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摘要：本文介绍了滑动测微计线法检测的原理及其在预应力管桩单桩静载内力试验中的应用。新方法可连续地测定桩身每米内的平均应变，通过荷载应变关系曲线可较准确地计算桩侧摩阻力、端阻力等桩基设计的主要参数，还可精确评价桩身质量。工程实例表明，这种新方法是一种高精度、使用方便、解决了预应力管桩难以现场内力试验的新技术。
关键词：滑动测微计、单桩静载试验、预应力管桩、摩阻力、端阻力
Abstract: This paper introduces the principle of sliding micrometer method of line detection and its application in prestressed concrete pipe pile static loading test of the internal force. The new method can continuously measure the pile every meters average strain, the curves of load strain relationship can accurately calculate the pile side friction resistance, tip resistance of pile foundation design of main parameters, but also the quality of precise evaluation of pile. The engineering example shows that, the new method is a high accuracy, easy to use, the new technology of prestressed concrete pipe pile internal force to field test.
Keywords: sliding micrometer, static load test of single pile, prestressed concrete pipe pile, friction resistance, tip resistance
[中图分类号] TU 473 [文献标识码]A[文章编号]
1、概述
以往桩身应变测量一般采用钢筋计、混凝土应变计或压力盒，由于探头与介质之间无法做到理想匹配以及电测元件零点飘移，实测结果误差较大，即使测量结果较可靠，也只能代表测点处的应变值，是一种典型的点法监测（Pointwise observation）方法。
轴对称有限单元法计算表明：由于钢筋计的直径大于钢筋直径及二端的凸出部份，它在桩中的实测应力及应变均大于实际应力或应变， 20、30、40 mm钢筋计的力增长率为27.8~21.1%，应变增长率为30.6~18.2%。
由于应变计的弹性模量不等于混凝土的弹模，混凝土应变计也存在同样问题，当假定应变计的弹模介于2~55GPa时，实测应变增长27~11%，一般弦式应变计弹模约为0.5~0.8GPa，因此误差更大。
80年代，瑞士联邦苏黎世综合科技大学Kovari教授等人提出了线法监测原理（Linewise observation）及相应的测试技术——滑动测微计（Sliding Micrometer——ISETH）[1]。
滑动测微计主体为一标距长1m，两端带有球状测头的位移探头，内装一个线性电感位移计和一个NTC测度计。为了测定线上的应变及温度分布，测线上每隔1m安置一个具有特殊定位功能的环形标，其间用硬塑料（HPVC）管相连，滑动测微计可依次测量两个环形标之间的相对位移，组合形成测线。
相对于试桩中的钢筋计、压力盒等点法固定式仪器而言滑动测微计具有如下优点：
连续地测定标距为1m的测段平均应变，分辨率高（1με），任何部位微小变形都反映在测值中，可评估构件质量，计算弹性模量。传统方法只能测定几个点的应变，两点之间的变形只能推断，而且测点处的应变由于传感器介入而产生局部应力畸变，其测量值将偏离真实值。
传统方法是将传感器元件预埋在构件内部，不仅测点有限，而且易于损坏，更主要的是零点飘移无法避免，不能修正。新方法只在构件内埋设套管和测环，用一个探头测量，简单可靠，不易损坏，而且 探头可随时在铟钢标定筒内进行标定，可有效地修正零点飘移，特别适用于长期观测。
线法监测的另一优点是，可求出桩身任何部位的下沉量，传统方法做不到。参见实测效果图1，表示试桩各级荷载作用下，桩身总变形与桩顶沉降（即位移S）显著，可以看出，桩顶荷载12000kN以下，桩端尚未下沉，大于此荷载时，沉降曲线开始偏离桩身总变形曲线，表示桩端开始下沉，参见实测效果图2，为总摩阻力和端阻力随荷载而增长。
图1各级荷载下桩身总变形与桩顶沉降 图1总摩阻力和端阻力随荷载而增长
2．实际应用效果
(1)本项测试技术适用于各种土层及各种桩型。这里仅介绍在预应力管桩单桩静载内力试验中的应用，试验采用堆载形式，慢速维持荷载法加压。加载前自上而下及自下而上二次测定试管中的初始讀数，以保证测试精度，每级荷载稳定后测定相应读数，其差值即为各级荷载下每一测段的应变值。
由于桩径及桩身混凝土质量的差异，实测数据不可避免地存在一定误差，不能直接用实测值计算轴向力及摩阻力，否则将使误差恶性放大，甚至正负摩阻力交替出现等不合理现象。因此必须首先用拟合法对实测应变曲线进行磨光处理。[2]
根据各级荷载下桩顶应变或回归处理后的零点应变可计算弹模随应变量级的变化规律，一般可以用一元一次方程表达，如Ei=A-B×εi(GPa),计算轴向力和摩阻力时采用不同的弹模值，如下式所示：
轴向力计算公式为： Qi=Ai×Ei×εi(kN)
单位摩阻力计算公式为:fi=( Qi-Qi+1)/(πD)(kPa)
式中Qi为任意断面处的轴向力(kN)，εi为任意断面处回归应变，Ei为相应应变时的弹性模量(GPa)，A为桩身面积(m2)，D为桩径(m)
(2)由于预应力管桩的制作工艺限制，无法将应变计预埋到桩身，因此传统方法尚未见到这种桩型的应变测试报导。我们采用滑动测微计成功地测定了该类桩的轴向应变。方法是桩入土后将测管埋入中心孔中，由于中心孔直径只有约20cm，注浆材料的弹模只有约2GPa， 因此对桩身变形的约束作用约1%。图3~9分别为Y3桩实测应变及数据处理后的单桩全套曲线，9m、19m处应变较大，因该处正好位于接桩处，对应效果显著（由于编幅有限以下仅实例了一个桩的成果）。
3．结语
测试结果表明，滑动测微计所基于的线法原理及技术，对预应力管桩试桩轴应变测量是一项重大进展，特别适用，由于预应力管桩弹性模量较均匀，可准确推算轴向力、摩擦阻力、端承力，本方法现场实用性强。对于灌注桩，由于弹性模量及孔径沿轴分布有较大偏差，因此应辅以声波测定每米动弹性模量，并假定动弹性模量的偏差系数与相应段静弹性模量偏差系数一致，用以修正应变曲线，再用实测孔径曲线对应变曲线进行断面修正，然后进行回归分析，利用桩顶或回归曲线的零点应变计算弹性模量，获得的轴向力曲线将较为合理。
参考文献
1Kovari. K., Amstad Ch., Grob H.(1974),Displacement Measurements of High Accuracy in Underground oppenings, proc. 3 rd congr. , Int. Soc.Rock Mech, Denver, NAS Washington DC.
2朱国甫，李光煜，确定桩侧摩阻力曲线的约束样条拟合方法，岩土力学，1994.9。
作者简介：
1.汪勇，高级工程师，武汉路通市政工程质量检测中心。
2.李培德，工程师，武汉沿极建筑技术有限公司。
关键词：滑动测微计、单桩静载试验、预应力管桩、摩阻力、端阻力
Abstract: This paper introduces the principle of sliding micrometer method of line detection and its application in prestressed concrete pipe pile static loading test of the internal force. The new method can continuously measure the pile every meters average strain, the curves of load strain relationship can accurately calculate the pile side friction resistance, tip resistance of pile foundation design of main parameters, but also the quality of precise evaluation of pile. The engineering example shows that, the new method is a high accuracy, easy to use, the new technology of prestressed concrete pipe pile internal force to field test.
Keywords: sliding micrometer, static load test of single pile, prestressed concrete pipe pile, friction resistance, tip resistance
[中图分类号] TU 473 [文献标识码]A[文章编号]
1、概述
以往桩身应变测量一般采用钢筋计、混凝土应变计或压力盒，由于探头与介质之间无法做到理想匹配以及电测元件零点飘移，实测结果误差较大，即使测量结果较可靠，也只能代表测点处的应变值，是一种典型的点法监测（Pointwise observation）方法。
轴对称有限单元法计算表明：由于钢筋计的直径大于钢筋直径及二端的凸出部份，它在桩中的实测应力及应变均大于实际应力或应变， 20、30、40 mm钢筋计的力增长率为27.8~21.1%，应变增长率为30.6~18.2%。
由于应变计的弹性模量不等于混凝土的弹模，混凝土应变计也存在同样问题，当假定应变计的弹模介于2~55GPa时，实测应变增长27~11%，一般弦式应变计弹模约为0.5~0.8GPa，因此误差更大。
80年代，瑞士联邦苏黎世综合科技大学Kovari教授等人提出了线法监测原理（Linewise observation）及相应的测试技术——滑动测微计（Sliding Micrometer——ISETH）[1]。
滑动测微计主体为一标距长1m，两端带有球状测头的位移探头，内装一个线性电感位移计和一个NTC测度计。为了测定线上的应变及温度分布，测线上每隔1m安置一个具有特殊定位功能的环形标，其间用硬塑料（HPVC）管相连，滑动测微计可依次测量两个环形标之间的相对位移，组合形成测线。
相对于试桩中的钢筋计、压力盒等点法固定式仪器而言滑动测微计具有如下优点：
连续地测定标距为1m的测段平均应变，分辨率高（1με），任何部位微小变形都反映在测值中，可评估构件质量，计算弹性模量。传统方法只能测定几个点的应变，两点之间的变形只能推断，而且测点处的应变由于传感器介入而产生局部应力畸变，其测量值将偏离真实值。
传统方法是将传感器元件预埋在构件内部，不仅测点有限，而且易于损坏，更主要的是零点飘移无法避免，不能修正。新方法只在构件内埋设套管和测环，用一个探头测量，简单可靠，不易损坏，而且 探头可随时在铟钢标定筒内进行标定，可有效地修正零点飘移，特别适用于长期观测。
线法监测的另一优点是，可求出桩身任何部位的下沉量，传统方法做不到。参见实测效果图1，表示试桩各级荷载作用下，桩身总变形与桩顶沉降（即位移S）显著，可以看出，桩顶荷载12000kN以下，桩端尚未下沉，大于此荷载时，沉降曲线开始偏离桩身总变形曲线，表示桩端开始下沉，参见实测效果图2，为总摩阻力和端阻力随荷载而增长。
图1各级荷载下桩身总变形与桩顶沉降 图1总摩阻力和端阻力随荷载而增长
2．实际应用效果
(1)本项测试技术适用于各种土层及各种桩型。这里仅介绍在预应力管桩单桩静载内力试验中的应用，试验采用堆载形式，慢速维持荷载法加压。加载前自上而下及自下而上二次测定试管中的初始讀数，以保证测试精度，每级荷载稳定后测定相应读数，其差值即为各级荷载下每一测段的应变值。
由于桩径及桩身混凝土质量的差异，实测数据不可避免地存在一定误差，不能直接用实测值计算轴向力及摩阻力，否则将使误差恶性放大，甚至正负摩阻力交替出现等不合理现象。因此必须首先用拟合法对实测应变曲线进行磨光处理。[2]
根据各级荷载下桩顶应变或回归处理后的零点应变可计算弹模随应变量级的变化规律，一般可以用一元一次方程表达，如Ei=A-B×εi(GPa),计算轴向力和摩阻力时采用不同的弹模值，如下式所示：
轴向力计算公式为： Qi=Ai×Ei×εi(kN)
单位摩阻力计算公式为:fi=( Qi-Qi+1)/(πD)(kPa)
式中Qi为任意断面处的轴向力(kN)，εi为任意断面处回归应变，Ei为相应应变时的弹性模量(GPa)，A为桩身面积(m2)，D为桩径(m)
(2)由于预应力管桩的制作工艺限制，无法将应变计预埋到桩身，因此传统方法尚未见到这种桩型的应变测试报导。我们采用滑动测微计成功地测定了该类桩的轴向应变。方法是桩入土后将测管埋入中心孔中，由于中心孔直径只有约20cm，注浆材料的弹模只有约2GPa， 因此对桩身变形的约束作用约1%。图3~9分别为Y3桩实测应变及数据处理后的单桩全套曲线，9m、19m处应变较大，因该处正好位于接桩处，对应效果显著（由于编幅有限以下仅实例了一个桩的成果）。
3．结语
测试结果表明，滑动测微计所基于的线法原理及技术，对预应力管桩试桩轴应变测量是一项重大进展，特别适用，由于预应力管桩弹性模量较均匀，可准确推算轴向力、摩擦阻力、端承力，本方法现场实用性强。对于灌注桩，由于弹性模量及孔径沿轴分布有较大偏差，因此应辅以声波测定每米动弹性模量，并假定动弹性模量的偏差系数与相应段静弹性模量偏差系数一致，用以修正应变曲线，再用实测孔径曲线对应变曲线进行断面修正，然后进行回归分析，利用桩顶或回归曲线的零点应变计算弹性模量，获得的轴向力曲线将较为合理。
参考文献
1Kovari. K., Amstad Ch., Grob H.(1974),Displacement Measurements of High Accuracy in Underground oppenings, proc. 3 rd congr. , Int. Soc.Rock Mech, Denver, NAS Washington DC.
2朱国甫，李光煜，确定桩侧摩阻力曲线的约束样条拟合方法，岩土力学，1994.9。
作者简介：
1.汪勇，高级工程师，武汉路通市政工程质量检测中心。
2.李培德，工程师，武汉沿极建筑技术有限公司。