基于光纤感测技术的雪花形桩挤土效应模型试验研究

高 磊， 钱继奔， 徐中权， 陈和进， 袁 泽

（河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210024）

近年来，我国在岩土工程领域的快速发展，日益增加的施工难度和工程质量要求，亟须承载能力更高、施工材料更少、更环保的异形桩. 常用的异形桩主要有H形桩、楔形桩、DX多节挤阔桩、Y形桩及X形桩等.在同等截面条件下，异型桩在桩土荷载分担上相比于圆桩更加合理，桩的承载力、桩土应力相比于圆桩更高［1-4］. 雪花形桩是一种新型异形桩，其桩身结构如图1所示，对比其他异形桩，雪花形桩基础具有更大的桩土接触面积和更高的整体刚度，可以有效减小材料用量，在控制不均匀沉降和减少桥头跳车等方面具有优异性［5-7］.

图1 雪花形桩结构图Fig.1 Structure of snowflake-shaped pile

桩基础的挤土效应是桩基工程的重要特征，其表现为浅层土体的隆起和深层土体的横向挤出，重则导致周围土体和建筑物破坏，引起重大工程安全事故［8-12］. 目前，学者们已经采用不同方式对桩基础的挤土效应开展研究，雷华阳等［13-14］通过现场布设测斜管以及孔隙水压力计研究管桩的挤土效应；万星等［15］利用测斜管研究群桩挤土效应；徐建平等［16］采用双层对准直接观测法对单桩和双桩挤土效应产生的土体位移进行测量；许朝阳等［17］对软黏土中的沉桩效应进行了室内模型试验研究，通过玻璃直接观测土体位移；周健等［18］在染色砂中设置标志层，用相机拍摄挤土效应产生的标志层位移，研究土体水平位移和土体隆起量的影响范围；周航等［19-20］利用透明土变形可视化技术，研究X形桩与矩形桩沉桩过程中的挤土效应.

目前对于沉桩挤土效应产生的土体水平位移，大多利用测斜仪进行监测，存在点式监测、精度低和成本高等不足. 为了解决岩土工程问题，一些学者将光纤感测技术引入岩土工程领域，开展了探索性研究，其中光频域反射技术（OFDR）相对于其他光纤技术具有精度高的特点，被初步应用于岩土工程室内模型试验中.曹阳等［21］将OFDR 技术应用于桩基在水平荷载下的变形监测室内试验，光纤监测值与百分表测量值拟合良好，证明OFDR 在测量桩基挠度变形方面的可靠性；Gao 等［22］进行了雪花形钢板桩室内模型试验，证明OFDR分布式传感技术可以有效地监测雪花形钢板桩的应变.

为了研究雪花形桩在沉桩过程中的挤土效应，本文开展了雪花形桩挤土效应室内模型试验，利用3D打印技术制作了雪花形桩模型，制作了土体水平位移监测装置，采用光频域反射技术（OFDR），监测了雪花形桩沉桩过程中土体水平位移监测装置的应变，并计算得到了桩周土体水平位移，对雪花形桩的挤土效应带来的土体位移进行了分析.

1 OFDR光纤感测技术原理

光在光纤中传播存在三种主要散射，分别是瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射. OFDR是一种基于测量瑞利散射变化的一种应变测量技术，其基本原理为利用波频率扫描技术，运用外差干涉方法，将周期性线性波长扫描的光源通过耦合器接入参考臂和信号臂，参考臂的本振光和信号臂的背向瑞利散射信号发生拍频干涉，将干涉信号通过快速傅里叶变换（FFT）得到距离域上光纤的背向瑞利散射信号信息［23］.

利用OFDR技术对待测物体的应变或温度进行测量时，可以把光纤看成一种连续分布的布拉格光栅，光纤应变和温度变化引起的光谱的移动量可以通过将待测光谱与本地参考光谱进行互相关运算获得. 通过在待测试件中埋入光纤，可以实现OFDR 技术对应变或温度的分布式测量［24］. OFDR 技术能在100 m 有效范围内对待测物体实现最大空间分辨率为1 mm、应变分辨率为1 με、温度分辨率为0.1 ℃的高精度测量［25］.OFDR技术原理如图2所示［23］.

图2 OFDR技术原理图Fig.2 Principle of OFDR technology

2 模型试验

2.1 试验装置

为方便控制模型槽内土层的均质性，本试验采用砂土作为试验土样. 模型槽由透明亚克力材料制成，尺寸为：长80 cm，宽40 cm，高50 cm；砂土密度为1.88 g/cm3.

本试验利用3D打印技术，使用绿色可生物降解的聚乳酸材料（PLA）制作雪花形桩，以控制桩的尺寸和保证桩整体刚度.PLA材料弹性模量为3500 MPa，弯曲模量为125 MPa. 3D打印雪花形桩翼缘及腹板长度为40 mm，宽度均为10 mm，桩体长度为300 mm，横截面积为3730 mm2，底部闭口处理. 为保证桩体在沉桩过程中受载均匀，避免发生倾斜，在模型桩上部加设桩帽. 设置3D打印填充密度为15%，打印速度为50 mm/s.

本试验通过在PVC 管上预切割槽，将光纤传感器沿槽粘贴，在底部“U”型布设，制作了土体水平位移监测装置. PVC管外径为15 mm，长度为350 mm，弹性模量为2950 MPa. 图3 为本试验材料.

2.2 试验过程

图4 为本试验装置布设图，本试验在桩侧埋设土体水平位移监测装置，在雪花形桩逐渐压入土体过程中，根据不同入土深度，监测土体水平位移监测装置的应变. 雪花形桩与土体水平位移监测装置G1、G2、G3中心位于一条直线上，土体水平位移监测装置中心距离雪花形桩中心分别为1D（150 mm）、1.5D（225 mm）、2D（300 mm），D为雪花形桩横截面外接圆直径，大小为150 mm. U1和U2为“U”型布设在土体水平位移监测装置两侧的光纤传感器，U1光纤传感器正对桩侧，U2光纤传感器背对桩侧. 试验中所用OFDR数据采集仪为香港东隆科技有限公司生产，本次试验中设备的空间分辨率设置为1 cm.

图4 试验装置布设图Fig.4 Layout of test devices

试验流程如下：

1）模型槽内预填10 cm砂土，将土体水平位移监测装置G1、G2、G3按照图4布设，填砂土至低于装置顶部2 cm处，静置1 d，待砂土在自重作用下完全稳定.

2）测量土体水平位移监测装置G1、G2、G3初始应变值，并记录.

3）采用砝码加载雪花形桩，每压入砂土5 cm 测量一次土体水平位移监测装置应变数据，直至压入土体20 cm.

3 结果分析

3.1 土体水平位移监测装置应变分析

本次试验中，PVC 管上端高于土体2 cm，下端预留5 cm，防止光纤传感器弯折角度过大发生断裂，光纤传感器实际有效数据段长度为28 cm，图5 为土体水平位移监测装置应变.光纤传感器沿PVC管U型布设，U1光纤传感器正对桩侧，U2光纤传感器背对桩侧；U1 应变为正，U2 应变为负.在PVC 管底部会因为光纤传感器粘贴原因导致部分应变缺失，但是对整体趋势没有影响.

由图5 可知，雪花形桩沉桩过程中，土体水平位移监测装置应变呈现两端小，中间大的趋势，且随着沉桩深度的增加而增大，如沉桩深度从5～20 cm时，土体水平位移监测装置G1最大应变分别为126.57、326.13、462.82、592.27 με. 土体水平位移监测装置应变随着离沉桩中心距离的增加而减小，如沉桩深度20 cm 时，G1、G2、G3土体水平位移监测装置最大应变分别为592.27、199.29、66.43 με，G2、G3土体水平位移监测装置最大应变相比G1下降了66.35%和88.78%；最大应变增加幅度在沉桩5～10 cm 范围内，G1、G2、G3土体水平位移监测装置的最大应变增幅分别为257.67%、274.77%、274.88%.

图5 土体水平位移监测装置应变结果Fig.5 Strains of soil lateral displacement monitoring devices

3.2 土体水平位移分析

本试验获取的土体水平位移监测装置应变数据，通过应变-挠曲变形转换方程式转化为挠度，从而获得土体的水平位移. 假定土体水平位移监测装置是均匀弹性变形，应变测点最低处（土体水平位移监测装置入土280 mm处）土体水平位移为零值. 应变-挠曲变形转换方程式如下所示：

式中：ω(z)为计算所得的土体水平位移，mm；z为深度变量，mm；H为埋深，mm；y(z)为同一横截面上的某个应变点到截面中心的有线距离，mm；ε(z)1为正对桩侧应变；ε(z)2为背对桩侧应变，规定正值为拉应变，负值为压应变；C、D为积分常数.

桩底位移可忽略不计，最大应变位置在土体水平位移监测装置边缘，即y(z)=R，为土体水平位移监测装置外径，式（2）可简化为：

土体水平位移计算结果如图6所示，其中G1、G2、G3分别距离沉桩中心150、225、300 mm. 雪花形桩在沉桩过程中产生的土体水平位移随着沉桩深度的增加而增大，随着离沉桩中心距离的增加而减小. 土体水平位移呈现上大下小的趋势. 雪花形桩最终沉桩深度下，150、225、300 mm 处的最大水平位移值分别为雪花形桩横截面外接圆直径（150 mm）的1.24%、0.31%、0.12%，在300 mm 处的最大土体水平位移值非常小.

图6 土体水平位移Fig.6 Lateral displacements of soil

表1 为雪花形桩试验数据统计，表明了试验中桩周土体水平位移监测装置的最大应变、最大应变发生位置和最大土体水平位移随着沉桩深度的变化趋势. 由表1可知，雪花形桩土体水平位移监测装置最大应变发生位置随着沉桩深度的增加而下移，随着离沉桩中心距离的增加而上移.

表1 雪花形桩试验数据统计Tab.1 Test data statistic of snowflake-shaped piles

试验结果表明，在雪花形桩沉桩过程中，挤土量逐渐增加，中上部土体水平位移较大，土体挤压附近桩体及建筑，会在附近桩体及建筑中部位置产生较大应变，在实际工程中，如果在沉桩附近有已沉桩桩体，需对已沉桩桩体中部附近位置加以保护，尤其是部分桩体由上桩和下桩接合而成，接桩处强度较低，在沉桩施工过程中容易出现接桩破坏、桩体开裂和桩位倾斜等问题，因此需要注意挤土作用的影响.

图7为本试验室内条件下暴露在空气中的光纤传感器温度和应变变化曲线，有效长度为光纤传感器自由段. 本试验期间暴露在空气中的光纤传感器温度在-0.05～0.14 ℃波动，应变波动区间为-4.1～5.1 με，可见试验期间室内的温度变化小，对光纤传感器的应变影响不大，所以本试验可不作温度补偿.

图7 暴露在空气中的光纤传感器温度和应变变化曲线Fig.7 Temperature curves and strain curves of fiber optic sensor exposed to air

4 结论

为研究雪花形桩的挤土效应，本文开展了雪花形桩室内模型试验，监测了雪花形桩沉桩过程中土体水平位移监测装置的应变，并计算得到了桩周土体水平位移，得出如下结论：

1）土体水平位移监测装置应变随着沉桩深度的增加而增大，随着离沉桩中心距离的增加而减小. 土体水平位移监测装置最大应变发生位置随着沉桩深度的增加而下移，随着离沉桩中心距离的增加而上移.2）桩周土体水平位移随着沉桩深度的增加而增大，随着离沉桩中心距离的增加而减小，土体水平位移呈现上大下小的趋势.