一、 桩身抗压应力观测的目的
实测桩身轴力分布
实测荷载作用下桩周摩阻、端阻大小及分布
二、 桩身应力观测的原理
1、桩身摩阻的观测原理
方法一：K值法（以往见到的类似资料较少）
普通意义上的桩是由混凝土及其中的“加强体”钢筋，组成的“复合杆件”，任取桩身一截面单元，如图1所示，在桩顶荷载q作用下，该单元的稳定状态可表示为：q=q1+q2+q3，其中，q1为钢筋承受的荷载；q2为混凝土承受的荷载；q3为该单元以上的全部摩阻。并且可分别表示如下：
q1=n（钢筋数量）×σs（钢筋应力）×As（钢筋截面积）
q2=σc（混凝土应力）×（S（桩的横截面积）-n×As（钢筋截面积））
q3=qs（单位摩阻力）×h（截面深度）×d（桩的直径）×π
设v（应力比）=σs/σc=Es（钢筋弹性模量）/Ec（混凝土弹性模量），则q2=σs/v×（S-n×As（钢筋截面积））
则上述公式可简化为：
q=σs×（n×As+1/v×（S-n×As）+q3=σs×K+q3 ……..（式1）
式中K= n×As+1/v×（S-n×As），在一定的荷载范围内（如分级荷载变化范围内），当配筋率和桩身截面不变时，K近似为常数。由于q、σs为已知数，因此式1中的未知数有两个：K和q3，q3为桩身应力观测要求的目的参数，因此需要通过某种途径求取K。求K的方法有几种，其中最简洁的办法是在桩顶部位设置标定断面，一般为避开桩顶应力的不均匀区，应该在桩顶下1倍桩径附近安装标定用传感器，在标定断面处，桩身摩阻可以忽略，即q3≈0。则可根据式1获得K值随荷载的变化曲线，这样桩身其它部位的q3就依据标定后的K值进行计算求取了。
桩中如果没有钢筋就是所谓的素混凝土桩，此时的桩身应力观测相对简单化，q1=0，q2=σc（混凝土应力）×S（桩身截面），q=σc（混凝土应力）×S（桩身截面）+q3，即实测荷载作用下的混凝土应力就可以获得桩身轴力分布并推算摩阻分布。
K值还可以同时安装钢筋应力计和混凝土应变计直接求取应力比获得，即q2和q1均直接实测，这样可以不设标定断面，只是安装混凝土应变计时应注意其应力的代表性。
方法二：弹性模量法（以往见到的类似资料较多）
该方法是通过直接测定钢筋应力σs（直接得到q1），然后换算钢筋应变ε=σs/Es（钢筋弹性模量），在钢筋和混凝土等同变形条件下，混凝土的应力可换算为σc=Ec（混凝土弹性模量）×ε，这样可换算出q2。显然这种方法采用的是钢筋和混凝土的弹性模量来推算q3，由于钢筋的弹性模量一般认为是确定的，那么只需要标定Ec就可以推算桩身各部位的q3了，具体过程如下：
q=q1+q2+q3
q1=n（钢筋数量）×σs（钢筋应力）×As（钢筋截面积）
ε=σs/Es
q2=Ec×ε×（S（桩的横截面积）-n×As）= Ec×（S-n×As）×σs/ Es
q3=qs（单位摩阻力）×h（截面深度）×d（桩的直径）×π
在桩顶时q3=0，则q=q1+q2，q1是直接测定σs获得的，因此可通过q2=q-q1获得在分级荷载作用下Ec的变化特征，椐此计算桩身其它部位的q2，进而推算q3。
如果直接测定钢筋的应变，则可通过综合标定Es+Ec来推算q1+q2，同样可得到q3。
显然测定桩身应力和摩阻的方法是很多的，但有一点必须注意，那就是桩身参数（如直径、钢筋数量）必须已知，否则会带来很大的推算误差，甚至造成试验结果难以解释。
2、桩端阻力的观测原理
根据已有的文献资料，桩端阻力其分布形态与桩径、荷载大小有关系，荷载较小时接近马鞍形（边缘大、中心小），荷载较大时为水滴形（中心大、边缘小）。
事实上，如果仅需要了解桩端阻力的大小，则无须专门做桩底的阻力观测，可通过桩侧摩阻力间接推算桩端阻力：桩端阻力Qp（桩端阻力）=Q（总阻力）-Qs（桩侧总阻力）。另外，桩端总阻力通常难以直接精确测得。
因此直接的桩底应力观测需要针对试验目的对可能的应力分布形态进行预测，以便合理布置传感器位置，对桩底的应力形态和大小进行定量观测。
三、 桩身应力观测数据的换算
当同一截面埋设多个应力感应装置时，一般应将有效观测数据代入事先标定的应力表达公式计算该应力计的应力值，然后对计算结果进行平均处理，计算实际的钢筋应力。例如：某级荷载下，某个深度（hi）的3个钢筋应力计实测的频率（fi）分别为：1790、1760、1727，应力计的初始读数（f0）为1793、1764、1730。根据三个应力计的标定公式计算结果分别为：
Pi=2.0914×10-5×（f02-fi2-630）=0.212 （kN）
Pi=2.0628×10-5×（f02-fi2-63）=0.289 （kN）
Pi=2.2064×10-5×（f02-fi2+204）=0.233 （kN）
取其平均值Pi’=0.245kN作为该深度应力观测的统计结果。该截面总的钢筋力为钢筋数量（例如n=20）乘以单根钢筋力，即q1=n×Pi=20×0.245=4.9（kN），换算成压强单位，则除以钢筋（20φ16）的总面积，即σs=q1/As=4.9/（0.008×0.008×3.14×20）=1219（kPa）。
说明：计算时，应根据钢筋应力计的受力状态（压或者拉）分别代入不同的公式进行计算。由于传感器的标定状态和其实际工作状态有一定区别，可能造成其零点的漂移（增大或者缩小），但并不影响其标定关系，因此在其工作状态下必须在受力前测读新的零点f0，椐此计算Pi。
桩身轴力的计算实质上是计算桩身各观测截面的q1+q2，可根据以上介绍的公式直接计算，即q1+q2=σs×K，根据计算结果可绘制桩身轴力分布图。
四、 桩顶标定曲线的计算
桩顶标定断面用来确定K值和分级荷载的关系：q=σs×K，因此需要计算在各级荷载作用下的K值（计算过程上面已经提到，本节不再重复）。根据荷载和K的关系曲线来计算桩身其它部位的桩身应力。如果桩顶断面和桩身其它部位存在差异，则需要对K值进行校正，将其校正为与观测断面相同的K值。例如：桩顶标定断面直径为1.4m，则面积为S2=0.7×0.7×3.14=1.5386m2，而桩身测试断面的直径为1.0m，则面积为S1=0.5×0.5×3.14=0.7850m2，S2=1.96S1，由于面积变大，引起观测应力减小，由此计算的K值偏大，故需要对K进行校正。K值的校正方法如下：
第1步：计算桩径为d1=1000mm时的理论K值（定义为K1），即K1= n×As+1/v×（S1-n×As）= n×As- n×As /v+S1/v
第2步：计算桩径为d2=1400mm时的理论K值（定义为K2），即K2= n×As+1/v×（S2-n×As）= n×As- n×As /v+S2/v= n×As- n×As /v+S1/v+0.96S1/v
第3步：计算二者的比值K2/K1。本例计算时v采用桩顶标定断面的已知参数计算出Ec，已知参数包括：混凝土弹性模量Es、桩顶分级荷载q、单根配筋横截面积As、配筋数量n、桩身横截面积A。则计算公式为：
Ec=Es×（q-n×σs×As）/[（A-As）×σs]
然后根据各级荷载作用下计算得到的Ec计算v，进而计算不同荷载作用下的K2/K1。
第4步：将K2=q/σs两边同除以K2/K1校正为与桩身其它测试断面相当的K1值。
五、桩身侧摩阻的计算
在某级荷载作用下只要计算出q3，将其除以计算段的桩身侧面积，即可得到该荷载作用下桩侧自桩顶到观测截面的总摩阻力，将两个相邻观测截面的总阻力相减即可得到在该级荷载作用下下层的分层侧摩阻力。
例如：计算某级荷载作用下第I-1至I观测截面的侧摩阻力fi（kPa）
第1步：计算该荷载作用下I-1截面以上的总侧摩阻力qi-1=q-σsi-1×K
第2步：计算该荷载作用下I截面以上的总侧摩阻力qi=q-σsi×K
第3步：计算该荷载作用下I-1至i截面间的单位侧摩阻力fi=（qi- qi-1）/（L×（hi- hi-1））
各分层的极限侧摩阻力可根据分级荷载作用下摩阻的变化特征进行判断，一般达到极限侧摩阻力时，摩阻力将不随分级荷载的增大而增大，反而会有所减小。
根据摩阻计算结果可绘制桩身摩阻分布图。
六、 桩身应力观测需要注意的问题
桩身应力观测并不难，难的是如何对观测数据进行正确解释。通过以上原理我们可以看出，无论观测钢筋应力还是钢筋应变，或者观测混凝土应变，都需要标定混凝土弹性模量，然后用标定的混凝土弹性模量计算桩身其它部位的桩身内力，计算期间还要用到桩的截面积、钢筋数量，显然这些参数的准确与否直接决定了应力观测的精度。因此做应力观测的桩，应尽可能对成桩过程严格控制，例如：成桩前做桩孔形观测，加工钢筋笼时尽可能保持观测截面和标定断面的一致；灌注的混凝土应尽可能均匀，避免和标定断面产生明显不同。
焊接应力或者应变传感器时应避免对传感器产生不良影响，例如高温、扭弯等。另外传感器传输线缆也必须保证其绝缘性和导通性能不产生大的变化，这就要求在施工过程中派专人负责照管传感器及其线缆，在施工过程中适时检测传感器的工作状态，必要时能及时进行补救，防止传感器失效。
由于应力分析过程中假定了各个观测截面的应力平衡状态，所以在恒载状态下获得的应力观测数据才能依据应力平衡方程获得应力解析，在荷载的非稳定阶段，一般难以得到正确的除观测应力外的其它解释。
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不爱红装爱基桩
Post By：2005-8-13 20:27:00 [只看该作者]
Post By：2010-9-4 11:43:00 [只看该作者]
