一种大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置、监测方法及应用

本发明涉及建筑结构监测，特别是涉及一种大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置、监测方法及应用。

背景技术：

1、在现代高铁基础设施建设中，高铁桥梁的桩基设计与施工是确保桥梁结构安全、稳定和耐久的重要环节。随着高铁技术的飞速发展，高速列车对桥梁结构的要求越来越高，尤其是对桩基的竖向承载力和水平震动的影响。因此，桩基的承载特性与长期监测成为研究的重点。

2、大直径预应力高强混凝土（phc）管桩在承载能力和抗震性能上具有较为优越的表现，但在实际工程应用中，如何准确评估其长期承载能力和动态响应仍然面临挑战。特别是在高铁运行过程中，列车的振动荷载对桩基的影响逐渐引起了广泛关注。高铁列车在高速运行时，所产生的水平震动不仅会影响桩基的稳定性，还可能对桩基的长期性能产生负面影响。因此，亟需一种集成化、高效的试验装置以及系统化的长期监测方法，以适应现代高铁桥梁桩基的研究需求。

3、针对上述问题，本发明提出了一种大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置、监测方法及应用。

技术实现思路

1、本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置、监测方法及应用，可稳定在竖向抗压静载试验中监测大直径管桩的沉降变形及桩头的震动特性，为大直径管桩与承台桩基工程的研究和实践提供有力支持。

2、第一方面，本发明提供了大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置，具体包括由下至上依次连接的大直径管桩、荷载单元和承台，所述荷载单元或大直径管桩连接有至少一个竖向贯穿至承台上方的位移杆，其中，所述大直径管桩的管顶内侧设置有与管口齐平的钢筋笼，该钢筋笼底部连接有边缘包裹橡胶套管的第一钢板以形成上下层密封，且钢筋笼上安装有多个震动传感器，所述钢筋笼进行灌芯构成填充体，所述大直径管桩的外侧壁还开槽内嵌安装有多个光纤光栅传感器，在大直径管桩的管顶内侧加装钢筋笼，可提高桩头强度，适用于大直径管桩与承台基础连接的竖向抗压静载试验。

3、可选地，所述荷载单元包括至少一个荷载箱及分别水平连接于荷载箱两端的大托板和小托板。

4、可选地，所述荷载箱设置有三个，且呈正三角状布设，所述小托板呈八边加肋圆形构造，其底面与大直径管桩的顶面相适配，所述大托板呈八边加肋方形构造，其底面连接于三个荷载箱的顶面，且大托板的顶面与承台的底面连接，这种正三角状的荷载箱布设方式能够有效地均匀分布荷载，减少荷载施加过程中的偏心和不均匀性，从而提高管桩的承载性能和稳定性，小托板的八边加肋圆形构造增强了其结构强度，可以有效抵抗外部荷载引起的变形，确保试验的准确性，大托板的八边加肋方形构造同样具备优良的结构强度，并且其多边形的设计有助于荷载的均匀分布，在承台施工前还起到了固定保护套管的作用。

5、可选地，所述小托板由相平行的两个圆托板及竖向连接两者的八个直肋板构成，所述大托板由相平行的上托板、下托板及竖向连接两者的八个斜肋板构成，其中，小托板中的直肋板通过加强了荷载的分配能力，确保了荷载在小托板底面上的均匀传递，避免了大直径管桩桩顶局部集中受力现象，大托板中的斜肋板则通过形成有效的支撑结构，增强了大托板对荷载的分摊能力，使得荷载从大托板均匀地分配到承台的底面，从而进一步提升了试验装置在静载试验中的稳定性和准确性，通过这种设计，荷载不仅在托板之间得到了良好的分配，也确保了整个系统的受力均匀，避免了由于力传递不均导致的潜在问题。

6、可选地，所述位移杆共设置有四个，且均匀连接在小托板上，四个所述位移杆环绕布设于三个荷载箱的外侧，且所述承台和大托板上贯穿有四个保护套管，以提供空间供所述位移杆移动，四个位移杆的设置可以用于计算大直径管桩的均匀沉降情况；若由于操作不当或荷载箱出现故障导致无法加载或加载不均，会造成管桩受力不均并可能发生倾斜，从而使得位移杆的位移数据可能出现不准确的情况，在这种情况下，通过分析四个位移杆的沉降数据，可以及时发现异常沉降模式。

7、可选地，所述静载试验装置还包括有设置于承台上方的基准梁，所述基准梁上设置有与位移杆数量相适配的位移计，承台的底面还连接有若干提供反力的钻孔灌注桩，所述大直径管桩的管口外侧壁上包裹安装有抱箍，且大直径管桩的外侧壁均匀开槽安装有光纤光栅传感器和热成像传感器。

8、可选地，所述钢筋笼由多根水平环向箍筋与多根竖向u型钢筋连接组成笼状结构，且震动传感器对称布设于水平环向箍筋上，震动传感器靠近大直径管桩内壁位置的布设可以更准确地捕捉到管桩内部的震动和变形情况，提高传感器对震动信号的灵敏度和准确性，从而更准确地反映大直径管桩在高铁运行过程中的实际动态响应。

9、可选地，所述大直径管桩、承台和荷载单元由下至上依次连接，且位移杆一端连接所述大直径管桩，另一端连接所述荷载单元，利用位移计测量承台在抗拔静载试验中的位移数据。

10、可选地，所述填充体的材料可以是混凝土，具体还可以是再生骨料，如工业固体废弃物材料等绿色低碳混凝土。

11、第二方面，本发明还提供了使用第一方面中所述静载试验装置进行监测的方法，以所述静载试验装置作为高铁桥梁的桩基基础，使用震动传感器监测高铁运行过程中大直径管桩桩头的动力特性，使用光纤光栅传感器监测高铁运行过程中大直径管桩桩身内力的变化，使用热成像传感器监测大直径管桩在不同侵蚀环境中的腐蚀状态，侵蚀环境包括但不限于盐渍土、海水环境等，达到长期监测大直径管桩的沉降变形及桩头的震动特性的目的。

12、第三方面，本发明又提供了一种静载试验装置作为桩基基础在高铁桥梁中的应用，该静载试验装置具体为第一方面中所述的静载试验装置，所述应用还包括通过保护套管向大直径管桩的桩头注入高聚物材料后反应膨胀并固化，在被土层包围的荷载单元和大直径管桩周边分别形成高聚物材料反应物层和高聚物-土固化体，提高了桩基基础整体的强度及抗震性。

13、可选地，高聚物材料由多异氰酸酯和聚醚多元醇作为原料制成，或由聚酯多元醇作为原料制成。

14、本发明的有益效果是：

15、（1）本发明提出的大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置，通过依次连接的大直径管桩、荷载单元和承台，并在管桩内加装钢筋笼及传感器，可稳定在竖向抗压静载试验中监测大直径管桩的沉降变形及桩头的震动特性，为大直径管桩与承台桩基工程的研究和实践提供有力支持；

16、（2）本发明的荷载单元在静载试验后可作为支撑器预留在基础中，荷载箱在高铁车运行过程中产生不均匀沉降时可补充沉降差，因此本发明提出的大直径管桩与承台基础连接的静载试验装置可作为桩基基础应用在高铁桥梁中，同时通过保护套管向管桩桩头注入高聚物材料，高聚物材料具有高韧性的特点，在高铁列车运行过程中可以达到减震的效果，保护桩头；

17、（3）本发明提出的静载试验装置除了进行大直径管桩竖向抗压静载试验，在调整荷载单元施工顺序后可进行大直径管桩竖向抗拔静载试验，通过灌注桩锚固承台-管桩反力静载抗拔试验继而研究大直径管桩抗拔承载特性；

18、（4）本发明的静载试验装置提供了一整套监测系统，光纤光栅传感器可反映静载试验过程中管桩桩身内力的变化，震动传感器用于监测在高铁运行过程产生的水平震动荷载作用下管桩桩头的动力特性，达到水平震动荷载临界值时向远端控制pc端发出震动预警，热成像传感器用于实时采集图像并将采集的图像传递至远端控制pc端，直观反映大直径管桩在不同侵蚀环境中的腐蚀状态；

19、（5）传统锚桩法静载试验的试验桩存在浪费现象，本发明的静载试验装置中大直径管桩、荷载单元和承台最终均可用于实际工程（应用于高铁桥梁基础），大大节约试验成本，具有极高的经济效益。