垃圾土中桩基静载荷与光纤现场试验

郭凤伟 肖昭然 杨清晨

摘 要：预制管桩可用于垃圾填埋场等软土地基处理。为了研究其荷载传递规律，采用现场荷载试验、桩身光纤光栅应力测试，分析各级荷载下管桩桩侧摩阻力及桩端阻力分布特征，给出各段压缩量随桩顶荷载的变化规律。结果表明：本次试验桩基荷载—沉降曲线均为缓变型，桩下部主要承受正摩阻力。

关键词：桩-垃圾土;光纤;现场试验

中图分类号：TU43     文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）10-0051-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.011

Pile Foundation Static Load Test and Field Test of Optical Fiber in

Garbage Soil

GUO Fengwei    XIAO Zhaoran    YANG Qingchen

（School of Civil Engineering， Henan University of Technology， Zhengzhou 450001， China）

Abstract：Prefabricated pipe piles can be used for the treatment of soft soil foundations such as landfills. In order to study the load transfer law， the field load test and the fiber grating stress test of the pile body are used to analyze the distribution characteristics of the side friction resistance and the pile end resistance of the pipe pile under various loads，  and the variation law of the compression amount of each section with the pile top load is given. The results show that the load-settlement curves of the pile foundation in this test are all of the slowly-varying type， and the lower part of the pile mainly bears the positive frictional resistance.

Keywords：pile-garbage soil; optical fiber;field test

0 引言

隨着城市规模不断增大，越来越多的建筑物和公路修筑在垃圾填埋场上[1]。静压桩以其施工效率高和承载力高等优点得到广泛应用[2]。近年来，光纤传感技术日趋成熟，光纤仪器具有分辨率高、稳定性好等优点。因而在很大程度上弥补了传统监测技术的不足。采用光纤传感技术，可根据监测结果分析桩的受荷变形、荷载传递等性状[3-4]。

本研究以郑州市芦庄路（百荣路—京广南路）道路工程为例，结合现场试验，对垃圾填埋场中承载性能进行研究，以期完善其承载理论，为进一步推广使用提供可靠依据。

1 试验区概况

郑州市芦庄路（百荣路—京广南路）道路工程位于郑州市南部，为城市支路，规划红线宽30 m，规划起点为百荣路，规划终点为京广南路，起点桩号为LZK0+037.237，终点桩号为LZK3+555.474，规划起终点长度3 518.237 m，实际建设长度3 412.424 m（扣减已批或已建道路105.813 m）。道路断面为单幅路形式，双向四车道标准，道路全宽30 m，标准横断面布置形式为5 m人行道+20 m车行道+5 m人行道。

2 单桩静载荷试验

2.1 试验目的

基桩类型是预制管桩，采用静压沉桩工艺，总桩数为3 990根，桩径为500 mm，设计桩长为5.00～12.00 m。根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）的要求，采用慢速维持荷载法，于2018年12月15日—2019年5月18日，对40根单桩进行竖向抗压静载试验，对垃圾土中单桩荷载—沉降曲线特点和桩基承载力进行研究。

2.2 试验过程

采用压重平台反力装置，能提供的反力大于或等于1 800 kN。单桩抗压静载荷试验加载应分级进行，采用逐级等量加载，分级荷载宜为最大加载量的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍。具体分级见表1。

每级荷载施加后按第5、15、30、45、60 min测读桩顶沉降量，以后每隔30 min测读一次。每次测读值由仪器自动记录。每1 h内的桩顶沉降量不超过0.1 mm，并连续出现两次（从分级荷载施加后第30 min开始，按1.5 h连续三次每30 min的沉降观测值计算），当桩顶沉降速率达到相对稳定标准时，再施加下一级荷载。卸载分级进行，每级卸载量取加载时分级荷载的2倍，逐级等量卸载。卸载时，每级荷载维持1 h，按第15、30、60 min测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间为3 h，测读时间为第15、30 min，以后每隔30 min测读一次。

2.3 试验结果

本工程40根桩试验结果见图1。

从图1可以看出，本次试验的桩基荷载—沉降曲线均为缓变型，3根11 m试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为540 kN，单桩竖向抗压承载力特征值为290 kN，6根12 m试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为720 kN，单桩竖向抗压承载力特征值为360 kN，31根5～8 m试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为500 kN，单桩竖向抗压承载力特征值为250 kN。

3 桩-垃圾土相互作用光纤试验

3.1 试验目的

通过在预制管桩桩身埋置分布式光纤的方式获得侧摩阻力分布和随时间演化规律，在桩帽下方一定深度埋设土压力盒，从而获得桩侧土压力分布规律。

3.2 试验方案

断面的选择与布置应具有充分性和代表性，同时应具有施工便利性。根据场地勘察条件和现场监测技术需求，拟选择垃圾土分布广泛的K2+260～K2+420的A1区域为监测位置，具体断面位置坐标根据现场实勘确定。该区域垃圾土深度达15 m，且主要位于设计行车道下面，存在潜在工后沉降过大问题。经现场勘察后，选择K2+330断面南面一侧。断面横向布置：沿路面中心线一侧，分别在行车道中心线，人行道中心线以及两者中间选择3根桩进行测试。

A1区管桩情况为桩长11.9 m，桩径50 cm，壁厚11 cm。各桩点位布置如下：1号线（3号线）从小波长开始，一串8个点，布设位置分别是1号点1.5 m、2号点2.5 m、3号点3.5 m、4号点4.5 m、5号点5.0 m、6号点6.0 m、7号点7.0 m和8号点8.0 m。2号线从小波长开始，一串8个点，布设位置分别是1号点9.0 m、2号点10.0 m、3号点11.0 m、4号点11.4 m、5号点11.4 m、6号点11.0 m、7號点10.0 m和8号点9.0 m。

每根PHC管桩纵向设计2个侧面布设光纤光栅传感器，分别沿着桩身断面0°、180°两个方向进行布设。每个侧面布设1条测线，每节桩身顶底各预留50 cm。并且两条测线在底部熔接，形成一条U形回路，布设第二条测线。单节PHC管桩传感光纤布设如图2所示。

3.3 现场施工

本案例于2019年1月14日进行光纤传感器试验器材安装。光纤传感器安装施工过程如下。

3.3.1 桩身开槽。在PHC管桩桩身外侧确定好测线的位置，弹线定位，再沿线用切割机开槽，应保证切槽笔直。

3.3.2 鼓风清槽。使用鼓风机将所开的槽身处理干净，去除棱角杂质，避免在植入光纤时发生不必要的意外。

3.3.3 植入光缆。沿槽身植入光纤光栅传感器，保持光缆笔直，不应弯曲缠绕。

3.3.4 对分布式光纤上点位进行保护和固定。

3.3.5 灌胶黏结。将光纤放入槽内设计位置，然后用502高强胶水对光缆进行粘贴固定。光缆植入完成后，回填环氧树脂胶，同时使用热风枪将环氧树脂修理平整，排除其中气泡。

3.3.6 桩顶处理。在距桩顶60 cm处钻孔，并往下开宽3 cm、长50 cm的槽，在对光缆进行埋线涂胶固定后，可将光缆线材通过孔引至管桩内部，进而方便下桩时，确保光缆不受破坏。

3.3.7 桩尾处理。在桩身尾部，可适量加大槽身宽度与深度，进行光纤熔接与安置，形成一条U形回路。安装完成后再进行灌胶黏结。

3.3.8 等待固化。在灌胶12 h后，环氧树脂完全固化后方可移动桩身去铺设另外一面。

分布式光纤感应器安装完成后，定于2019年1月24日进行下桩，在下桩前，对管桩内光缆线材进行固定，避免下桩时线材强烈摆动导致其损坏，并在桩底部安装桩尖，便于下桩。

下桩完成后，对管桩周围土体进行清理，将光缆从管桩内部引出，进行测试，以检查所布点位是否损毁，因为光缆线材较脆、易折，故依照南智厂家指导，购买PPR管材来对光缆线材进行保护，并在下桩处挖沟来对PPR管材进行掩埋，加强保护。在完成上述操作后，进行数据测试，如图3所示。

所有工作完成后，对3根管桩上所有布设的光纤进行数据测试，获取点位存活率。具体存活率见表2。

土压力盒沿深度方向，分别布置在桩帽下方深度20 cm和50 cm处，继而沿横向在距离桩身中心线0.45 m、0.75 m和1.25 m处布置3个土压力盒，如图4所示。

土压力盒埋置时应保持底部平整，且因土壤易固结，故在土压力盒底部平铺一层细沙后安置土压力盒，再用细沙将其覆盖，最后进行回填土。

对于土压力盒引线，出于对其的保护，将其同样放置于管道中。出口处设置数据采集箱，如图5所示。

3.4 试验结果分析

传感器安装调试完成后，于2019年4月开始，每隔一个月测试一次，图6至图8给出了3个桩位从2019年4月到2020年7月的数据。

在此期间，桩基主要承受上部回填路基荷载的作用。可以看出，随着桩的位置从路面中心处往外扩到路边缘处，桩侧摩阻力整体呈增大趋势。在此期间1号桩4 m以上桩位为正摩阻力，4～8 m为负摩阻力，随时间增加，侧摩阻力呈增大趋势。2号桩和3号桩5 m以上主要为负摩阻力，桩下部主要承受正摩阻力。

4 结语

本研究采用光纤技术实现了对垃圾土中桩基长期承载力演化检测的目的。分别采用现场静载荷试验方法对40根单桩竖向抗压静载进行试验和在现场开展桩-垃圾土相互作用光纤试验。结果表明，本次试验桩基荷载—沉降曲线均为缓变型，3根11 m试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为540 kN，单桩竖向抗压承载力特征值为290 kN，6根12 m试验桩的单桩竖向抗压极限承载力为720 kN，单桩竖向抗压承载力特征值为360 kN;随着桩的位置从路面中心处往外扩到路边缘处，桩侧摩阻力整体呈增大趋势。1号桩4 m以上桩位在此期间为正摩阻力，4～8 m为负摩阻力，随时间增加，侧摩阻力呈增大趋势。2号桩和3号桩5 m以上主要为负摩阻力，桩下部主要承受正摩阻力。

参考文献：

[1] 杨明亮，骆行文，喻晓，等.金口垃圾填埋场内大型建筑物地基基础及安全性研究[J].岩石力学与工程学报，2005（4）：628-637.

[2] 李俊才，张永刚，邓亚光，等.管桩水泥土复合桩荷载传递规律研究[J].岩石力学与工程学报，2014（S1）：3068-3076.

[3] 邢皓枫，赵红崴，叶观宝，等.PHC管桩工程特性分析[J].岩土工程学报，2009（1）：36-39.

[4] 亓乐，孟志浩，孙长帅，等.基于弱光栅技术的钢管桩静载荷试验[J].建筑结构，2021（S2）：1645-1650.