基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置及方法

技术领域

本发明属于桩基加载领域，具体涉及一种基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置及方法。

背景技术

上部带有大型承台的桩基在现有建筑物中应用十分广泛，高承台桩基作为此类建筑物的主要受力构件，在长期受到外界荷载影响下可能受到损害，因此应重视桩基在长期使用期间内的完整性评估，以保证桩基质量。普通桩基在进行低应变检测时，通常是通过各种材质的力锤敲击桩顶，根据桩顶传感器采集到的速度信号响应从而判断桩身完整性。

然而在对既有建筑物下的桩基进行检测时，由于存在上部结构，此时无法在桩顶面直接施加竖向激励。若在桩身某一高度处另设一附加平台从而在桩身单侧竖向敲击，产生的是一偏心荷载。对于大直径桩而言，其受偏心效应的影响较明显，从而使桩身质点的速度响应波形结果杂乱，不易进行桩底反射区的直观判断。且传统的荷载激励方式多为使用小锤子进行手动敲击，敲击的受力点及锤击大小对结果波形影响较大，对参与试验者试验素质的要求较高。

发明内容

针对既有建筑物下的单桩基础无法较好地进行竖向加载的弊端，本发明拟设计提出一种基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置及方法。

本发明的发明构思是：首先，在出露地表的桩身一定高度处将两块对半式的平台绕过桩身，对齐两端的限位板孔，再将螺栓拧到带有内螺纹的限位板进行拼接，固定成一个整体圆环。此时应保证平台与桩身紧密接触，处于完全刚性连接。而后，在平台上部一定高度处将已经提前拼接成半成品的对半式卡扣环绕过桩身进行拼接，形成一个整体加载环。而后利用夹具将加载环提至平台上方指定高度处等待激励时刻达到时松开夹具，加载环做自由落体运动落至平台上从而给桩身施加了一个无偏心的环形竖向激励。

该激励方法原理简单，可实现既有建筑物下桩基完整性检测中理想的无偏心竖向激励；同时，利用本激励方法可有效地去除因试验者敲击失误等产生的主观误差；其次，本卡扣式装置可以通过增减加载环组件以适用于不同直径下桩基；且材料简单，经济性好，试验方法及过程也具有便捷、安全、可靠的特点。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供了一种基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置，其包括激振平台和卡扣式激振加载环；

所述激振平台由两个半环形的对半式平台结构拼接而成，且两个对半式平台结构的拼接位置通过可拆卸连接件连接；所述激振平台能够整体环绕安装于承台下方的待测桩基上，且在安装状态下其顶部为水平的平台，激振平台与待测桩基之间不能相对移动；

所述卡扣式激振加载环包括若干带肋分解组件和若干附加分解组件；所述带肋分解组件的主体呈板状，相邻带肋分解组件之间通过卡扣结构相连，组装成能够环绕于承台下方待测桩基上的第一加载环，用于对所述激振平台的顶部平台施加竖向激振；所述带肋分解组件和附加分解组件上分别设有能够相互拼合的榫卯结构，所述附加分解组件能够通过所述榫卯结构一一对应可拆卸式固定于第一加载环的带肋分解组件上，在第一加载环的内侧形成附加的第二加载环；所述第一加载环和第二加载环中用于与所述激振平台配合撞击的底面均为平面。

作为优选，所述的可拆卸连接件为设置于对半式平台结构两端的限位板和螺栓，在每个拼接位置的两个对半式平台结构端部均固定有一组开设内螺纹孔的限位板，两个对半式平台结构端部通过在一组限位板中插入螺栓进行固定。

作为优选，套于承台下方待测桩基上的卡扣式激振加载环与待测桩基之间存在间隙，使卡扣式激振加载环能够沿待测桩基上下垂直滑动。

进一步的，所述间隙宽度为待测桩基桩径的0.025～0.05倍。

作为优选，所述卡扣结构为分别设置于带肋分解组件两侧连接部位的肋型插件和插槽，相邻两个带肋分解组件通过肋型插件和插槽配合构成连接固定。

作为优选，所述榫卯结构为设置于所述带肋分解组件表面的第一凸台以及设置于附加分解组件表面的凹槽，附加分解组件通过凹槽扣合于带肋分解组件的第一凸台上。

进一步的，所述附加分解组件的表面还设有第二凸台，且第二凸台与凹槽分别设于附加分解组件的两个对向表面，所述的第二加载环由多层附加分解组件叠加组成。

作为优选，所述激振平台的径向厚度为待测桩基桩径的1/10～1/20。

第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一方案所述的竖向激振装置的既有建筑物下桩基无偏心竖向加载方法，其步骤如下：

S1、将两个对半式平台结构环绕于承台下方待测桩基上，并通过可拆卸连接件进行连接，形成相对于待测桩基的桩身固定不动的激振平台；

S2、将若干带肋分解组件环绕于承台下方激振平台上方的待测桩基上，并通过卡扣结构首尾相连，形成第一加载环；第一加载环的内侧根据第一加载环与待测桩基之间的间距大小增设附加分解组件，使得最终的卡扣式激振加载环与待测桩基之间仅具有保持两者竖向滑动的间隙；

S3、在每一次竖向激励加载之前，将拼装完成的卡扣式激振加载环整体进行提升，使其悬空保持于激振平台上方的指定高度处；

S4、当获得竖向激励加载命令时，释放悬空的卡扣式激振加载环使其自由下落，对激振平台施加竖向的无偏心激励，并进一步将该激励传递至待测桩基上。

作为优选，待所有激励结束后，将卡扣式激振加载环及激振平台从待测桩基的桩周拆除，等待换至下一根待测桩基处进行重新拼接。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：

本发明通过在既有建筑物下的桩身处增设一组对半式的附加平台及平台上部的加载环，将加载环提至平台上方一定高度处后使其自由落下，从而给待测桩基施加了一个无偏心的竖向激励。本发明消除了对既有建筑物下桩基进行无偏心竖向加载的困难，使桩基的低应变检测结果免受由于偏心激励带来的干扰，从而解决了因桩身速度响应曲线复杂从而无法准确运用低应变测试方法判断桩身完整性的问题。同时，本发明所提的方法原理简单，操作易于实现，只要加载环被提起的高度保持不变即可保证每次激励的一致性，可消除传统低应变方法中由于测试者实验水平参差不齐所带来的主观误差。除此以外，本发明装置构造简单，加工成本低，且由于加载环可根据待测桩基的桩径大小进行相应增减分解组件从而调整内圈尺寸，以保证在不同直径的受测桩上均可连接成一个整体加载环。且由于其是单个组件拼接构成的连接件，在激励完成后可进行拆卸还原成原始的分解组件，从而起到了可回收的作用。

附图说明

图1是本发明提出的对半式平台的分解结构示意图；

图2是将两个对半式平台结构连接完成的正视图；

图3是将两个对半式平台结构连接完成的侧视图；

图4是本发明提出的加载环的带肋分解组件结构示意图

图5是本发明提出的加载环的附加分解组件结构示意图

图6是将多个分解组件拼接成半圆形加载环组件的示意图；

图7是将多个分解结构拼接成整个加载环的示意图；

图8是加载装置组装完成后，将加载环提至平台上方一定高度的示意图；

图9加载环自由下落在平台上从而给桩身施加激励的示意图。

上述图中附图标记为：1-对半式平台结构、2-限位板、3-螺栓、4-激振平台、5-第一凸台、6-肋型插件、7插槽、8-带肋分解组件、9-第二凸台、10凹槽、11-附加分解组件、12-对半式加载环、13-卡扣式激振加载环、14-待测桩基、15-承台。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

本发明公开了一种基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置及利用该装置的竖向激振方法，该方法尤其适用于既有建筑物下受测桩低应变完整性检测中的激励工况。

在本发明的一个较佳实施例中，该基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置的主要结构包括激振平台4和卡扣式激振加载环13两部分。

其中，激振平台4由两个半环形的对半式平台结构1拼接而成，且两个对半式平台结构1的拼接位置通过可拆卸连接件连接，可拆卸连接件的具体形式不限，只要能够实现对半式平台结构1的连接固定即可。但考虑到对于不同桩身直径的适应性，对半式平台结构1所采用的可拆卸连接件最好对对半式平台结构1具有一定的径向直径调节功能，使得两个对半式平台结构1以类似卡箍的形式固定于承台15下方的待测桩基14上，激振平台4整体环绕于待测桩基14的桩周。激振平台4的作用是承接卡扣式激振加载环13所施加的冲击力，进而将其传到至待测桩基14上，因此为了实现该功能，在安装状态下激振平台4的顶部应当为水平的平台，而且激振平台4与待测桩基14之间需要保持一定的预紧力，使得激振平台4在激振加载环13的冲击下相对于待测桩基14不会相对移动。

在本实施例中，如图1和2所示，可拆卸连接件为设置于对半式平台结构1两端的限位板2和螺栓3。其中一个对半式平台结构1的两个端部分别设置一块限位板2，另一个对半式平台结构1的两个端部也分别设置一块限位板2，每块限位板2中开设内螺纹孔。两个对半式平台结构1在对向拼合时，四块限位板2两两为一组对接且内螺纹孔同轴，由此两个对半式平台结构1端部通过在每一组限位板2中插入一个螺栓3即可实现在桩身上的固定，如图3所示。激振平台4可以通过螺栓3的拧紧程度来适应于不同桩径的待测桩基14。螺栓3根据限位板2中预留内螺纹尺寸相应选择规格。

另外，本发明中的卡扣式激振加载环13包括若干带肋分解组件8和若干附加分解组件11。相邻带肋分解组件8之间通过卡扣结构相连，组装成能够环绕于承台15下方待测桩基14上的第一加载环，用于对所述激振平台4的顶部平台施加竖向激振。如图4所示，带肋分解组件8的主体呈板状，相邻带肋分解组件8之间的连接是通过卡扣结构来实现的，卡扣结构的具体形式不限。在本实施例中，卡扣结构为分别设置于带肋分解组件8两侧连接部位的肋型插件6和插槽7，肋型插件6呈圆柱状，而插槽7成圆柱孔状，两者的直径基本相同，肋型插件6能够以间隙配合或者过盈配合的形式插入插槽7中。因此，相邻两个带肋分解组件8通过肋型插件6和插槽7配合即可构成连接固定，所有的带肋分解组件8首尾相连即可形成第一加载环。

另外，为了进一步方便地调整卡扣式激振加载环13的整体重量以及其内径，还可以在第一加载环附加一层或者多层附加分解组件11，进而形成第二加载环。如图5所示，附加分解组件11的主体也呈板状，但是其两侧没有肋型插件6和插槽7，也就是说附加分解组件11之间本身不需要连接，它是通过安装于带肋分解组件8实现固定的。带肋分解组件8和附加分解组件11上分别设有能够相互拼合的榫卯结构，附加分解组件11能够通过榫卯结构可拆卸式固定于第一加载环的带肋分解组件8上，而且附加分解组件11是一一对应固定于带肋分解组件8上的，从而在第一加载环的内侧形成附加的第二加载环。

上述带肋分解组件8和附加分解组件11之间拼接的榫卯结构可以采用多种形式，在本实施例中榫卯结构为设置于带肋分解组件8表面的第一凸台5以及设置于附加分解组件11表面的凹槽10。第一凸台5位于带肋分解组件8朝向桩身的一侧侧面上，而凹槽10位于附加分解组件11背离桩身的一侧侧面上，第一凸台5能够以间隙配合或者过盈配合的形式装配与凹槽10中，从而使附加分解组件11扣合于带肋分解组件8上。

需注意的是，上述卡扣式激振加载环13的必要组件是第一加载环，而第二加载环是根据需要进行安装的。当第一加载环的内径与待测桩基14匹配，两者之间仅存在较小间隙时，无需附加第二加载环，第一加载环自身就可以实现自由落体的冲击功能，其下落过程中能够基本保持垂直下落。但当第一加载环的内径与待测桩基14不匹配，使得其套在待测桩基14上时间隙过大时，容易造成下落过程中水平发生偏移，无法保证垂直下落，因此需要增设第二加载环，来减小卡扣式激振加载环13的内径。当然，上述第一加载环和第二加载环中具体组件的拼装顺序不限，可以先在未组装成环体的情况下先将附加分解组件11扣合于带肋分解组件8，然后再整体安装至待测桩基14上形成环体，也可以先在待测桩基14上形成第一加载环，再扣合附加分解组件11形成第二加载环。

另外，由于第一加载环和第二加载环的功能是对激振平台4施加冲击力，为了保证该瞬时冲击力均衡，第一加载环和第二加载环中用于与激振平台4配合撞击的底面均需要为平面。

另外，如图5所示，本实施例中附加分解组件11的表面还设有第二凸台9，且第二凸台9与凹槽10分别设于附加分解组件11的两个对向表面。该第二凸台9的作用是可以在一层附加分解组件11上再安装另一层附加分解组件11，安装时一层附加分解组件11的第二凸台9卡入另一层附加分解组件11的凹槽10中实现固定，因此第二加载环可以根据实所针对的桩身桩径，灵活地采用一层或多层附加分解组件11叠加组成。因此，本发明中卡扣式激振加载环13的具体结构应当根据实际情况选择，以套于承台15下方待测桩基14上的卡扣式激振加载环13与待测桩基14之间仅存在间隙，使卡扣式激振加载环13能够沿待测桩基14上下垂直滑动但无法大幅度水平移动为准。

总体而言，为了上述功能能够实现，卡扣式激振加载环13与待测桩基14之间的间隙宽度优选为待测桩基14桩径的0.025～0.05倍。激振平台4的径向厚度优选为待测桩基14桩径的1/10～1/20。在本实施例中，卡扣式激振加载环13的内径应与待测桩基14的直径尺寸相同，厚度建议取值为桩径的1/20。平台上限位板2的内螺纹直径应与桩径成正相关关系，不宜过小或过大。拼接完成的卡扣式激振加载环13与桩身之间应存在一定空隙，卡扣式激振加载环13直径建议取值为1.1倍待测桩基14桩径，方便进行加载时使加载环可以沿着桩身自由落下。

在本发明的一个优选实施例中，上述基于卡扣式装置的带承台桩基无偏心竖向激振装置的加工和安装过程如下：

参照图1，首先在加工厂内根据待测桩基的尺寸制作平台板及带内螺纹的限位板2，将两者焊接形成两个对半式平台结构1。根据限位板螺纹孔的尺寸挑选四个相应规格的螺栓3，等待拼接。

如图2和图3所示，进一步地，将对对半式平台结构1分别绕过出露地表的待测桩基14的桩身，缓慢将两个对半式平台结构1紧密地对接在一起，确保螺栓3可从限位板2对齐的内螺纹孔中拧入，且应注意防止拧入过程中平台发生倾斜，保证螺栓3将对半式平台牢牢连接，将其紧固成一个环形的激振平台4。另外，需要保证激振平台4和桩身处于紧密连接状态，确保其不会自由滑落，拼接完成。

如图4和图5所示，在加工厂内根据待测桩基14的尺寸制作一系列加载环带肋分解组件8和附加分解组件11，注意带肋插件8尺寸应与插槽7尺寸一致，第一凸台5以及第二凸台9尺寸应和凹槽10尺寸一致，以确保在拼接时凸起部位可顺利插入凹进部位以完成相邻组件的拼接。

图6是将预制好的单个带肋分解组件8的肋型插件6插入到相邻的另一待拼接带肋分解组件8的插槽7中进行拼接，适度调整拼接角度将其拼为两个对半式加载环12，先拼装成两个半环形的对半式加载环12的目的是为了便于安装。此时，若有需要调节内径，可将附加分解组件11上的凹槽10插入至带肋分解组件8的凸台5上，不断重复卡扣式拼接步骤在两个对半式加载环12形成一层或多层附加分解组件11，从而进行内径的调整以适应桩身尺寸。图7是将两个对半式加载环12绕过平台上方的桩身14进行最后拼装，使其形成一整体的卡扣式激振加载环13。

图8是利用夹具将拼装完成的卡扣式激振加载环13提至平台4上方具体高度根据激励大小而定，本实施例中优选为30cm处，等待加载命令。图9是卡扣式激振加载环13作自由落体运动落至平台4处，从而给桩身14施加了一个竖向的无偏心激励，本次激励结束。待所有激励结束后，可将加载环及平台从桩周拆除，等待换至下一根待测桩基处进行重新拼接。

因此，基于上述竖向激振装置，本发明提供了一种既有建筑物下桩基无偏心竖向加载方法，其步骤如下：

S1、将两个对半式平台结构1环绕于承台15下方待测桩基14上，并通过可拆卸连接件进行连接，形成相对于待测桩基14的桩身固定不动的激振平台4；

S2、将若干带肋分解组件8环绕于承台15下方激振平台4上方的待测桩基14上，并通过卡扣结构首尾相连，形成第一加载环；第一加载环的内侧根据第一加载环与待测桩基14之间的间距大小增设附加分解组件11，使得最终的卡扣式激振加载环13与待测桩基14之间仅具有保持两者竖向滑动的间隙；

S3、在每一次竖向激励加载之前，将拼装完成的卡扣式激振加载环13整体进行提升，使其悬空保持于激振平台4上方的指定高度处；

S4、当获得竖向激励加载命令时，释放悬空的卡扣式激振加载环13使其自由下落，对激振平台4施加竖向的无偏心激励，并进一步将该激励传递至待测桩基14上。

待所有激励结束后，将卡扣式激振加载环13及激振平台4从待测桩基14的桩周拆除，等待换至下一根待测桩基处进行重新拼接。

需说明的是，本发明上述附图中所展示的加载环带肋分解组件及附加分解组件均仅设有两排凸台，单实际上可根据需求，在设计及施工时将凸台排数增多，以增长组件的长度，节约加载环组件的个数，提高拼接效率。

尽管上述表述结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。