一种抗浮锚杆桩试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域中的锚杆桩，尤其涉及一种抗浮锚杆桩试验装置及试验方法。

背景技术

随着城市化进程快速向前推进，地下空间的开发利用不断沿深度发展。这就对地下工程如何抗浮提出了更高的要求，而抗浮锚杆桩近年来在建筑工程地下抗浮措施中因其独特的性能而得到广泛的应用，但由于岩土体的复杂多变性，使得锚杆在土中的受力情况十分复杂，抗浮锚杆桩锚固能力的计算十分困难。

目前工程中常采用传统静压锚杆桩拉拔试验来测得锚杆桩的粘锚能力，从而研究抗浮锚杆桩的桩身变形。但采用这种传统的百分表以及压力传感器进行监测时，往往存在易受电磁干扰、容易损坏造成监测数据缺失，不能全面获取抗浮锚杆桩拉拔试验特性，难以实现锚杆桩的优化设计和施工。

针对上述抗浮锚杆桩传统试验方法出现的不足之处，采用新的技术和方法来研究抗浮锚杆桩桩身变形对于推广和使用具有重要意义，因此，开发一种抗浮锚杆桩试验装置成为亟需解决的技术问题。

发明内容

发明目的：本发明公开了一种抗浮锚杆桩试验装置及试验方法，以克服现有技术中采用传统方法时易受电磁干扰、不能全面获取抗浮锚杆桩拉拔试验特性的缺点。

技术方案：本发明抗浮锚杆桩试验装置包括抗浮锚杆桩、传感组件、温湿度感测系统、数据采集系统、数据传输系统、数据处理与分析系统、监测结果显示系统和加载系统；

传感组件布设在抗浮锚杆桩外侧；传感组件接入数据采集系统内；

传感组件包括第一应变传感光纤、第二应变传感光纤和温度传感光纤；第一应变传感光纤布设在锚杆内，第二应变传感光纤和温度传感光纤固定在锚杆上；

数据采集系统包括BOTDA数据采集系统、光纤光栅数据采集系统和DTS数据采集系统；数据通过数据传输系统传输给数据处理与分析系统；

加载系统采用千斤顶竖向荷载施加系统。

抗浮锚杆桩为现浇锚杆桩，利用打桩机器在现场打孔，然后在孔内浇筑混凝土形成锚固体，然后将锚杆沉放到一次注完浆的孔内，然后进行二次注浆，最终形成抗浮锚杆桩。

测得的数据通过数据传输系统传输给数据处理与分析系统，该装置系统的数据传输系统通过信息传输到系统中的云平台中，云平台的数据再利用5G传输到数据处理与分析系统。

加载系统包括位于锚杆桩顶上的钢垫板、钢支座、反力梁、钢梁和千斤顶，钢支座位于钢垫板上，千斤顶位于钢梁上。

本发明抗浮锚杆桩试验方法，将第一应变传感光纤布设在锚杆内部，将第二应变传感光纤和温度传感光纤固定在锚杆外侧，通过加载系统进行抗浮锚杆桩拉拔试验，将数据采集系统采集的数据通过数据传输系统导入数据处理与分析系统，得出抗浮锚杆桩应力应变曲线、时间-温度曲线，并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。

本发明抗浮锚杆桩试验方法具体包括以下步骤：

步骤(1)，选择规定要求的钢筋，固定在一起形成锚杆；

步骤(2)，对钢筋表面进行清理，使用墨盒画线的方式在钢筋表面放线，画出预定铺设线路，使得敷设线路平直，利用切割机沿着墨线开凿出一条凹槽，作为光纤铺设的线路；

步骤(3)：对预定铺设线路进行清洁，避免卡断光纤；

步骤(4)，将第一应变传感光纤沿着凹槽布设，其中光纤布设完成后将光纤固定保护在凹槽内，此外将第二应变传感光纤与温度传感光纤紧贴锚杆四周布设，布设完成后固定，并对光缆进行预拉，光纤桩身的部分均采用铠装保护套进行保护；

步骤(5)，利用打桩机打孔，然后在孔中浇筑混凝土，将锚杆沉放到浇筑好的混凝土的孔洞内，然后再进行二次浇筑，在孔洞口对测点进行保护，然后对抗浮锚杆桩进行养护；

步骤(6)，养护完成后，将应变传感光纤和温度传感光纤端部分别与传感光纤熔接，光纤熔接处加上增加强度和耐久性的热缩管，将第一应变传感光纤与光纤光栅数据采集系统连接，第二应变传感光纤与BOTDRA数据采集系统连接，温度传感光纤与DTS数据采集系统连接；

步骤(7)，将桩顶两边放置钢垫板，在钢垫板上放置钢支座，然后放置反力梁，再利用工字型钢梁加固，接着将千斤顶水平居中放置在工字型钢梁上，最后在千斤顶上部固定放置锚垫板；

步骤(8)，在荷载施加系统中，以抗浮锚杆桩为中心，千斤顶合力中心与桩轴线重合，施加所需的力进行拉拔试验；

步骤(9)，根据需求将光纤接头与监测工具箱中的不同数据采集系统连接，设置好相应参数并检查系统连通性后进行初始值采集，核实监测数据有效性以便进行后续测试；

步骤(10)，将测得的数据通过数据传输系统传递到数据处理与分析系统，得到抗浮锚杆桩的应力应变曲线、时间-温度曲线、并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。

步骤1中，对所选的钢筋，采用点接并筋的方式形成试验所需要的锚杆。

步骤5中，在打桩机进行打孔时，放置钢护筒，防止锚杆下放时锚杆歪斜进入孔壁无法到达孔底，并且在锚杆下放过程中，保证锚杆竖直，从而避免光纤发生折断情况；混凝土注浆采用C35细石混凝土，进行二次注浆养护，打桩结束后，在测点位置放置警示牌警示现场施工人员，达到保护测点的目的。

步骤6中，光纤熔接的步骤包括：

(a)剥除光纤端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取酒精擦拭裸纤表面灰尘；

(b)对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口平整；

(c)将两根制备好的光纤固定于熔接机凹槽中,分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行自动放电熔接；

(d)待熔接完成后将套在光纤端头附近的热缩管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热缩管固定于光纤熔接部位以此获得保护。

步骤8中，拉拔试验为循环分级加载，每级荷载下观测时间不少于5分钟，测读数据次数不少于3次。

工作原理：本发明抗浮锚杆桩桩身变形监测试验中，通过在抗浮锚杆桩桩身锚杆内部凹槽布设第一应变传感光纤，以及在四周布置第二应变传感光纤和温度传感光纤，利用竖向荷载施加系统对抗浮锚杆桩进行拉拔试验，并利用BOTDA数据采集系统、光纤光栅数据采集系统以及DTS数据采集系统，进而高精度测得抗浮锚杆桩桩身应变及温度。其中的传感技术是以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号，可对温度、应变、断点损耗进行实时长期高精度监测。具体试验过程为：

本发明将0.9mm第一应变传感光纤开槽布设在锚杆内部，采用AB胶封装固定，将2.0mm第二应变传感光纤与温度传感光纤定点固定在锚杆外侧面上定点固定采用自锁式尼龙扎带，使其稳固，随桩身协调变形。通过千斤顶竖向荷载施加系统施加所需荷载进行抗浮锚杆桩现场拉拔试验，使用光纤光栅数据采集系统采集0.9mm第一应变传感光纤数据，使用BODTA数据采集系统采集2.0mm第二应变传感光纤数据，使用DTS数据采集系统采集温度实时数据，掌握抗浮锚杆桩桩身变形的应变分布以及温度分布的实时数据，将采集的数据通过数据传输系统导入数据处理与分析系统，得出抗浮锚杆桩应力应变曲线、时间-温度曲线，并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。

有益效果：本发明具有以下优点：

(1)本发明将光纤光栅、BOTDA与DTS监测技术结合起来，具有施工布线简单、灵敏度高、空间分辨率高、抗干扰能力强、数据测量精度高、测量范围大和环境适应能力强的优点，而且具有防水性和耐高温的特性，适合抗浮锚杆桩测量，可对抗浮锚杆桩温度分布和应变分布精确动态测量。

(2)本发明的监测工具箱将光纤光栅、BOTDA与DTS光纤监测技术结合起来，小巧便携，适用于各种工作环境的使用，并且配置的数据处理与分析系统实现了抗浮锚杆桩桩身应力应变分布、桩身温度随时间变化数据的自动化处理。

(3)本发明整套试验装置自动化程度高，操作简单快捷，测量效果好，工作环境适应性强，应用前景广泛，便于推广使用。

附图说明

图1为本发明试验装置结构示意图；

图2为本发明试验装置内部示意图；

图3为本发明试验装置立体图；

图4为抗浮锚杆桩光纤布设示意图；

图5为抗浮锚杆桩横截面光纤布设示意图。

具体实施方式

实施例

如图1至图5所示，本发明抗浮锚杆桩试验装置包括抗浮锚杆桩1、传感组件、温湿度感测系统8、数据采集系统、数据传输系统、数据处理与分析系统10、监测结果显示系统11、加载系统和太阳能电池板23；具体为：

传感组件包括0.9mm第一应变传感光纤2、2.0mm第二应变传感光纤3、温度传感光纤4；数据采集系统包括BOTDA数据采集系统5、光纤光栅数据采集系统6和DTS数据采集系统7；抗浮锚杆桩1为现浇锚杆桩，利用打桩机器在现场打孔，然后在孔内浇筑混凝土形成锚固体16，然后将锚杆15沉放到一次注完浆的孔内，再进行二次注浆，最终形成抗浮锚杆桩1。

光纤共采用3种光纤，分别为0.9mm第一应变传感光纤2、2.0mm第二应变传感光纤3和温度传感光纤4，其中0.9mm第一应变传感光纤2开槽布设在锚杆15内，2.0mm第二应变传感光纤3与温度传感光纤4紧贴锚杆四周布设，并用扎带37进行固定。

针对监测工具箱12，第一应变传感光纤2、第二应变传感光纤3、温度传感光纤4与跳线13熔接后与监测工具箱12连接，根据不同的监测需求搭接不同的接口，如第一光纤接口28、第二光纤接口29、第三光纤接口30和第四光纤接口31。

0.9mm第一应变传感光纤2与光纤光栅数据采集系统6连接，2.0mm第二应变传感光纤3与BOTDA数据采集系统5连接，温度传感光纤4与DTS数据采集系统7连接，将采集的数据通过数据传输系统9传入数据处理与分析系统10，数据处理与分析系统连接监测结果显示系统11，将处理后监测数据显示于监测结果显示系统。

本发明装置在抗浮锚杆桩进行拉拔试验监测时，利用千斤顶21进行施加压力，在监测开始时，将光纤传感器与跳线13熔接，熔接处使用热缩管14进行保护，然后进行试验监测。

测得的数据要通过数据传输系统9传输给数据处理与分析系统10，该装置系统的数据传输系统通过5G信息传输到系统中的云平台中，云平台的数据再利用5G传输到数据处理与分析系统10。

对于装置中的温湿度感测系统8，通过将引线接入温湿度感测系统的接口31，根据需求测得周边土体环境或者桩体环境的温湿度情况。

在监测工具箱外表面，设置了二维码24。工作人员通过扫描工具箱表面的二维码了解该试验装置的详细原理和使用方法，并且只要打开监测工具箱上的一键式开关按钮25即可打开本发明试验装置。

如图1所示，本发明试验装置包括抗浮锚杆桩、0.9mm第一应变传感光纤、2.0mm第二应变传感光纤、温度传感光纤、BOTDA数据采集系统、DTS数据采集系统、光纤光栅数据采集系统、温湿度感测系统、数据传输系统、数据处理与分析系统、监测结果显示系统以及加载系统，其中系统加载主要依靠千斤顶装置提供所需拉力。

如图2、图3所示，为试验装置监测系统内部示意图，监测工具箱12包括BOTDA数据采集系统5、DTS数据采集系统7、光纤光栅数据采集系统6和温湿度感测系统8四个监测系统，其中数据传输将计算机中的监测数据通过5G无线信号传输到数据处理与分析系统，并且该装置也可通过太阳能电池板23无线充电。

另外，监测工具箱12外壳上设有防尘网26，防尘网上开设有散热口27，显示结果通过第一显示屏32和第二显示屏40显示出；监测工具箱12上方设有支架33，监测工具箱侧面依次布设有温度传感器37、湿度传感器38、锂电池组39、电源41、散热风扇42、无线数据传输终端43和电源灯44。

从图4抗浮锚杆桩光纤布设示意图，以及图5抗浮锚杆桩横截面光纤布设示意图中可以看出，该试验装置将0.9mm第一应变传感光纤2水平铺设在凹槽内，采用AB胶固定，2.0mm第二应变传感光纤3与温度传感光纤8定点固定在锚杆15外侧面上，定点固定采用自锁式尼龙扎带固定。

本发明试验装置的试验方法如下：

(1)选择三根直径为25mm的HRB400的钢筋，采用点接并筋的方式形成试验所需要的锚杆；

(2)对钢筋表面进行清理，使用墨盒画线的方式在钢筋表面放线，画出预定铺设线路，使得敷设线路平直，利用切割机沿着墨线开凿出一条直径3mm凹槽，作为光纤铺设的线路；

(3)对预定铺设线路进行清洁，清除表面的异物，使其表面平整光滑，避免卡段光纤；

(4)将0.9mm第一应变传感光纤沿着凹槽布设，其中光纤布设完成后利用AB胶34将光纤固定保护在凹槽35内，此外将2.0mm第二应变传感光纤与温度传感光纤紧贴锚杆外侧四周布设，布设完成后利用扎带36进行固定，并对光缆进行预拉使分布式光纤传感器处于绷直状态，光纤桩身的部分均采用铠装保护套进行保护；

(5)利用打桩机打孔，打孔时放置钢护筒以防止锚杆下放时歪斜，然后在孔中浇筑混凝土，将锚杆沉放到浇筑好的混凝土的孔洞内，混凝土注浆采用C35细石混凝土，进行二次注浆养护，在孔洞口对测点进行保护，然后对抗浮锚杆桩进行养护；打桩结束后，在测点位置放置警示牌警示现场施工人员，达到保护测点的目的；在打桩机进行打孔时，要放置钢护筒，并且在锚杆下放过程中，保证锚杆竖直，从而避免光纤发生折断的意外情况；

(6)养护完成后，将应变传感光纤和温度传感光纤端部分别与传感光纤熔接，光纤熔接处加上增加强度和耐久性的热缩管，0.9mm第一应变传感光纤与光纤光栅数据采集系统连接，2.0mm第二应变传感光纤与BOTDA数据采集系统连接，温度传感光纤与DTS数据采集系统连接；

(7)将桩顶两边对称放置钢垫板17，在钢垫板上放置钢支座18，然后放置反力梁19，再利用工字型钢梁20加固，接着将千斤顶21水平居中放置在工字型钢梁上，最后在千斤顶上部固定放置锚垫板22；

(8)荷载施加系统，以抗浮锚杆桩为中心，千斤顶合力中心与桩轴线重合，施加所需的力进行拉拔试验；拉拔试验为循环分级加载，每级荷载下观测时间不少于5分钟，测读数据次数不少于3次；

(9)根据需求将光纤接头与监测工具箱中的不同数据采集系统连接，设置好相应参数并检查系统连通性后进行初始值采集，核实监测数据有效性以便进行后续测试；

(10)将测得的数据通过数据传输系统传递到数据处理与分析系统，得到抗浮锚杆桩的应力应变曲线、时间-温度曲线、并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。

步骤(6)中，在光纤熔接处加上增加刚度和耐久性的热缩管时，光纤熔接的步骤包括：

a、剥除光纤端头表面的涂面保护层，用无尘纸蘸取酒精擦拭裸纤表面灰尘；

b、对擦拭好的裸纤接头进行切割，切割时保证光纤固定在切割刀预留的凹槽中，切割后的光纤端面断口平整；

c、将各两根备制好的光纤固定于熔接机凹槽中，分别对好两根端头，然后启动熔接机对两端头进行放电熔接；

d、待熔接完成后将套在光纤端头附近的热缩管移至熔接位置，将熔接部位放置于熔接机加热装置内进行加热，使热缩管固定于光纤熔接部位以此获得保护。