基于桩身应力测试的静压PHC管桩贯入机制

寇海磊，张明义

（1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2.潍坊学院 建筑工程学院，山东 潍坊 261061）

1 引 言

PHC管桩（高强预应力混凝土管桩）配合静压法施工，具有承载力高、贯入力强、保护环境、在沉桩过程中能观察到压桩力等优点，正逐渐代替混凝土方桩和钢管桩等，成为最常用的桩型[1]。管桩有着自身的特点，应力测试比较困难，目前还没有专门针对静压管桩特点的从贯入机制到承载力形成机制全过程的试验研究。套用打入桩或混凝土方桩的理论较多，对沉桩阻力的估算、承载力的确定仍停留在地区经验水平上。只有将沉桩阻力沿深度分离成侧摩阻力和端阻力，才能更好地研究贯入机制及承载力。分离侧摩阻力和端阻力的测试试验成为制约PHC管桩研究的瓶颈问题。

国内外对侧摩阻力与桩端阻力分离的研究主要基于模型桩及现场足尺试验。Banerjee等[2]通过桩身安装测试元件实现了桩体贯入模型槽过程中桩身应力及土体位移的测试。Altaee等[3]在室内模型桩试验中观察到了桩端阻力临界深度现象。Bolton等[4]在砂土地基中借助静力触探离心机试验对端阻力临界深度现象进行了研究。胡立峰等[5]利用液压千斤顶将管内壁贴有应变片的钢管桩（外径为40 mm，壁厚为0.8 mm）压入3.0 m×3.0 m×4.5 m的大型模型槽，观测到了贯入过程中端阻力及侧壁阻力的变化，并对后期静载荷试验进行了观察。周健等[6]通过模型槽试验及 PFC2D颗粒流软件对密实砂中静压桩沉桩过程进行了分析，对桩体贯入过程中动端阻力、动侧摩阻力的发展规律及临界深度问题进行了揭示，建议密实砂土地基中端阻力临界深度取7.5倍桩径。

足尺桩试验方面，Broms等[7]通过监测沉桩过程中桩身下部压缩变形成功分离了贯入过程中的桩侧摩阻力及端阻力。张明义等[8]通过安装自制桩端压力传感器获得了静压桩贯入层状土地基中端阻力变化情况，并通过桩身上拔时桩端不参与工作的特性，得到了桩侧摩阻力。陈全福等[9]在进行静压预制桩的现场试验研究中，提出了桩端预埋钢弦式土压力盒的方法，该方法能够记录贯入过程中各级压桩力下桩入土深度及端阻力。此试验没有行之有效的方法获得侧摩阻力，而且在预制桩制作时在桩端埋置土压力盒有一定难度，土压力盒的可靠性也是值得考虑的问题。施峰[10]研究 PHC管桩荷载传递时，用型钢或钢筋笼设置好测力元件后插入管桩桩孔，然后灌水泥浆，与管桩合为一体，这种方法加大了管桩截面刚度，在一定程度上改变了桩体受力状态。冷伍明等[11]对基桩现场试验进行研究时，提出了预制管桩应变计的设置方法及工艺，通过在预制桩制作时预埋一块钢板及穿线管，在钢板上粘贴应变片，使应变计的导线从桩身内部通过，还提出了钢筋混凝土预制管桩侧向土压力盒的安装方法。Yu等[12]在香港地区通过静压 6根安装振弦式钢筋应力计的H型桩，实现了贯入过程中桩身轴力的监测，但这种传感器的布设方法对PHC管桩显然是不合适的。张永雨[13]、潘艳辉等[14]进行了 PHC管桩中预埋钢筋计的现场测试，在静压桩贯入过程中测得桩身轴力，由于管桩的生产过程温度高，要用高温应变计，成本高且存活率低，该方法难以推广。马来西亚的Abdul Aziz等[15]研制了一种可回收式的应变测试计，待沉桩结束后用支爪固定在管桩孔中测试，这是对传统测试方法的有益改进，但这种测试方法仅适用于沉桩完成以后的静载试验阶段的应力测试，不能用于沉桩过程的测试。

PHC管桩不同于方桩、钢管桩等桩型，其生产工艺及特点客观上造成了测试试验的困难。生产过程中钢筋张拉、混凝土浇筑、高速离心成型及高温养护等工艺对桩身预埋测试元件造成了很大的不便，如图1所示。桩身外侧贴应变片容易被桩周土摩擦力损坏，如果在桩身内部贴应变片，由于管桩内径小，不易操作，而且管腔容易进水，受环境因素影响大，精度下降，可靠性及成活率都不高。应变式钢筋应力计以及振弦式钢筋应力计较应变片稳定，但管桩高速离心成型及高温养护工艺，要用高温应变计，成本高且存活率低。提高测试元件的成活率是分离沉桩阻力现场足尺试验成败的关键。

图1 PHC管桩生产工艺Fig.1 Production techniques of PHC pipe piles

近年来光纤传感测试技术蓬勃发展，与传统的测试方法相比，光纤测试具有许多优点。余小奎[16]与南京大学光电传感工程监测中心合作，利用光纤传感监测技术中的布里渊光时域反射计（BOTDR）对锤击 PHC管桩成功进行测试。但测试是在每隔2 m打桩停歇时间进行，每次采样时间需要15 min，这对于研究贯入过程的静压桩测试显然是不允许的。Klar等[17]比较了单桩静载试验过程中采用BOTDR分布式光纤技术及布设普通传感器的测试结果，并从经济性方面对其进行了阐述。宋建学等[18]采用BOTDR分布式光纤技术成功对静载试验过程中后注浆大直径超长桩桩身应变分布进行了监测。魏广庆等[19]采用布里渊时域反射技术（BOTDR）对灌注桩进行了分布式应变测试，取得了较为理想的效果。邢皓枫等[20]进行了 PHC管桩静载阶段的BOTDR方法测试。尽管光纤传感技术在桩基测试方面取得了一定进展，但将其应用于PHC管桩贯入过程沉桩阻力测试的研究未有报道。本文利用准分布式光纤测试技术（FBG）对开口PHC管桩静力压入成层土地基端阻力及侧摩阻力动态变化情况进行了监测，基于沉桩阻力的分离对其贯入机制进行了分析。

2 静压桩沉桩阻力分离

2.1 FBG光纤测试技术

1978年世界上第1根光纤布拉格光栅的问世，标志着光纤传感技术的诞生[21]。FBG光纤测试技术作为光纤传感技术的一种以其灵敏度高、测量准确、测试分辨率高、性能稳定、能够对结构物进行实时监测等优点广泛应用于土木工程领域，其基本原理是根据所测结构物环境温度或应变的变化来改变其反射光波的波长。需要说明的是，测试环境温度的变化对光栅波长影响较大。因此，光纤光栅传感器的使用一般需要进行多光栅温度补偿，常规的做法是将 FBG温度传感器埋置于应变传感器附近，并假定两者位于同一温度场，但不受应变变化的影响，利用测得的波长变化消除温度的影响，实现温度补偿[22]。

实际工程中，常利用波分复用技术将十几个中心波长不同的 FBG传感器串联于一根纤细的光纤中，构成准分布式的应变、温度传感网络，而不影响建筑物的正常使用，本文试验中采用的即为FBG光纤传感器准分布式布设，如图2所示。

图2 FBG传感器准分布式安装Fig.2 Quasi-distributed FBG sensors along pile

在不考虑环境温度影响的情况下，以FBG应变传感器初始波长作为基准参考值，记录结构物受力过程中传感器波长变化，根据式（1）即可求出结构物应变变化，乘以结构物弹性模量可得其受力过程中应力变化。

式中：ΔλB为结构物受力前后传感器中心波长变化（pm）；λB0为结构物受力前传感器初始波长（pm）；Kε为传感器应变灵敏系数（pm/με)；Δεx为轴向

变变化量（10−6）。

2.2 试验场地

现场试验在杭州富阳某经济适用房工地进行。场地内主要分布黏性土层及圆砾，表层覆盖 0～3.3 m厚填土，其下为较厚的黏性土及圆砾层，土层分布情况及场区双桥静力触探曲线如表1及 图3所示。

桩长范围内土层主要为海相-冲积相和海陆过渡沉积物构成的第四纪覆盖层，地形总体平坦，局部稍有起伏。圆砾层处探头锥尖阻力随深度迅速增加，17 m左右处约为8.4 MPa。地下水位在地表以下7.0 m。

2.3 试验设置

试桩编号分别为PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5，为PHC-A400（75）型开口混凝土管桩，不设桩靴。沉桩使用680 t液压静力压桩机，最大行程为1.8 m。PJ1、PJ2桩长为18 m，由两节桩长分别为13、5 m的桩焊接而成，贯入完成后桩端位于圆砾层；PJ3、PJ4、PJ5为13 m的单节桩，桩端位于粉质黏土层。沉桩过程中以桩长作为终压控制标准，为了避免挤土效应对相邻桩体贯入性状的影响，桩间距设为4 m，大于4倍桩径，其位置示意如图4所示。

压桩前预先在桩侧开浅槽埋设准分布式 FBG光纤传感器，按照2.5 m布设间距，PJ1、PJ2设置9个量测断面，PJ3、PJ4、PJ5设置6个量测断面，如图5所示。每个量测截面布设1个FBG应变传感器，传感器间连接光纤用铠装光缆保护，由桩顶钻孔处引出，布设完毕后用环氧树脂封装保护。试验用FBG传感器标距为80 mm，量程为 3 × 10−3，能够满足试验需要。

3 试验成果分析

压桩开始前，记录FBG传感器初始波长及贯入过程中传感器波长变化，根据式（1）即可求出贯入过程中桩身应变，乘以桩身弹性模量可得桩身应力变化。沉桩过程历经时间较短，忽略温度差异对传感器波长变化的影响。

表1 土层参数Table 1 Soils parameters

图3 试验场地静力触探曲线Fig.3 Cone penetration curves in test site

图4 试验桩位布置图Fig.4 Test piles location

图5 FBG传感器布置示意图Fig.5 FBG sensors along test piles

3.1 压桩力随深度变化规律

图6表示贯入过程中压桩力随深度变化曲线。压桩过程中贯入速率呈动态变化，难以将其控制为一固定值。一般而言，沉桩初期贯入阻力较小，沉桩速率约为1.0～2.0 m/min，后期随着贯入深度的增加，沉桩阻力明显增大，至沉桩结束前1.0～2.0 m时减少至每分钟贯入十几厘米，甚至更少。Bond等[23]将贯入速率大于（0.40～0.60）m/min定义为快速贯入，贯入速率为（0.05～0.10）m/min视为慢速贯入，按照上述分类方法，本次试验均属于快速贯入。

图6 压桩力随深度变化曲线Fig.6 Variations of pile jacking force with depth

图6显示随着贯入深度增加，压桩力呈增大趋势，压桩力曲线基本反映了地层土性变化。PJ1、PJ2桩端未进入圆砾层时，土体软硬程度相差不大，压桩力曲线变化不显著。桩端进入硬质土层后 PJ1压桩力由916.15 kN变化为1142.05 kN，增长幅度约为24.66%；PJ2压桩力由512 kN变化为840 kN，变化幅度为 64.06%，平均增长幅度为 44.36%，说明桩端土层软硬程度制约着压桩力变化，桩端进入硬质土层时，压桩力增长显著。研究表明[1]，桩尖位于硬质土层中时，桩尖一定范围内软土层的存在会显著降低桩尖阻力。当软土层位于桩尖以上2.5D（D为桩径）时，沉桩阻力主要取决于桩尖以上2.5D范围内土层强度平均值，此为PJ1、PJ2压桩力相差较大的主要原因。桩端位于非硬质土层试桩 PJ3、PJ4、PJ5压桩力变化趋势基本一致。

3.2 沉桩过程中桩身应力变化

贯入过程中桩身应力可由FBG传感器测得，其分布曲线如图7所示。分析可知，贯入过程中桩侧摩阻力大小略有不同。以贯入5.0 m桩身0～2.55 m范围内单位侧摩阻力为例，PJ1为 0.27 MPa，PJ2为0.57 MPa，摩阻力较小。贯入至16.0 m时，因桩端进入圆砾层，底部侧摩阻力较大，桩身 13.45～16.00 m范围内单位侧摩阻力PJ1为3.55 MPa，PJ2为2.00 MPa，变化显著；桩端位于非硬质土层试桩桩身0～2.55 m，PJ3为单位侧摩阻力0.50 MPa，PJ4为 0.78 MPa，PJ5为 0.42 MPa；继续贯入至13.0 m时桩身10.25～12.75 m范围内单位桩侧摩阻力依次为 0.89、1.45、1.34 MPa，大于贯入初期桩身单位侧摩阻力。

图7 贯入过程中桩身应力分布曲线Fig.7 Variations of pile stress during installation

图7显示贯入过程中桩身上、下部侧摩阻力发挥的力学机制不同。贯入初期由于桩身晃动及填土层影响，桩身上部几米范围内与周围土体接触不密实，导致贯入过程中桩身上部侧摩阻力较小。随着贯入深度的增加，桩侧摩阻力分担比例逐渐增大。上述现象的产生是基于现场施工条件及填土层影响，当贯入过程中桩身晃动很小（如室内模型试验），桩侧摩阻力在较小深度处即有较大程度的发挥。贯入过程中各试桩桩身应力分布趋势基本一致，但因土层差异桩侧摩阻力显著发挥深度略有不同。

3.3 桩侧摩阻力及端阻力荷载传递特征分析

传感器安装过程中为了避开桩端金属端头，底端传感器距桩端约25 cm，贯入过程实际桩端阻力（含土塞阻力）可由桩身应力分布曲线线性外推获得。图8、9分别表示贯入过程中桩端阻力（含土塞阻力）及侧摩阻力随深度变化曲线。可见，准分布式 FBG光纤测试技术对贯入过程中桩端阻力及侧摩阻力变化情况监测效果较好。桩端阻力变化与静力触探（CPT）锥尖阻力变化曲线相近，两者一定程度上反映了土层地质情况。贯入圆砾层时，PJ1、PJ2桩端阻力分别由 621.3、227.0 kN 变化为 794.4、606.0 kN，平均增长幅度为97.41%；桩侧摩阻力分别由250.9、225.0 kN变化为316.2、247.0 kN，平均增长幅度为 17.92%，小于桩端阻力增长幅度。PJ3、PJ4、PJ5端阻力及侧摩阻力增长无明显拐点，贯入过程中桩侧摩阻力增长显著，试验桩不同侧摩阻力增长幅度体现了桩侧土性的不同。从图 8、9可以看出，贯入过程中桩端阻力及侧摩阻力变化与土层地质分布相关，临界深度现象不显著。

桩体贯入至某一深度后，动摩阻力增长趋于稳定，呈现侧摩阻力临界深度现象，其反映了贯入深度突变影响的界限。静压桩贯入属于稳态贯入，类似于快速载荷试验。贯入过程中的动摩阻力虽不等同于桩侧极限摩阻力，但与其密切相关，贯入过程中动摩阻力变化同样受临界深度的影响。Zeitlen等[24]将桩侧摩阻力临界深度归结于桩土摩擦角的降低。Kraft[25]同样认为，桩侧摩阻力临界深度主要取决于桩土摩擦角的降低。桩体贯入过程中桩土间摩擦角随着竖向有效应力的增加而减小，桩土摩擦角的减小同样会导致桩侧有效应力的增加，这种耦合作用导致单位桩侧摩阻力在临界深度处保持一恒定值。

图8 贯入过程中桩端阻力变化曲线Fig.8 Variations of toe resistance during installation

图9 贯入过程中桩侧摩阻力变化曲线Fig.9 Variations of shaft resistance during installation

估算单位极限侧摩阻力 fmax比较常用的方法为Burland于1973年提出的β法，后来 Meyerhof[26]对其进行了修正，表达式为

式中：Kc为桩侧土压力系数；ϕ′为桩-土间摩擦角；σv′为初始有效竖向应力。

Yu等[12]借助于式（2）～（4）对Masado砂中完全埋置桩的极限侧摩阻力进行了研究，发现桩-土间摩擦角的降低不一定会导致侧摩阻力临界值的出现，也不能够说明贯入过程中临界深度的存在。Coyle等[27]认为，桩体贯入至假定临界深度后，单位侧摩阻力继续增大，只是增长速率有所减小。Neely[28]认为，对于贯入成层土地基的桩体而言，由于桩身尺寸及沿深度方向土层的变化，临界深度不容易观察到，与本次试验观察结果一致。笔者认为，对于室内模型试验及深厚砂土地基中桩侧摩阻力存在临界深度现象（如Altaee等[3]），但对于贯入成层土地基桩体而言，受单桩尺寸、地层变化影响，侧摩阻力临界深度现象不一定存在。

4 结 论

（1）准分布式FBG光纤传感技术能够对结构物应力变化进行实时监测，所用传感器安装方便，布设工艺简单，性能稳定，对开口PHC管桩贯入层状土地基中端阻力及侧摩阻力变化监测效果较好，成功地将沉桩阻力沿深度分离为桩侧摩阻力及桩端阻力，为桩体性状的研究奠定基础。

（2）桩端土层软硬程度制约着静压桩贯入阻力变化。硬质土层界面处试桩压桩力增长44.36%，端阻力受桩端土性状影响更为显著，增长幅度达97.41%，大于侧摩阻力增幅17.92%。桩端未进入硬质土层试桩桩身应力变化不明显。

（3）贯入过程中桩身上、下部侧摩阻力发挥力学机制不同。贯入初期，试桩桩身上部侧摩阻力受桩体晃动影响较大，单位侧摩阻力平均值约为0.51 MPa；随着桩体贯入，桩端位于硬质土层试桩桩身下部单位侧摩阻力约为2.78 MPa，大于桩端位于非硬质土层试桩桩身下部单位侧摩阻力值2.13 MPa。桩身单位侧摩阻力大小体现了桩周土对桩体的直接作用响应。

（4）室内模型试验及深厚砂土地基中桩侧摩阻力临界深度现象明显。针对本次试验结果而言，受桩体尺寸及土层性状变化影响，侧摩阻力临界深度现象不存在。

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