基于FBG传感技术的黏性土中静压沉桩阻力测试*

王永洪， 张明义， 白晓宇， 刘俊伟， 苗德滋

(1. 青岛理工大学土木工程学院 青岛, 266033) (2. 山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心 青岛, 266033)

引 言

静压沉桩阻力对于沉桩可能性评价和沉桩深度控制等问题具有重要的工程意义[1-2]。国内外学者通过室内模型试验、离心机模型试验及现场试验对静压沉桩机理开展了一系列研究。周健等[3]进行了砂土中静压桩沉桩过程力学特性的模型试验，通过桩顶荷重传感器及桩身应变片，测得了桩端阻力和桩侧摩阻力的发展规律。李雨浓等[4]通过在桩身上布置微型应变片，在多层软黏土层中埋设土压力盒，研究了沉桩过程桩端阻力和桩侧摩阻力的变化规律及桩周土体应力分布特征。肖昭然等[5]通过研制的室内模型装置研究了砂土中静压沉桩机理，得到了静压沉桩过程围压和摩阻力的联系。曹兆虎等[6]基于透明土、PIV及图像测试技术，进行了桩基贯入全过程研究，得到了开口和闭口管桩的贯入特性。朱友群等[7]等利用FBG-布里渊散射光时域分析技术联合感测动态监测打入过程桩身应变，分析了桩身裂缝、爆桩等质量病害。Nicola等[8]在砂土中进行了开口管桩沉桩离心模型试验，研究了管桩贯入砂土中的力学性状。Lehane等[9-10]分别进行了干砂中开口管桩和固结砂土中闭口钢方桩的离心模型贯入试验，研究了干砂中不同桩周土体应力、桩径和壁厚的沉桩力学特性，同时分析了影响固结砂土中桩侧水平有效应力增大的因素。刘清秉等[11]通过离心模型试验对不同密实度的砂土进行研究，得到不同颗粒形状对闭口静压桩端阻力的影响。李雨浓等[12-13]进行了高岭黏土中静压沉桩离心模型试验，通过模型桩头荷重传感器和桩底端阻力测试元件，测试了贯入过程中的沉桩阻力和桩端阻力。张明义等[14]在现场足尺静压桩桩底安装自制传感器、桩顶同步读取压桩力进行试验，以分离桩侧总摩阻力和桩端阻力。寇海磊等[15]通过高强预应力混凝土管桩桩身刻槽埋入FBG传感器，分离了沉桩过程的桩端阻力和桩侧摩阻力。胡永强等[16]对模型桩进行了现场静力压入及载荷试验，研究了穿过不同土层时桩端阻力和桩侧阻力的变化机理，得到了利用终压桩侧摩擦情况来判断承载力时效性的结论。可以看出，多数文献仅针对砂土地基中静压桩连续贯入特性进行研究，且采用传统的电测类传感器进行测试。静力沉桩是一个稳态贯入过程，在此过程中桩尖和桩周土体应力状态不断变化。进行模型试验时，传统的测试传感器会造成较大误差，使测量值与实际值相差较大，如何在测试过程中克服土颗粒运动对桩端和桩身产生的扰动至关重要。光纤光栅传感器体积小，质量轻，电磁干扰能力强，在一根光纤中可以写入多个光栅[17-18]。国内关于光纤光栅传感技术已应用在很多工程结构中[19-21]，针对黏性土地基的室内模型试验，在开口模型管桩外管和内管同时安装微型光纤光栅传感器，进行不同桩端形式、不同桩径和不同桩长静压沉桩的测试鲜有报道。

笔者采用增敏微型光纤光栅应变传感器和双模式光纤光栅土压力传感器，自行研制双壁开口模型管桩，并在模型管桩外管和内管同时安装增敏微型光纤光栅应变传感器，成功分离桩内侧摩阻力和桩外侧摩阻力，对桩身顶部和底部应变进行直接测量。双模式光纤光栅土压力传感器安装在桩端，对桩端阻力进行直接测量，对比分析基于两种光纤光栅传感器的桩端连续贯入过程差异。通过对光纤光栅应变和压力数据的采集，分析了不同桩径、不同桩长及开口与闭口的桩端阻力和桩侧阻力特性，研究了黏性土中静压沉桩阻力的变化规律。

1 FBG传感器原理及沉桩阻力测试理论

1.1 FBG应变传感器基本理论

笔者选用的测试元件为增敏微型FBG应变传感器，由光纤光栅、夹持套管和夹持支座3部分组成，传感器工作原理结构图如图1所示。设两夹持支座之间的距离为L，两端夹持套管内侧之间的距离为Lf，夹持支座到夹持套管内侧的距离为Ls。传感器实物如图2所示。

图1 传感器工作原理结构图Fig.1 Working principle structure of sensors

假设光纤和夹持套管内黏结剂不发生变形，两夹持支座之间发生轴向变形ΔL，夹持套管的变形为ΔLs，光纤光栅变形为ΔLf，由材料力学基本原理可得

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图2 增敏微型FBG应变传感器Fig.2 The picture of miniature FBG strain sensors with enhanced sensitivity

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其中：As为夹持套管的截面积；Af为光纤光栅的横截面积；Es夹持套管的弹性模量；Ef为光纤光栅的弹性模量；P为传感器产生的内力。

由于传感器产生的内力均匀分布，由式(1)，(2)可得

(3)

将相应的参数Ef=7.2×1010Pa，Es=210×109Pa，df=0.125 mm，ds=0.8 mm代入式(3)可得

(4)

由式(4)可知，ΔLs可以忽略不计，ΔL全部由光纤光栅产生。因此传感器应变与光纤光栅应变关系[15]为

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1.2 双模式FBG土压力传感器基本理论

双模式FBG土压力传感器既可以实现温度自补偿，又可以避免测量时受土质和土压力分布不均的影响。双模式FBG土压力传感器受到土压力作用后，一次膜片首先产生挠度变化，使得液压油受到挤压，从而引起二次膜片产生挠度变化，最后使光纤光栅发生波长移位，从而可以得到光纤光栅均匀轴向应变，如式(7)所示

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1.3 沉桩阻力测试理论

静压沉桩过程中，桩侧阻力需用柱孔扩张理论解答；桩端阻力需用桩端球孔扩张理论解答，且桩端用球孔扩张更加贴切[2]。根据静压沉桩机理，沉桩阻力R由桩端阻力Qs和桩侧阻力Fs两部分组成，即

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2 试验装置

试验对象为开口模型管桩和闭口试验管桩，其中开口模型管桩为双壁，外径为140 mm，内径为120 mm。为了达到试验目的，闭口模型管桩根据不同桩径、不同桩长设计了如表1所示的模型管桩参数。圆管均选用铝质材料，厚度为3 mm。试验装置由8通道FS2200RM光纤光栅解调仪、开口双壁模型管桩TP1、闭口模型管桩TP2，TP3和TP4组成。

表1 模型管桩参数表

开口双壁模型管桩TP1的制作：开口模型管桩通过内六角螺栓与管桩桩端相连；因开口桩端处内管与底座之间有微小缝隙，为防止沉桩过程中进入黏土影响测试效果，使用密封胶进行填充密封。开口双壁模型管桩的结构示意图如图3所示。光纤光栅应变传感器安装如图4所示。试验主要分为以下3步：a.制备土样：试验所用土样取自青岛某住宅工程现场粉质黏土层，根据《土工试验方法标准》[22]对土样进行重塑并静置后进行压桩试验;b.传感器安装：传感器安装过程连接光纤光栅解调仪，时时测试每个传感器的波长;c.静力沉桩：静力沉桩试验装置包括数据采集系统、加载系统和模型箱系统。整个沉桩过程分两次完成，中间一次停顿以增加千斤顶的下落高度，沉桩速度约为300 mm/min。静力沉桩过程如图5所示。

图3 开口双壁模型管桩结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of open double-wall model pipe pile structure

图4 FBG应变传感器安装Fig. 4 Installation of FBG strain sensor

图5 静力沉桩过程Fig. 5 Static pile sinking process

3 试验数据分析

为了研究黏性土中静压沉桩阻力受桩径、桩长、开口和闭口的影响，变动其中一项参数，其余参数固定不变，分析沉桩阻力的变化规律。通过增敏微型FBG应变传感器和双模式FBG土压力传感器应变变化分别得到沉桩过程桩侧阻力和桩端阻力变化。

图6为桩径不同时沉桩阻力的变化规律。可以看出，桩端阻力和桩侧阻力随桩径的增大而增加，与桩长相比，桩径对沉桩阻力的影响较大。此外，与桩端阻力相比，桩侧阻力变化较大。

图7为桩长不同时沉桩阻力的变化规律。可以看出，桩长对沉桩阻力影响不大，相同桩长范围内桩端阻力和桩侧阻力都相差不大。长桩沉桩深度由90 cm增加至110 cm，桩端阻力由1.812 kN增加

图6 沉桩阻力随桩径变化规律Fig. 6 Variation of pile-sinking resistance with various pile diameters

图7 沉桩阻力随桩长变化规律Fig. 7 Variation of pile-sinking resistance with various pile length

至2.054 kN，桩侧阻力由0.939 kN增加至1.244 kN，与短桩桩侧阻力1.191 kN相近。

图8为沉桩阻力与开、闭口的关系。可以看出，沉桩阻力的大小与开、闭口有关，闭口桩侧阻力明显大于开口桩侧阻力。

图8 沉桩阻力受开、闭口影响Fig. 8 Influence of pile-sinking resistance with open-ended and close-ended pile

图9为桩顶施加荷载与桩侧及桩端阻力之间的相互关系图。可以看出，试桩TP1桩内侧摩阻力、桩外侧摩阻力及桩端阻力之和等于桩顶压桩力，试桩TP2，TP3和TP4总侧摩阻力与桩端阻力之和均等于桩顶压桩力，说明了测试结果的有效性。

以上分析可以看出，均质黏性土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力，桩侧摩阻力占比较小，见表2。同时，桩径和开、闭口对均质黏性土地层沉桩阻力有较大影响，但桩长对沉桩阻力影响较小。

表2 沉桩结束时桩端阻力、桩侧阻力占沉桩阻力的百分比

Tab. 2 Percentage of pile end resistance and pile side resistance at the end of pile sinking

试桩编号沉桩阻力/kN桩端阻力/kN桩端阻力百分比/%桩侧摩阻力/kN桩侧摩阻力百分比/%TP12.5381.69266.70.84633.3TP23.2982.05462.31.24437.7TP32.9381.74759.51.19140.5TP42.2381.48066.20.75733.8

图9 桩顶施加荷载与桩侧及桩端阻力之间的相互关系图Fig. 9 The relationship between the applied load of pile top and pile tip resistance and pile shaft resistance

图10为模型桩沉桩阻力与沉桩深度的关系曲线。可以看出，对于桩径和桩长均相等的开口桩TP1和闭口桩TP3，沉桩阻力在开始阶段上升较快，但是当沉桩深度约20 cm时，此时TP1和TP3沉桩阻力相等，沉桩阻力出现拐点，随后沉桩阻力增加缓慢，当沉桩深度约40 cm时，开口桩TP1沉桩阻力开始小于闭口桩TP3，TP3沉桩阻力开始比TP1增加速率快，当贯入量为90 cm时，TP3沉桩阻力比TP1增大了15.8%，这与开、闭口桩贯入过程作用机理是吻合的。桩径越大的闭口桩沉桩阻力增加速率越快，对于桩长相等的TP3和TP4，当贯入量为90 cm时，TP3沉桩阻力比TP4增大了31.3%。对于桩径相等的TP2和TP3，当贯入量为0～90 cm时，两桩沉桩阻力基本相等，当贯入量为110 cm时，TP2沉桩阻力比TP3贯入量为90 cm时增大了12.3%。分析采用闭口桩、增大桩径和增大桩长均能增加桩身承载力，增大桩径使桩身承载力增幅最大，闭口桩比开口桩增幅次之，增加桩长的增加幅度最小。

图10 沉桩阻力曲线对比Fig. 10 Comparison between resistance curves of pile penetration

4 结 论

1) FBG传感技术能够很好地满足黏性土中静压管桩沉桩阻力的测试要求，清晰反映出桩端阻力和桩侧阻力在不同桩径、桩长及开口和闭口下的变化规律。

2) 均质黏性土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力，沉桩过程中桩侧阻力较小。桩径和开、闭口对均质黏性土地层沉桩阻力有较大影响，桩长对沉桩阻力影响较小。

3) 采用闭口桩、增大桩径和增大桩长均能增加桩身承载力，增大桩径使桩身承载力增幅最大，闭口桩比开口桩增幅次之，增加桩长的增加幅度最小。