分布式光纤法在旋挖成孔灌注桩桩身内力测试中的应用

姚云泉 蔡 勇 吴朝峰

(1.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江 杭州 310014; 2.国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007)

1 研究背景

旋挖成孔灌注桩适用于粘性土、粉土、砂土、填土、碎石土及风化岩层，具有成孔速度快、施工工艺成熟等优点，某500 kV变电站站址区具有深厚的淤泥质粉质粘土(层厚23.0 m～31.1 m)，桩端又在卵石层上，试桩阶段对其中两个桩进行了桩底注浆。为检验注浆效果，在单桩竖向抗压静载荷试验下，测定桩身内力，同时研究桩身轴力发挥机理，通过计算桩侧摩阻力和桩端阻力从而对基桩设计进行优化，为以后类似地层的桩基设计提供了重要的工程意义[1]。现有阶段下，桩身内力测试可以选用电阻应变式传感器、振弦式传感器、滑动测微计或光纤式应变传感器[2]。钢筋计这种方法的主要缺点在于其传感器的成活率低,误差大；滑动测微计实测应变值不能直接用于摩阻力和端阻力的计算,必须对其进行平滑处理,增加了人为因素[3]。本文依托某500 kV变电站旋挖成孔灌注桩，通过静载条件下的桩身内力测试，分析桩身荷载传递规律。

2 分布式光纤测试原理

本次测试采用分布式光纤测试技术进行桩身内力测试，该技术基于布里渊光时域散射原理(BOTDR)。其散射受温度或轴向应变影响，而通过频率漂移量(νB)即可得到沿线光纤的温度和应变分布信息，原理见图1。

实际应用时先确定桩身截面面积A、桩身混凝土的弹性模量Ec。本工程桩的直径为0.8 m，桩面积取0.50 m2。弹性模量E根据混凝土的标号及配筋率，查询混凝土结构设计规范。

3 工程应用

3.1 工程概况

某500 kV站址区浅部地基土主要由第四系冲海积成因的粉土、淤泥质土、细砂及下伏卵石组成。各土层物理力学性质指标见表1。

表1 各土层物理力学性质指标 kPa

T1，T3试桩桩身直径为800 mm，采用⑥层卵石作为桩端持力层，桩端进入持力层不少于0.8 m，桩端持力层为卵石，采用桩端注浆施工工艺，混凝土标号采用C35，桩身结构对应的轴心受压承载力设计值为4 700 kN。光纤U型铺设工艺见图2，BOTDR仪器测读在试桩加卸载稳定后进行。

3.2 静载荷试验

试验结果见表2,表3及图3,图4。

表2 T1号桩(桩底注浆)荷载—历时—沉降汇总表

表3 T3号桩(桩底注浆)荷载—历时—沉降汇总表

由静载荷试验曲线可得，T1号桩(桩底注浆)单桩竖向抗压极限承载力为5 500 kN，T3号桩(桩底注浆)单桩竖向抗压极限承载力为6 000 kN，满足设计承载力要求,见图5～图8。

3.3 桩身内力测试

由桩身内力测试可知：

1)在整个试验过程中，桩底应变几乎为0，桩底不受力。桩顶累计沉降量主要来源桩体受桩顶荷载的弹性压缩变形。桩底位移量很小；

2)桩身底部轴力在整个试验过程中，始终为0。桩顶荷载完全由桩身周围地层岩土体侧摩阻力提供反力而消化掉，始终无法传递到桩底。该试验桩为纯摩擦桩；

3)桩身粉土和较深处淤泥质粉质粘土，在试验过程中侧摩阻力较大；浅部淤泥质粉质粘土对桩体提供的侧摩阻力较小。粉质粘土、细砂和卵石层侧摩阻力发挥不完全，继续增大试验荷载，其侧摩阻力才开始逐渐发挥。其中粉质粘土层在桩顶荷载2 000 kN～2 500 kN时侧摩阻力开始发挥且随着荷载增大，侧摩阻力迅速增大；细砂层在桩顶荷载4 500 kN～5 500 kN时侧摩阻力开始发挥且随着荷载增大，侧摩阻力迅速增大；卵石层在本次静载试验过程中未发挥侧摩阻力；

4)本次试桩浅部①,②层粉土在极限载荷下，提供了约30.5%～42.4%的侧阻力，深部③层淤泥质粉质粘土提供了约37.1%～37.6%的侧阻力。由于②层粉土中密且局部粉砂含量较高，该层土在本次试验过程中的极限侧阻力测试值可达到60 kPa左右；

5)土层深部的淤泥质粉质粘土，由于局部夹粉土及粉砂薄层且局部以粉土为主，该层土的极限侧阻力测试值可达到40 kPa左右；

6)根据桩土相对位移计算值，静载试验下位移主要发生在①层粉土②粉土③层淤泥质粉质粘土和③1粉土，而底部④层粉质粘土位移很小，⑤层细砂和⑥层卵石位移几乎没有。本次加载条件下，粉土层和深部淤泥质粉质粘土层侧摩阻力发挥较为充分，而当底部粉质粘土产生相对位移后，侧摩阻力增加速度非常快；

7)根据本次桩身内力测试成果，同时考虑软土层的桩侧负摩阻力，各地层的极限侧摩阻力标准值qsik(kPa)(推荐值)见表4。由于①层粉土层厚度薄，故与②划分为一个地层。④层粉质粘土桩侧位移很小，⑤层细砂和⑥层卵石桩侧位移几乎没有，均未达到极限状态，故①,④,⑤,⑥层未给出qsik推荐值，⑥层为给出qpk推荐值(未给出的地层qsik,qpk可按勘察报告取值)。

表4 各地层的极限侧摩阻力标准值

地层名称①粉土②粉土③淤泥质粉质粘土③1粉土④粉质粘土⑤细砂⑥卵石qsik/kPa—602545———

4 结语

1)用分布式光纤传感技术对旋挖成孔灌注桩桩身进行内力测试，是行之有效的。

2)桩身内力测试结果表明，在整个试验过程中，桩底应变几乎为0，桩底不受力。桩顶荷载完全由桩身周围地层岩土体侧摩阻力提供反力而消化掉，无法传递到桩底。桩体较长，桩顶荷载引起的桩身弹性压缩变形量较大，且桩顶荷载接近混凝土的极限抗压承载力，Q—s曲线亦表现为陡降型，因此可以认为试验过程中，虽然桩顶变形达到规范规定的破坏条件，但深部土体未充分发挥其反力。

3)根据本次桩身内力测试成果，②层粉土、③层淤泥质粉质粘土、③1层粉土的极限侧摩阻力qsik(kPa)(推荐值)分别为60 kPa,25 kPa,45 kPa。需要特别指出的是，淤泥质粉质粘土在场地堆载条件下，应考虑可能产生的桩侧负摩阻力。