤光栅的移动方向与钢筋笼轴向的方向一致，并通过紧固件将固定住该铰接点。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S4包括以下步骤：

S41.通过握杆的按钮触发，对第一电动门的线圈断电，使舵机工作打开第一电动门，拉动握杆使光纤光栅移动并使箍筋进入到第一电动门和第二电动门之间，同时第二电动门、第三电动门保持与第二底座相连；

S42.通过握杆的按钮触发，闭合第一电动门，并对第一电动门的线圈通电，对第二电动门的线圈断电，使舵机工作打开第二电动门，拉动握杆使光纤光栅移动并使箍筋进入到第二电动门和第三电动门之间，同时第一电动门、第三电动门保持与第二底座相连；

S43.通过握杆的按钮触发，闭合第二电动门，并对第二电动门的线圈通电，对第三电动门线圈断电，使舵机工作打开第三电动门，拉动握杆使光纤光栅移动并使整个光纤光栅传送组件通过箍筋，同时第一电动门、第二电动门保持与第二底座相连。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S8中对光纤光栅施加拉力的拉力值F

其中E

本发明的有益效果是：适用于长螺旋钻孔灌注桩，将光纤光栅安装于钢筋笼内部并提高存活率；工程适应性强，可通过调整适应不同身高使用者、不同桩长、不同布设主筋、不同箍筋密度和安装角度，可通过更换部件尺寸适应不同桩径。

附图说明

图1是本发明中光纤沿长螺旋钻孔压灌桩钢筋笼主筋呈U型对称布置的结构示意图；

图2是本发明图1中A-A的剖面图；

图3是本发明图1中B-B的剖面图；

图4是本发明图1中C-C的剖面图；

图5是本发明中光纤光栅自适应铺设装置的结构图；

图6是本发明中光纤光栅传送组件的结构图；

图7是本发明中光纤光栅传送组件穿越箍筋第一步的结构示意图；

图8是本发明中光纤光栅传送组件穿越箍筋第二步的结构示意图；

图9是本发明中光纤光栅传送组件穿越箍筋第三步的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

相比于传统的泥浆护壁桩，长螺旋钻孔压灌桩不使用泥浆，具有对环境友好且相同桩长下承载力更高等的优点，因此在工程中日益流行。

本发明用于在长螺旋钻孔压灌桩内铺设测量轴力分布特性的光纤光栅2，主要针对长螺旋钻孔压灌桩钢筋笼1的特性及其问题而提出，即钢筋间距离密集且钢筋笼1一端闭口，导致不能单纯依靠人手快速铺设光纤光栅2的问题。为此，本发明旨在提出适用于长螺旋钻孔压灌桩内光纤光栅2铺设的设备及其使用方法，最大限难度地提高光纤光栅2存活率，从而实现在桩基静载过程中长螺旋钻孔压灌桩轴力分布的有效测量。

实施例一：

如图1至图5所示，本发明的一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅自适应铺设装置，包括握杆3、弧形杆件4、光纤光栅传送组件，光纤光栅传送组件包括径向夹角调节杆5、可开合的光纤光栅固定模组6，弧形杆件4设有第一杆件开孔41，握杆3的一端连接在第一杆件开孔41内，弧形杆件4以握杆3的一端为中心旋转至与钢筋笼1的箍筋12平行后，通过紧固件与握杆3固定连接；径向夹角调节杆5设有与弧形杆件4连接的第二杆件开孔51，径向夹角调节杆5调节在弧形杆件4上的位置和角度后通过紧固件固定，径向夹角调节杆5与光纤光栅固定模组6的一端铰接，光纤光栅固定模组6另一端固定待安装的光纤光栅2，光纤光栅固定模组6绕铰接位转动至与钢筋笼1的主筋11平行后通过紧固件进行角度固定。

从图1可以看到，长螺旋钻孔压灌桩的钢筋笼1，设置有多条竖直的主筋11，并通过密集的螺旋箍筋12在外侧焊接固定而成(间距仅为100～200mm)，同时长螺旋钻孔压灌桩的钢筋笼1一端为锥形闭口。光纤光栅2在铺设在箍筋12和非起吊用的主筋11的交接处，呈U字型，提高桩基轴力分布特性测量的成功率：即当一侧光纤光栅2在桩基施工过程中损坏时，仍能够使用另一侧光纤光栅2进行测量。

光纤光栅2的铺设往往在钢筋笼1焊接完成之后，这是因为焊接过程极易对光纤光栅2造成损坏。对于长螺旋钻孔压灌桩的钢筋笼1，首先由于钢筋密集难以通过双手操作在钢筋笼1内部传递光纤光栅2，其次由于一端闭口且钢筋笼1直径小，难以在钢筋笼1内行走并在钢筋笼1两端将光纤光栅2拉直后固定在主筋11上。为此，提出如图2所示的装置，实现长螺旋钻孔压灌桩轴力分布测量的光纤光栅2自适应铺设。为降低装置的重量并提高其使用容易性，装置大部分采用铝合金制作。

其中，光纤光栅2：不失一般性，为降低混凝土中碎石对光纤光栅2的破坏，采用直径5mm以下的光纤光栅2；光纤光栅2间距为0.5m-1.0m，与常见地层厚度相近，因此可测量每层土中长螺旋钻孔压灌桩的轴力值；通过拉伸试验得到光纤光栅2模量为E

握杆3分为竖杆和水平杆两个部位，其竖杆设置有螺纹，装有轴向夹角固定螺母31，竖杆部位的直径小于弧形杆件4的第一杆件开孔41孔径，可插入弧形杆件4。其水平杆设置按钮来控制光纤光栅传送组件中电动门63的开合。

弧形杆件4可以通过绕握杆3的竖杆部位旋转，改变其与钢筋笼1轴向的夹角，使其方向与箍筋12平行，并通过轴向夹角固定螺母31固定该夹角。

光纤光栅传送组件通过径向夹角调节杆5中的第二杆件开孔51插入弧形杆件4中，可调整光纤光栅固定模组6与钢筋笼1径向的夹角，从而决定光纤光栅2所绑定的主筋11，并通过径向夹角调节杆5上设置有螺纹，用径向夹角固定螺母52将径向夹角调节杆5固定在弧形杆件4上，进而来固定该夹角。

径向夹角调节杆5和光纤光栅固定模组6的第一底座61之间通过球铰7连接，通过球铰7调节光纤光栅固定模组6的角度，使光纤光栅2前进移动的方向与主筋11的方向平行，并通过球铰固定螺母71固定在球铰7上将该角度调整固定下来。

如图6所示，光纤光栅固定模组6包括第一底座61、第二底座62、至少三组电动门63、舵机64，第一底座61与径向夹角调节杆5连接，第二底座62固定待安装的光纤光栅2，第二底座62上设有卡槽621，电动门63一端通过舵机64连接在第一底座61上，电动门63的另一端设有与卡槽621连接的卡勾634，舵机64控制电动门63翻转使卡勾634与卡槽621咬合或断开连接。

如图5和6所示，握杆3上设置有按钮，按钮与舵机64连接。电动门63上缠绕有线圈，线圈两端与按钮连接，按钮控制线圈的通电或断电。按钮的一端连接舵机64、线圈，另一端连接供电电源，通过按钮的开关来控制对应舵机64和线圈的供电或断电，进而来针对性的控制对应电动门63的闭合或打开。

本实施例中电动门63分为第一电动门631、第二电动门632和第三电动门633，通过握杆3的按钮控制舵机64，从而控制电动门63的开合；第二底座62用于光纤光栅2绑定，由空心钢材制成，设置卡槽621方便电动门63与第二底座62的咬合。第一电动门631至第三电动门633缠绕线圈形成电磁铁，闭合后通电，增强与第二底座62咬合的牢固程度，打开前先断电，使舵机64更容易打开电动门63。采用至少三个电动门63来固定第二底座62，可以在穿越箍筋12时保证至少有两个电动门63连接在第二底座62上，从而来定位光纤光栅2的移动方向不发生偏移。

如图1至6所示，该光纤光栅自适应铺设装置还包括保护软管21、可拆卸的卡扣8，保护软管21绑扎在底部箍筋12的光纤光栅2上，光纤光栅固定模组6通过卡扣8与保护软管21连接。保护软管21优选为PVC保护软管21，其内径大于光纤光栅2，用于保护绑扎在底部箍筋12的光纤光栅2。

如图1和2所示，该光纤光栅自适应铺设装置还包括保护硬管22，保护硬管22连接在主筋11上并套在光纤光栅2的顶部。保护硬管22优选为镀锌铜管，镀锌铜管内径大于光纤光栅2，固定在主筋11上，防止在钢筋笼1起吊、插入以及桩帽施工过程中光纤头部(用于连接光纤光栅2解调仪)的损伤。

实施例二：

本发明的一种灌桩轴力分布测量的光纤光栅2自适应铺设方法，包括以下步骤：

S1.截取PVC保护软管21，其长度大于钢筋笼1界面周长的一半以上，将PVC保护软管21套入光纤光栅2中部。

S2.将含PVC保护软管21的光纤光栅2通过可拆卸卡扣8固定于光纤光栅传送组件的第二底座62，如图5所示。

S3.组装并调整光纤光栅自适应铺设装置，包括握杆3、弧形杆件4、光纤光栅传送组件，使弧形杆件4与箍筋12平行，光纤光栅传送组件上固定的光纤光栅2与主筋11平行；具体的：

S31.调整握杆3以适应使用者的高度；

S32.调整弧形杆件4的角度以适应箍筋12的布置，使弧形杆件4与箍筋12平行，并通过轴向夹角固定螺母31与握杆3进行固定；

S33.通过调节径向夹角调节杆5相对弧形杆件4的角度，对光纤光栅传送组件的位置进行调整，以使光纤光栅传送组件适应并对齐所选择铺设光纤光栅2的主筋11位置，并通过径向夹角固定螺母52将径向夹角调节杆5固定在弧形杆件4；

S34.通过球铰7对光纤光栅传送组件进行角度调整，使光纤光栅2的移动方向与钢筋笼1轴向的方向一致，并通过球铰7固定螺母71将球铰7固定，从而固定该调整角度。

S4.通过握杆3将整个装置沿着钢筋笼1轴向移动前进，包括弧形杆件4、光纤光栅传送组件、光纤光栅2同时移动，并且光纤光栅传送组件穿越箍筋12；具体的穿越过程包括以下步骤：

S41.如图7所示，通过握杆3的按钮触发，对第一电动门631的线圈断电，使舵机64工作打开第一电动门631，拉动握杆3使光纤光栅2移动并使箍筋12进入到第一电动门631和第二电动门632之间，同时第二电动门632、第三电动门633保持与第二底座62相连；此时由于有两个电动门63与第二底座62相连，整个光纤光栅传送组件仍能保持良好的平衡稳定状态。

S42.如图8所示，通过握杆3的按钮触发，闭合第一电动门631，并对第一电动门631的线圈通电使其与第二底座62咬合更加紧密，对第二电动门632的线圈断电，使舵机64工作打开第二电动门632，拉动握杆3使光纤光栅2移动并使箍筋12进入到第二电动门632和第三电动门633之间，同时第一电动门631、第三电动门633保持与第二底座62相连；

S43.如图9所示，通过握杆3的按钮触发，闭合第二电动门632，并对第二电动门632的线圈通电使其与第二底座62咬合更加紧密，对第三电动门633线圈断电，使舵机64工作打开第三电动门633，拉动握杆3使光纤光栅2移动并使整个光纤光栅传送组件顺利通过箍筋12，同时第一电动门631、第二电动门632保持与第二底座62相连。

S5.每前进一个光栅间距(0.5～1.0m)，安装可拆卸的卡扣8，将光纤光栅2与主筋11初步连接且不固定。

S6.光纤光栅2拉动至钢筋笼1底部(不含锥体部分)，如图1所示，将含PVC保护软管21的光纤光栅2段通过可拆卸卡扣8与底部箍筋12固定。

S7.拆卸光纤光栅自适应铺设装置。

S8.在钢筋笼1开口端对光纤光栅2施加拉力：估算长螺旋压孔灌注桩(即钢筋混凝土桩)的模量为E

S9.在保持拉力作用下，通过可拆卸卡扣8将光纤光栅2中的传感器结点与主筋11固定，并尽量选取箍筋12与主筋11交接位置处，确保光纤的存活率。

S10.将光纤光栅2头部以及多余的部分放入镀锌铜管内，并将镀锌铜管与主筋11固定，从而防止钢筋笼1起吊、插入以及桩帽施工过程中光纤头部(用于连接光纤光栅2解调仪)的损伤，确保后期桩基试验时能进行轴力分布特性的测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。