基于光纤监测钻孔灌注桩承载性能研究★

李雨军，马云长，张钟文

(1.核工业湖州勘测规划设计研究院股份有限公司,浙江 湖州 313000;2.扬州大学建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127)

0 引言

在桩基工程施工前通常会对试桩承载性能进行现场测试,布拉格光纤光栅(FBG)监测是近年来新兴起的桩基承载性能测试技术,具有强抗干扰、数据可靠、测量精度高、测量点多、传感器小巧且结构简单等优点[1]。Lee等[2]结合现场和室内试验,将FBG传感技术和传统应变计监测对比,首次验证了FBG传感技术在桩基工程监测中的可靠性。Wang等[3]通过FBG传感器,监测得到了桩应变曲线及桩土界面特性变化规律。魏广庆等[4]验证分布式光纤监测技术在预制桩中监测的优势,并在不同工况中应用研究对比传统监测技术,光纤监测技术的结果更加可靠。罗勇等[5]将分布光纤和振弦式钢筋应力计进行对比监测,证明了光纤监测测量的精度更高,能更好的应用在桩基监测中。冯江等[6]对钻孔灌注桩进行光纤监测,同样也证明了光纤检测技术精度高、抗干扰能力强等特点,适用于钻孔灌注桩力学特性分析研究。

本文以湖州某采用光纤监测技术的桩基检测工程为例,通过测定桩身应变,研究桩身轴力、桩侧摩阻力的变化规律,为软土地区桩基承载性能研究提供依据。

1 光纤测试基本原理及方法

1.1 光纤传感的技术原理

FBG折射率沿光纤轴向呈周期性分布,对波长有较好的选择性,在FBG处会耦合反射满足布拉格衍射条件,且波长为λB的入射光。而其他入射光会全部通过,在FBG中心波长λB处反射光谱将出现峰值。λB的变化受温度和应变的影响,且满足关系式:

(1)

其中,Δλ为FBG波长变化量;Pe为光弹系数;ε为轴向应变;α为热膨胀系数;ΔT为温度变化;ζ为热光系数。

通过串联或其他网络结构形式将多个FBG传感器设置在空间预定位置上并连接在一起,同时采用时分复用技术构成分布式监测网络系统,可用来对长距离工程进行实时监测。

1.2 基于光纤应变的桩身分析原理

1.2.1 荷载传递分析

桩基在静载作用时,土层会对桩身产生侧摩阻力,则桩身轴力沿着深度的增加而逐渐减小,荷载传递过程如图1所示。根据桩上任一个单元体的静力平衡条件,可得某一深度Z处的桩身荷载为:

(2)

其中,Q(Z)为深度Z处的桩身轴力;Q0为桩顶荷载;U为桩截面周长;qs(Z)为深度Z处微小段dZ内的桩侧摩阻力。

1.2.2 桩身轴力计算

由于光纤固定在桩身表面,在静载试验过程中,桩身应变与光纤的轴向应变ε(Z)相等。因此,桩身应力σ(Z)[7]为:

σ(Z)=ε(Z)×Ec

(3)

其中,Ec为桩的弹性模量。

桩身轴力Q(Z)为:

Q(Z)=σ(Z)×A

(4)

其中,A为桩身截面面积。

1.2.3 桩身侧摩阻力计算

通过上述方法可以计算得出同一土层桩身上两个横截面的轴力值,侧摩阻力即两处截面轴力差与两截面间的桩身侧面积之比。

桩身荷载传递微分方程[8]为:

(5)

其中,qs(Z)为桩侧分布摩阻力;Q(Z)为桩身轴向力;U为桩身周长。

由式(5)积分可得:

(6)

其中,Δε为桩身两截面间轴向应变变化量。

1.2.4 桩身累积变形量的计算

桩在法向荷载下产生变形,桩身变形量Ss与桩端土变形量Sb之和构成单桩变形量。设桩长为L,i截面和i+1截面轴力分别为p(i)和p(i+1),两截面距离桩顶分别为li和li+1,则i截面与i+1截面间的变形量Ssi为:

(7)

其中,Ec为桩身弹性模量;A为桩身截面面积。

桩身累积变形量为:

(8)

其中,εe为第i截面和第i+1截面间桩身平均应变。

对于桩端沉降量Sb,通过桩顶沉降S减去桩身沉降量Ss得到,即:

Sb=S-Ss

(9)

桩在竖向荷载作用下,桩身材料将压缩变形,桩和桩侧土之间产生相对位移。桩土之间的相对位移量由式(10)得到:

(10)

其中,Si为第i段桩土相对位移。

2 现场载荷试验

2.1 工程概况

本次试验场地为湖州市太湖新区某地,该处现状整体地势较平坦,局部稍有起伏,标高为1.11 m～2.84 m。试验场地地下水位埋深约1.20 m,场地原普遍存在低地势洼水区,场地地基土层构成见表1。

表1 地基土层构成

试验灌注桩编号为DB340,桩长为74 m,桩径为800 mm,桩身混凝土强度等级为C40,桩端持力层为细砂。

2.2 光纤监测布置

将光缆以U型回路的方式对称地布设在钢筋笼底笼上,底部采用PU管保护,如图2(a)所示。然后,随着钢筋笼的下放,同步绑扎光缆。在特制的钢管内穿入引线,将200 mm的PVC管套穿在钢管外,并对钢管和PVC管的底部进行封堵。再对光缆回路进行测试,测试无误后将多余的引线放在PVC管内封堵,如图2(b)所示。最后,布设荷载试验装置,如图2(c)所示。

2.3 现场载荷试验与监测

在进行静载试验前,采集桩身初始波长,在试验进行中,初次加载1 970 kN,随后每级加载990 kN,直至加载至7 980 kN,加载完工后现场如图3所示。

在每级加载10 min稳定后,现场采用柜式密集分布式光纤解调仪进行数据采集,测量弱光栅波长值,再减去初始波长通过计算间接得到桩身应变值。

3 测试结果

图4为DB340号灌注桩静载试验中的桩身应变和轴力图,从图4中可以看出,随着桩顶荷载的增加轴力也相应增加,且由于各个土层的桩侧摩阻力不同,桩身轴力随着深度方向非线性递减。在桩端荷载作用下,桩身0 m～30 m范围内的桩身轴力变化较大,而在30 m～74 m范围内的桩身轴力变化较小,说明轴力在粉土和砂土中的衰减速率大于轴力在粉质黏土中的衰减速率。

在桩顶荷载较小如1 970 kN时,桩身所产生的变形只能衰减到深度为47 m处,即桩顶施加的荷载由0 m～47 m土层的侧摩阻力分担,随着桩顶荷载的增加,发挥作用的土层深度随之增加,但并未传递到桩端。这说明上部土层的侧摩阻力率先分担桩顶荷载,随着桩顶荷载的增加,荷载沿着桩身逐步传递至下部土层,下部土层的侧摩阻力由0逐渐增大,开始发挥作用。若荷载继续增大,侧摩阻力达到极限值后,桩端阻力才开始发挥作用[9]。因此对于此类摩擦桩,在所承受的荷载较小的情况下,可以减小设计深度节约造价。

桩竖向承载力主要由桩土作用决定,桩顶荷载通过桩身摩阻力和桩端阻力承担,如图5所示,研究桩侧摩阻力对桩承载力的影响变化进行分析。侧摩阻力的最大位置在上部的粉质黏土层,中部的⑤-3黏土层、⑥-1-1粉质黏土夹粉砂层、⑥-1-2细砂层随桩顶荷载的增加,侧摩阻力增加速度减缓,说明侧摩阻力趋于饱和。随着荷载的增加,下部土层⑦-1粉质黏土夹粉土、⑦-2细砂层逐步开始发挥作用。

桩侧各土层的侧摩阻力发挥如图6所示,从图6可以看出桩身应变的递减速率在各土层中均不相同,DB340号桩在整个抗压静载试验过程中,所有地层桩身侧摩阻力均有发挥。其中,③-1-2黏质粉土层、⑤-3黏土层、⑥-1-2细砂层、⑥-3细砂层侧摩阻力随桩顶荷载的增加逐渐增大并趋于极限值,其他土层侧摩阻力仍可继续增大。整个试验过程中,④-1,④-2和⑤-1粉质黏土地层逐渐发挥主要作用。

在荷载增加过程中,DB340号桩桩端阻力为零,所以试验荷载下该试桩为摩擦桩。DB340号桩在整个抗压静载试验过程中,桩身加载至最大荷载时的压缩量为12.25 mm。

4 结论

1)试验荷载下试桩为摩擦桩,摩擦桩的承载力提高主要由桩侧摩阻力决定,且随着桩顶荷载的增加各土层的侧摩阻力相应增加。

2)上部黏质粉土层的侧摩阻力随桩顶荷载的增加而逐渐增加并趋于极限值,其他土层的侧摩阻力也逐渐增加但未达到极限值,中部粉质黏土层的侧摩阻力在整个荷载增加过程中发挥主要作用,保证了桩身的稳定性。

3)在桩顶荷载较小的情况下,桩顶荷载由上部的土层侧摩阻力承担,轴力未传递到下部土层,下部土层对桩身侧摩阻力无发挥,桩端阻力为零。因此,在桩基所受荷载较小的工况下可以减少桩长、节约造价。