建筑地基基础测试系统研制（张宪君 张晓予 李万海）

建筑地基基础测试系统研制（张宪君张晓予李万海）　　［摘要］详细阐述了研制建筑地基基础测试系统的方法与过程。并结合实例验证了建筑地基基础测试系统的可靠性与实用性。 　　［关键词］静载荷测试分析仪反力装置低应变动测分析仪单片机 1前言 　　建筑地基基础测试工作内容主要是承载力测试和完整性测试，因此，建筑地基基础测试系统由三部分组成，其一静载荷测试分析仪，用于承载力测试；其二是反力装置，用于提供承载反力；其三是低应变动测分析仪，用于检测基桩的完整性；这三部分即构成了完整的建筑地基基础测试系统。 2装备研制 2.1静载荷测试分析仪 　　仪器主机与中继器连接。中继器有9个数据通道，工作时根据需要将位移传感器和压力传感器与中继器连接，中继器通过多路转换开关按一定顺序对9个数据通道中的模拟数据进行数字转换并存在中继器的缓冲区中，待9个数据通道中的模拟数据转换完毕，将数据通过数据线发送给主机进行处理，发送完后，间隔一定时间再重复上面的操作。当主机接收到9个数据后，通过率定表计算出相应数值或直接计算出相应数值，然后根据试验要求进行相应处理与控制操作，从而完成试验过程。 　　设计思路：采用流行的分体式方案，由信号采集器和主机组成，通过总线连接主要部件。系统采用一拖多工作方式，既一台主机控制多个采集器同时进行桩检工作，星型辐射连接，最大化工作效率和最优化设备资源。方案如下图所示： 静载荷测试分析仪设计： 　　设计分为两部分：数据采集部分即中继器、数据处理部分即主机。 数据采集部分实现以下功能： 　　1）实时准确地采集位移传感器、压力传感器数据； 2）及时传送传感器数据到数据处理主机； 3）准确控制荷载控制开关。 数据采集硬件原理框图见图2。 　　数据处理主机实现试桩操作、参数设置、系统操作与其 它功能。 　　试桩操作：主要完成查看数据、恢复试桩、删除数据、增加试桩、开始新试桩等功能； 　　参数设置：主要完成补压控制、试桩规范、传感器等参数的设置。 系统操作：主要完成系统标定功能。 　　其它功能：主要完成手动记录数据、加卸载转换、移表、手动控制油泵、修正测试数据等功能。 　　通过参数设置的各种组合，控制程序可实现单桩竖向慢速静载、单桩竖向快速静载、复合地基静载、自定义静载、水平静载等试验。数据处理主机功能见图3。 主机控制程序流程见图4。 成品静载荷测试分析仪如图5所示。 2.2反力装置 　　反力装置本着自主原则，自主研究、设计、制造、试验。设计、生产制造和试验工程中，有效的利用材料性能，在留有充分富余量的同时尽量采用极限设计原则，以降低设备自重节约成本。部分材料因时间和材料性质等原因无法满足设计要求，在制造中采用性能相似或相近的材料替代，在不增加成本的同时，短时间内将反力装置制造成功。根据我单位的工作实际，在合适的场地进行试验，既满足了生产需要，同时也节约了试验成本。 　　中立柱共分七节，由焊管、法兰、加强钢板焊接而成。其中中立柱底座周边按等份焊接固定套箱，上下用圆形钢板、环形钢板和三角钢板加强，最下部与千斤顶结合部位放置钢板。其余由长度不同的法兰构成，法兰周边由三角钢板加固，顶立柱上安装吊装拉环。 　　主梁依据受力分布分为4节，中间由套箱连接。主梁上间隔焊接竖向加强筋，加强筋钢板制作而成，以保证其工作时有足够的抗压强度。接近套箱两端焊接侧向钢板，以避免其工作时在这些应力较大的部分产生屈服变形。主梁每节依不同位置焊接销座。 　　拉杆是连接中立柱和主梁的受拉构件，采用无缝钢管制作，长度共分四种。拉杆前后各焊接一个销凿用与中立柱和主梁的连接，钢管和销座采用榫铆结构焊接。 　　分配梁，工字钢按一定尺寸截成，放置于主梁上构成平台，将上面荷载力传递均匀传递于主梁，共分为9种规格。 　　附属配件，主梁拉筋用于机械堆载时防止主梁横向受拉；平台钢管用以辅助构成堆载平台；基准梁用于测试观测；拉杆销用于栏杆和主梁、中立柱的连接；高强度螺栓用于中立柱间连接，抗剪切；中立柱底钢板用于千斤顶和中立柱底座的衬垫；小锤、撬杠、安全带、套筒扳手多套，用于组合式斜拉柱伞反力装置组装，见图6。 2.3低应变动测分析仪 仪器工作原理 　　低应变动测分析系统工作原理如下：信号激发后，其初始信号幅度高于设置的门坎电平时，信号采集通道开启，在设置的采集时间长度内，进入采集通道的信号经阻抗匹配、噪声压制、前端滤波进入A/D转换模块，经A/D转换的数字信号送至主机图形显示模块和内存，完成波形显示和数据存储。其原理框图见图7。 控制程序功能设计 　　控制程序功能主要分为采集参数的设置，采集数据，处理数据功能。采集参数的设置可设置桩的各种参数，如桩长，桩径，波速，采样点数等。采集数据功能实现数据的采集，当准备好后，点击采集数据按钮，仪器等待传感器的激发，激发后则记录下传感器测得的波形数据。处理数据功能有信号频谱分析、滤波等。 控制程序模块设计 　　WTY－LSA低应变数据采集处理软件使用Vb语言编写，运行在WindowsXP操作系统环境下，其控制程序模块设计结构如图9所示。 3装备特点 3.1静载荷测试分析仪 静载荷测试分析仪具备以下功能： 　　1)仪器能够同时进行两组静载荷试验，并具备试验通道数量扩展能力，在必要时可扩展为一拖三或一拖四。 　　2)具备足够的压力和位移传感器接口，满足《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2003)对不同试验项目的压力和位移传感器数量要求。根据现行规范，每个测试通道需要配备一个压力传感器接口和八个位移传感器接口。 　　3)兼容低应变动测仪的软硬件工作环境，使两套仪器合二为一，与超大型堆载反力装置组合，形成完整的建筑地基基础测试系统。 　　4)仪器的操作系统软件平台应具备广泛的兼容性和扩展性，具备快捷的数据输出和现场数据处理功能。 3.2反力装置 　　组合式斜拉柱伞反力装置总高度为7250mm，结构重量330kN，全部安装完毕加分配梁总重量462kN。构件数量298件，构件最大自重小于30kN。堆载平台面为正八边形由内而外共分四层，可根据需要组装成四种堆载面积，堆载量1000-18000kN，单位面积堆载量不小于73kN。平台主梁、分配梁和钢管高度之和为690mm，正常试验环境下平台总高度小于1000mm。组合式斜拉柱伞反力装置性能参数见下表。 设计技术要求如下。 　　1)适用静载荷试验最大加载量1000-18000kN； 2)平台最大有效堆载面积大于200m2； 　　3)设备全重小于500kN，构件单体重量小于30kN，部分构件可不借助吊装设备人工作业； 　　4)平台采用斜拉设计可拆解组装，可按四种堆载平台面积自由组合； 　　5)堆载平台高度小于1000mm，装置最大高度小于8000mm； 6)装置无需附属设备，可独立作业； 　　7)装置适合人工、机械、人工机械三种作业模式； 8)装置构件用材，可选择市场通用材料； 9)每个构件都可进行单独维护和保养。 3.3低应变动测分析仪 　　WTY－LSA低应变数据采集处理软件使用Vb语言编写，运行在WindowsXP操作系统环境下。系统控制在系统控制模块中，CPU是32位PARISC在线控制器，采用W90210F在线控制器，其工作频率为33MHz、40MIPS；采用1MB系统ROM，其中包含自举代码和基本操作系统；采用4MBRAM，可升级为64MB，RAM由操作系统、应用服务程序和数据所共享。外设接口采用计算机标准接口。A／D转换器集成控制芯片，提供48KHz，16位快速转换；传感器采用高阻尼短余振速度计。 　　程序功能主要分为采集参数的设置，采集数据，处理数据功能。采集参数的设置可设置桩的各种参数，如桩长，桩径，波速，采样点数等。采集数据功能实现数据的采集，当准备好后，点击采集数据按钮，仪器等待传感器的激发，激发后则记录下传感器测得的波形数据。处理数据功能有信号的频谱分析，滤波等。 4应用效果 　　目前静载荷测试分析仪已经完成多项工程的现场测试工作，特别是在小吨位桩数多的工地，可显示出其一拖二的优势，大大提高了生产效率，减少了设备的投入量，从而减化了生产工作中的仪器管理。 　　组合式斜拉柱伞反力装置系统已经完成三项工程的现场测试工作，分别为许昌市新城区热电厂2×210MW热电工程、驻马店桂月园居住小区1号楼、XX市电业局电力生产通信调度大厦及会议中心，最大加载量分别为5200kN、6400kN、10000kN。在许昌市新城区热电厂2×210MW热电工程分别采用了人工堆载和机械堆载两种作业模式。对比后发现，在使用机械堆载时，可大幅度提高生产效率，缩短堆载时间，从而有效的缩短了试验周期。通过许昌的成功试验，将机械堆载模式运用在其余两项工程试验中，均取得了良好的效果。 　　WTY—LAS低应变测试分析仪与美国PIT基桩测试仪进行了对比试验，黄河设计公司工程物探研究院内有预埋混凝土桩，有不同类型的缺陷，用WTY—LAS低应变测试分析仪，试验结果如图10～15。 1号桩：桩长4m，桩径0.4×0.4m 　　2号桩：桩长4m，桩径0.4×0.4m，1.94～2.05m为一竖裂面 　　3号桩：桩长5m，桩径0.4*0.4m，1.01m处断桩，2.00m处断桩。 　　通过对比可以得出：二台仪器大致波形相同，评定桩身完整性一致，判断桩身缺陷位置与类型相差不大，WTY—LAS低应变测试分析仪可以用于桩身完整性测试，对桩进行完整性分类，检验基桩施工质量。 5结论 　　由于我们研制的HVSPT-Ⅰ型桩基静载荷测试分析仪和WTY－LSA低应变动测分析仪具备一套仪器同时开展两组或多组静载荷试验的功能，还实现了两机合一和现场数据处理功能，就可以较好地解决仪器和技术人员不足的问题，也可以极大地提高检测效率，缩短检测周期；根据现场测算，使用新型桩基检测设备可以缩短检测周期50%，减少技术人员配置50%，果再加上现场资料处理节省的时间，则提高检测效率的效果就更加明显。 　　目前采用的堆载试验，均需要搭建或构建堆载平台。常规平台存在设备笨重、构建平台面积有限、高大的外形造成试验难度大、现场适应性差、对试验无效的重量、高度等缺点，造成了一定的经济浪费，存在较大的使用局限性。组合式斜拉柱伞反力装置对上述常规平台的这些缺点进行了改进，使其更轻便、更经济、更适合堆载作业。特别是其机械堆载方式，极大的提高了试验效率，对缩短试验周期具有重要的意义。此装备可适用于多数地区的各种形式的静载荷试验作业。比较常规装置，组合式斜拉柱伞反力装置在应用中具有明显的优势，具有良好的推广应用前景。