分布式光纖法在旋挖成孔灌注樁樁身內力測試中的應用

姚云泉 蔡 勇 吳朝峰

(1.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310014; 2.國網浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007)

1 研究背景

旋挖成孔灌注樁適用于粘性土、粉土、砂土、填土、碎石土及風化巖層，具有成孔速度快、施工工藝成熟等優點，某500 kV變電站站址區具有深厚的淤泥質粉質粘土(層厚23.0 m～31.1 m)，樁端又在卵石層上，試樁階段對其中兩個樁進行了樁底注漿。為檢驗注漿效果，在單樁豎向抗壓靜載荷試驗下，測定樁身內力，同時研究樁身軸力發揮機理，通過計算樁側摩阻力和樁端阻力從而對基樁設計進行優化，為以后類似地層的樁基設計提供了重要的工程意義[1]。現有階段下，樁身內力測試可以選用電阻應變式傳感器、振弦式傳感器、滑動測微計或光纖式應變傳感器[2]。鋼筋計這種方法的主要缺點在于其傳感器的成活率低,誤差大；滑動測微計實測應變值不能直接用于摩阻力和端阻力的計算,必須對其進行平滑處理,增加了人為因素[3]。本文依托某500 kV變電站旋挖成孔灌注樁，通過靜載條件下的樁身內力測試，分析樁身荷載傳遞規律。

2 分布式光纖測試原理

本次測試采用分布式光纖測試技術進行樁身內力測試，該技術基于布里淵光時域散射原理(BOTDR)。其散射受溫度或軸向應變影響，而通過頻率漂移量(νB)即可得到沿線光纖的溫度和應變分布信息，原理見圖1。

實際應用時先確定樁身截面面積A、樁身混凝土的彈性模量Ec。本工程樁的直徑為0.8 m，樁面積取0.50 m2。彈性模量E根據混凝土的標號及配筋率，查詢混凝土結構設計規范。

3 工程應用

3.1 工程概況

某500 kV站址區淺部地基土主要由第四系沖海積成因的粉土、淤泥質土、細砂及下伏卵石組成。各土層物理力學性質指標見表1。

表1 各土層物理力學性質指標 kPa

T1，T3試樁樁身直徑為800 mm，采用⑥層卵石作為樁端持力層，樁端進入持力層不少于0.8 m，樁端持力層為卵石，采用樁端注漿施工工藝，混凝土標號采用C35，樁身結構對應的軸心受壓承載力設計值為4 700 kN。光纖U型鋪設工藝見圖2，BOTDR儀器測讀在試樁加卸載穩定后進行。

3.2 靜載荷試驗

試驗結果見表2,表3及圖3,圖4。

表2 T1號樁(樁底注漿)荷載—歷時—沉降匯總表

表3 T3號樁(樁底注漿)荷載—歷時—沉降匯總表

由靜載荷試驗曲線可得，T1號樁(樁底注漿)單樁豎向抗壓極限承載力為5 500 kN，T3號樁(樁底注漿)單樁豎向抗壓極限承載力為6 000 kN，滿足設計承載力要求,見圖5～圖8。

3.3 樁身內力測試

由樁身內力測試可知：

1)在整個試驗過程中，樁底應變幾乎為0，樁底不受力。樁頂累計沉降量主要來源樁體受樁頂荷載的彈性壓縮變形。樁底位移量很小；

2)樁身底部軸力在整個試驗過程中，始終為0。樁頂荷載完全由樁身周圍地層巖土體側摩阻力提供反力而消化掉，始終無法傳遞到樁底。該試驗樁為純摩擦樁；

3)樁身粉土和較深處淤泥質粉質粘土，在試驗過程中側摩阻力較大；淺部淤泥質粉質粘土對樁體提供的側摩阻力較小。粉質粘土、細砂和卵石層側摩阻力發揮不完全，繼續增大試驗荷載，其側摩阻力才開始逐漸發揮。其中粉質粘土層在樁頂荷載2 000 kN～2 500 kN時側摩阻力開始發揮且隨著荷載增大，側摩阻力迅速增大；細砂層在樁頂荷載4 500 kN～5 500 kN時側摩阻力開始發揮且隨著荷載增大，側摩阻力迅速增大；卵石層在本次靜載試驗過程中未發揮側摩阻力；

4)本次試樁淺部①,②層粉土在極限載荷下，提供了約30.5%～42.4%的側阻力，深部③層淤泥質粉質粘土提供了約37.1%～37.6%的側阻力。由于②層粉土中密且局部粉砂含量較高，該層土在本次試驗過程中的極限側阻力測試值可達到60 kPa左右；

5)土層深部的淤泥質粉質粘土，由于局部夾粉土及粉砂薄層且局部以粉土為主，該層土的極限側阻力測試值可達到40 kPa左右；

6)根據樁土相對位移計算值，靜載試驗下位移主要發生在①層粉土②粉土③層淤泥質粉質粘土和③1粉土，而底部④層粉質粘土位移很小，⑤層細砂和⑥層卵石位移幾乎沒有。本次加載條件下，粉土層和深部淤泥質粉質粘土層側摩阻力發揮較為充分，而當底部粉質粘土產生相對位移后，側摩阻力增加速度非常快；

7)根據本次樁身內力測試成果，同時考慮軟土層的樁側負摩阻力，各地層的極限側摩阻力標準值qsik(kPa)(推薦值)見表4。由于①層粉土層厚度薄，故與②劃分為一個地層。④層粉質粘土樁側位移很小，⑤層細砂和⑥層卵石樁側位移幾乎沒有，均未達到極限狀態，故①,④,⑤,⑥層未給出qsik推薦值，⑥層為給出qpk推薦值(未給出的地層qsik,qpk可按勘察報告取值)。

表4 各地層的極限側摩阻力標準值

地層名稱①粉土②粉土③淤泥質粉質粘土③1粉土④粉質粘土⑤細砂⑥卵石qsik/kPa—602545———

4 結語

1)用分布式光纖傳感技術對旋挖成孔灌注樁樁身進行內力測試，是行之有效的。

2)樁身內力測試結果表明，在整個試驗過程中，樁底應變幾乎為0，樁底不受力。樁頂荷載完全由樁身周圍地層巖土體側摩阻力提供反力而消化掉，無法傳遞到樁底。樁體較長，樁頂荷載引起的樁身彈性壓縮變形量較大，且樁頂荷載接近混凝土的極限抗壓承載力，Q—s曲線亦表現為陡降型，因此可以認為試驗過程中，雖然樁頂變形達到規范規定的破壞條件，但深部土體未充分發揮其反力。

3)根據本次樁身內力測試成果，②層粉土、③層淤泥質粉質粘土、③1層粉土的極限側摩阻力qsik(kPa)(推薦值)分別為60 kPa,25 kPa,45 kPa。需要特別指出的是，淤泥質粉質粘土在場地堆載條件下，應考慮可能產生的樁側負摩阻力。