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摘要： 本文介紹了瑞士Solexperts公司滑動(dòng)測(cè)微計(jì)（Sliding Micvometer）的原理及其在單樁靜載試驗(yàn)中的應(yīng)用。試樁類型包括鋼管樁、灌注樁、方型預(yù)制樁、預(yù)應(yīng)力管樁、支盤(pán)樁……等。該儀器可連續(xù)地測(cè)定樁身每米內(nèi)的平均應(yīng)變，通過(guò)荷載應(yīng)變關(guān)系曲線可計(jì)算樁側(cè)摩阻力、端阻力、最大彎矩點(diǎn)，臨介水平荷載、極限水平荷載、撓度曲線、負(fù)摩阻力等樁基設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，還可評(píng)價(jià)樁身質(zhì)量。多個(gè)工程實(shí)例表明，這種儀器是一種高精度、使用方便、在巖土工程領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景的儀器。

關(guān)鍵詞：滑動(dòng)測(cè)微計(jì)、單樁靜載試驗(yàn)、正負(fù)摩阻力、端阻力
 

1、概述

以往樁身應(yīng)變測(cè)量一般采用鋼筋計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)或壓力盒，由于探頭與介質(zhì)之間無(wú)法做到理想匹配以及電測(cè)元件零點(diǎn)飄移，實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較大，即使測(cè)量結(jié)果較可靠，也只能代表測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值，是一種典型的點(diǎn)法監(jiān)測(cè)（Pointwise observation）方法。

圖1(a) 計(jì)算模型                圖1(b) 三種直徑鋼筋計(jì)的實(shí)測(cè)力及應(yīng)變值

軸對(duì)稱有限單元法計(jì)算表明：由于鋼筋計(jì)的直徑大于鋼筋直徑及二端的凸出部份，它在樁中的實(shí)測(cè)應(yīng)力及應(yīng)變均大于實(shí)際應(yīng)力或應(yīng)變，如圖1所示，20、30、40mm鋼筋計(jì)的力增長(zhǎng)率為27.8——21.1%，應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率為30.6——18.2%。

由于應(yīng)變計(jì)的彈性模量不等于混凝土的彈模，混凝土應(yīng)變計(jì)也存在同樣問(wèn)題，當(dāng)假定應(yīng)變計(jì)的彈模介于2——55GPa時(shí)，實(shí)測(cè)應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)27——11%，一般弦式應(yīng)變計(jì)彈模約為0.5——0.8GPa，因此誤差更大，如圖2、3所示。

             
 
                   弦式應(yīng)變計(jì)                                 混凝土                    

   圖2 計(jì)算模型                 圖3 應(yīng)變計(jì)實(shí)測(cè)應(yīng)變與計(jì)算應(yīng)變對(duì)比

80年代初期，瑞士聯(lián)邦蘇黎世綜合科技大學(xué)Kovari教授等人提出了線法監(jiān)測(cè)原理（Linewise observation）及相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)——滑動(dòng)測(cè)微計(jì)（Sliding Micrometer——ISETH）^{[1]、[2]、[3]}。

滑動(dòng)測(cè)微計(jì)主體為一標(biāo)距長(zhǎng)1m，兩端帶有球狀測(cè)頭的位移探頭，內(nèi)裝一個(gè)線性電感位移計(jì)和一個(gè)NTC測(cè)度計(jì)。為了測(cè)定線上的應(yīng)變及溫度分布，測(cè)線上每隔1m安置一個(gè)具有特殊定位功能的環(huán)形標(biāo)，其間用硬塑料（HPVC）管相連，滑動(dòng)測(cè)微計(jì)可依次測(cè)量?jī)蓚€(gè)環(huán)形標(biāo)之間的相對(duì)位移，并可用于多條測(cè)線（圖4、5）。

圖4 滑動(dòng)測(cè)微計(jì) 

 


圖5 滑動(dòng)測(cè)微計(jì)測(cè)試原理

相對(duì)于試樁中的鋼筋計(jì)、壓力盒等點(diǎn)法固定式儀器而言滑動(dòng)測(cè)微計(jì)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
        (1)    連續(xù)地測(cè)定標(biāo)距為1m的測(cè)段平均應(yīng)變，分辨率高（1με），各部位微小變形都反映在測(cè)值中，可評(píng)估構(gòu)件質(zhì)量，計(jì)算彈性模量。傳統(tǒng)方法只能測(cè)定幾個(gè)點(diǎn)的應(yīng)變，兩點(diǎn)之間的變形只能推斷，而且測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變由于探頭介入而產(chǎn)生局部應(yīng)力畸變，其測(cè)量值將偏離真實(shí)值。
        (2)    傳統(tǒng)方法是將被測(cè)元件預(yù)埋在構(gòu)件內(nèi)部，不僅測(cè)點(diǎn)有限，而且易于損壞，更主要的是零點(diǎn)飄移無(wú)法避免，不能修正。新方法只在構(gòu)件內(nèi)埋設(shè)套管和測(cè)環(huán)，用一個(gè)探頭測(cè)量，簡(jiǎn)單可靠，不易損壞，而且探頭可隨時(shí)在銦鋼標(biāo)定筒內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定，筒體溫度系數(shù)小于1.5×10^-6/°C,可有效地修正零點(diǎn)飄移，適用于長(zhǎng)期觀測(cè)。
        (3)    新方法所用的探頭具有溫度自補(bǔ)償功能，溫度系數(shù)小于2×10^-6/°C，而且附有一支分辨率為0.1°C的NTC溫度計(jì),可隨時(shí)監(jiān)測(cè)構(gòu)件溫度,適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，例如：樁身負(fù)摩阻力監(jiān)測(cè)，巖土工程、鋼或混凝土等大型構(gòu)件長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等，以區(qū)分溫度應(yīng)變及應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變，這是傳統(tǒng)方法無(wú)法做到的。
        (4)    對(duì)于承受橫向力的大型構(gòu)件，如樁、地下連續(xù)梁，大壩等，平行埋設(shè)二條測(cè)線，利用應(yīng)變差計(jì)算橫向位移，其分辨率和精度比常用的傾斜計(jì)相應(yīng)指標(biāo)高一個(gè)量級(jí)，可達(dá)1×10^-5，而且可用于任何方向鉆孔中。^[4]

2．應(yīng)用實(shí)例

從1987年開(kāi)始，本項(xiàng)測(cè)試技術(shù)在我國(guó)北侖電廠試樁工程中應(yīng)用，隨后普遍應(yīng)用于陜西蒲城電廠、山西河津電廠、陽(yáng)泉第二電廠、陜西寶雞第二電廠試樁，它適用于各種土層及各種樁型。近10年來(lái)，歐美大地儀器公司及巖泰高新技術(shù)公司利用瑞士滑動(dòng)測(cè)微計(jì)(Sliding Micrometer)測(cè)定了幾十個(gè)工程、幾百條試樁，均取得了滿意的結(jié)果。 

2．1垂直靜載試樁

試驗(yàn)采用錨樁反力形式，慢速維持荷載法加壓。加載前自上而下及自下而上二次測(cè)定每條試管中的初始讀數(shù)，以保證測(cè)試精度，每級(jí)荷載穩(wěn)定后測(cè)定相應(yīng)讀數(shù)，其差值即為各級(jí)荷載下每一測(cè)段的應(yīng)變值。在鋼筋籠的對(duì)稱部位平行埋設(shè)了二條測(cè)管，測(cè)管中每隔１m安裝一個(gè)錐形合金測(cè)環(huán)。采用兩管相應(yīng)測(cè)段的平均應(yīng)變進(jìn)行分析計(jì)算，從而避免了加載時(shí)的偏心影響。當(dāng)用于水平試樁時(shí)，二條測(cè)管的連線方向必須和推力一致。

由于鉆孔直徑及樁身混凝土質(zhì)量的差異，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不可避免地存在一定誤差，不能直接用實(shí)測(cè)值計(jì)算軸向力及摩阻力，否則將使誤差惡性放大，甚至正負(fù)摩阻力交替出現(xiàn)等不合理現(xiàn)象。因此必須首先用擬合法對(duì)實(shí)測(cè)應(yīng)變曲線進(jìn)行磨光處理。^[5]

根據(jù)各級(jí)荷載下樁頂應(yīng)變或回歸處理后的零點(diǎn)應(yīng)變可計(jì)算彈模隨應(yīng)變量級(jí)的變化規(guī)律，一般可以用一元一次方程表達(dá)，如E_i=A-B×ε_i(GPa),計(jì)算軸向力和摩阻力時(shí)采用不同的彈模值，如下式所示：

軸向力計(jì)算公式為：     Q_i=A_i×E_i×ε_i(kN)

單位摩阻力計(jì)算公式為:  f_i=( Q_i-Q_i+1)/(πD)(kPa)

2.1.1摩擦樁

圖6為二條測(cè)管在各級(jí)荷載下的實(shí)測(cè)應(yīng)變，由于樁頂擴(kuò)大頭，故應(yīng)變較小，此外東測(cè)管上部應(yīng)變較大，西測(cè)管上部應(yīng)變較小，這是由于加載偏心影響，平均后就正常了。26、31、41m處的應(yīng)變較高，表明該處混凝土質(zhì)量較差或孔徑較小 
圖7、8分別為回歸處理后的應(yīng)變曲線及摩阻力曲線。

 
圖6（a）東測(cè)管實(shí)測(cè)應(yīng)變