基于FBG傳感技術的黏性土中靜壓沉樁阻力測試*

王永洪， 張明義， 白曉宇， 劉俊偉， 苗德滋

(1. 青島理工大學土木工程學院 青島, 266033) (2. 山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心 青島, 266033)

引 言

靜壓沉樁阻力對于沉樁可能性評價和沉樁深度控制等問題具有重要的工程意義[1-2]。國內外學者通過室內模型試驗、離心機模型試驗及現場試驗對靜壓沉樁機理開展了一系列研究。周健等[3]進行了砂土中靜壓樁沉樁過程力學特性的模型試驗，通過樁頂荷重傳感器及樁身應變片，測得了樁端阻力和樁側摩阻力的發展規律。李雨濃等[4]通過在樁身上布置微型應變片，在多層軟黏土層中埋設土壓力盒，研究了沉樁過程樁端阻力和樁側摩阻力的變化規律及樁周土體應力分布特征。肖昭然等[5]通過研制的室內模型裝置研究了砂土中靜壓沉樁機理，得到了靜壓沉樁過程圍壓和摩阻力的聯系。曹兆虎等[6]基于透明土、PIV及圖像測試技術，進行了樁基貫入全過程研究，得到了開口和閉口管樁的貫入特性。朱友群等[7]等利用FBG-布里淵散射光時域分析技術聯合感測動態監測打入過程樁身應變，分析了樁身裂縫、爆樁等質量病害。Nicola等[8]在砂土中進行了開口管樁沉樁離心模型試驗，研究了管樁貫入砂土中的力學性狀。Lehane等[9-10]分別進行了干砂中開口管樁和固結砂土中閉口鋼方樁的離心模型貫入試驗，研究了干砂中不同樁周土體應力、樁徑和壁厚的沉樁力學特性，同時分析了影響固結砂土中樁側水平有效應力增大的因素。劉清秉等[11]通過離心模型試驗對不同密實度的砂土進行研究，得到不同顆粒形狀對閉口靜壓樁端阻力的影響。李雨濃等[12-13]進行了高嶺黏土中靜壓沉樁離心模型試驗，通過模型樁頭荷重傳感器和樁底端阻力測試元件，測試了貫入過程中的沉樁阻力和樁端阻力。張明義等[14]在現場足尺靜壓樁樁底安裝自制傳感器、樁頂同步讀取壓樁力進行試驗，以分離樁側總摩阻力和樁端阻力。寇海磊等[15]通過高強預應力混凝土管樁樁身刻槽埋入FBG傳感器，分離了沉樁過程的樁端阻力和樁側摩阻力。胡永強等[16]對模型樁進行了現場靜力壓入及載荷試驗，研究了穿過不同土層時樁端阻力和樁側阻力的變化機理，得到了利用終壓樁側摩擦情況來判斷承載力時效性的結論。可以看出，多數文獻僅針對砂土地基中靜壓樁連續貫入特性進行研究，且采用傳統的電測類傳感器進行測試。靜力沉樁是一個穩態貫入過程，在此過程中樁尖和樁周土體應力狀態不斷變化。進行模型試驗時，傳統的測試傳感器會造成較大誤差，使測量值與實際值相差較大，如何在測試過程中克服土顆粒運動對樁端和樁身產生的擾動至關重要。光纖光柵傳感器體積小，質量輕，電磁干擾能力強，在一根光纖中可以寫入多個光柵[17-18]。國內關于光纖光柵傳感技術已應用在很多工程結構中[19-21]，針對黏性土地基的室內模型試驗，在開口模型管樁外管和內管同時安裝微型光纖光柵傳感器，進行不同樁端形式、不同樁徑和不同樁長靜壓沉樁的測試鮮有報道。

筆者采用增敏微型光纖光柵應變傳感器和雙模式光纖光柵土壓力傳感器，自行研制雙壁開口模型管樁，并在模型管樁外管和內管同時安裝增敏微型光纖光柵應變傳感器，成功分離樁內側摩阻力和樁外側摩阻力，對樁身頂部和底部應變進行直接測量。雙模式光纖光柵土壓力傳感器安裝在樁端，對樁端阻力進行直接測量，對比分析基于兩種光纖光柵傳感器的樁端連續貫入過程差異。通過對光纖光柵應變和壓力數據的采集，分析了不同樁徑、不同樁長及開口與閉口的樁端阻力和樁側阻力特性，研究了黏性土中靜壓沉樁阻力的變化規律。

1 FBG傳感器原理及沉樁阻力測試理論

1.1 FBG應變傳感器基本理論

筆者選用的測試元件為增敏微型FBG應變傳感器，由光纖光柵、夾持套管和夾持支座3部分組成，傳感器工作原理結構圖如圖1所示。設兩夾持支座之間的距離為L，兩端夾持套管內側之間的距離為Lf，夾持支座到夾持套管內側的距離為Ls。傳感器實物如圖2所示。

圖1 傳感器工作原理結構圖Fig.1 Working principle structure of sensors

假設光纖和夾持套管內黏結劑不發生變形，兩夾持支座之間發生軸向變形ΔL，夾持套管的變形為ΔLs，光纖光柵變形為ΔLf，由材料力學基本原理可得

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圖2 增敏微型FBG應變傳感器Fig.2 The picture of miniature FBG strain sensors with enhanced sensitivity

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其中：As為夾持套管的截面積；Af為光纖光柵的橫截面積；Es夾持套管的彈性模量；Ef為光纖光柵的彈性模量；P為傳感器產生的內力。

由于傳感器產生的內力均勻分布，由式(1)，(2)可得

(3)

將相應的參數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可以忽略不計，ΔL全部由光纖光柵產生。因此傳感器應變與光纖光柵應變關系[15]為

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1.2 雙模式FBG土壓力傳感器基本理論

雙模式FBG土壓力傳感器既可以實現溫度自補償，又可以避免測量時受土質和土壓力分布不均的影響。雙模式FBG土壓力傳感器受到土壓力作用后，一次膜片首先產生撓度變化，使得液壓油受到擠壓，從而引起二次膜片產生撓度變化，最后使光纖光柵發生波長移位，從而可以得到光纖光柵均勻軸向應變，如式(7)所示

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1.3 沉樁阻力測試理論

靜壓沉樁過程中，樁側阻力需用柱孔擴張理論解答；樁端阻力需用樁端球孔擴張理論解答，且樁端用球孔擴張更加貼切[2]。根據靜壓沉樁機理，沉樁阻力R由樁端阻力Qs和樁側阻力Fs兩部分組成，即

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2 試驗裝置

試驗對象為開口模型管樁和閉口試驗管樁，其中開口模型管樁為雙壁，外徑為140 mm，內徑為120 mm。為了達到試驗目的，閉口模型管樁根據不同樁徑、不同樁長設計了如表1所示的模型管樁參數。圓管均選用鋁質材料，厚度為3 mm。試驗裝置由8通道FS2200RM光纖光柵解調儀、開口雙壁模型管樁TP1、閉口模型管樁TP2，TP3和TP4組成。

表1 模型管樁參數表

開口雙壁模型管樁TP1的制作：開口模型管樁通過內六角螺栓與管樁樁端相連；因開口樁端處內管與底座之間有微小縫隙，為防止沉樁過程中進入黏土影響測試效果，使用密封膠進行填充密封。開口雙壁模型管樁的結構示意圖如圖3所示。光纖光柵應變傳感器安裝如圖4所示。試驗主要分為以下3步：a.制備土樣：試驗所用土樣取自青島某住宅工程現場粉質黏土層，根據《土工試驗方法標準》[22]對土樣進行重塑并靜置后進行壓樁試驗;b.傳感器安裝：傳感器安裝過程連接光纖光柵解調儀，時時測試每個傳感器的波長;c.靜力沉樁：靜力沉樁試驗裝置包括數據采集系統、加載系統和模型箱系統。整個沉樁過程分兩次完成，中間一次停頓以增加千斤頂的下落高度，沉樁速度約為300 mm/min。靜力沉樁過程如圖5所示。

圖3 開口雙壁模型管樁結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of open double-wall model pipe pile structure

圖4 FBG應變傳感器安裝Fig. 4 Installation of FBG strain sensor

圖5 靜力沉樁過程Fig. 5 Static pile sinking process

3 試驗數據分析

為了研究黏性土中靜壓沉樁阻力受樁徑、樁長、開口和閉口的影響，變動其中一項參數，其余參數固定不變，分析沉樁阻力的變化規律。通過增敏微型FBG應變傳感器和雙模式FBG土壓力傳感器應變變化分別得到沉樁過程樁側阻力和樁端阻力變化。

圖6為樁徑不同時沉樁阻力的變化規律。可以看出，樁端阻力和樁側阻力隨樁徑的增大而增加，與樁長相比，樁徑對沉樁阻力的影響較大。此外，與樁端阻力相比，樁側阻力變化較大。

圖7為樁長不同時沉樁阻力的變化規律。可以看出，樁長對沉樁阻力影響不大，相同樁長范圍內樁端阻力和樁側阻力都相差不大。長樁沉樁深度由90 cm增加至110 cm，樁端阻力由1.812 kN增加

圖6 沉樁阻力隨樁徑變化規律Fig. 6 Variation of pile-sinking resistance with various pile diameters

圖7 沉樁阻力隨樁長變化規律Fig. 7 Variation of pile-sinking resistance with various pile length

至2.054 kN，樁側阻力由0.939 kN增加至1.244 kN，與短樁樁側阻力1.191 kN相近。

圖8為沉樁阻力與開、閉口的關系。可以看出，沉樁阻力的大小與開、閉口有關，閉口樁側阻力明顯大于開口樁側阻力。

圖8 沉樁阻力受開、閉口影響Fig. 8 Influence of pile-sinking resistance with open-ended and close-ended pile

圖9為樁頂施加荷載與樁側及樁端阻力之間的相互關系圖。可以看出，試樁TP1樁內側摩阻力、樁外側摩阻力及樁端阻力之和等于樁頂壓樁力，試樁TP2，TP3和TP4總側摩阻力與樁端阻力之和均等于樁頂壓樁力，說明了測試結果的有效性。

以上分析可以看出，均質黏性土地層靜壓沉樁阻力主要為樁端阻力，樁側摩阻力占比較小，見表2。同時，樁徑和開、閉口對均質黏性土地層沉樁阻力有較大影響，但樁長對沉樁阻力影響較小。

表2 沉樁結束時樁端阻力、樁側阻力占沉樁阻力的百分比

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

試樁編號沉樁阻力/kN樁端阻力/kN樁端阻力百分比/%樁側摩阻力/kN樁側摩阻力百分比/%TP12.5381.69266.70.84633.3TP23.2982.05462.31.24437.7TP32.9381.74759.51.19140.5TP42.2381.48066.20.75733.8

圖9 樁頂施加荷載與樁側及樁端阻力之間的相互關系圖Fig. 9 The relationship between the applied load of pile top and pile tip resistance and pile shaft resistance

圖10為模型樁沉樁阻力與沉樁深度的關系曲線。可以看出，對于樁徑和樁長均相等的開口樁TP1和閉口樁TP3，沉樁阻力在開始階段上升較快，但是當沉樁深度約20 cm時，此時TP1和TP3沉樁阻力相等，沉樁阻力出現拐點，隨后沉樁阻力增加緩慢，當沉樁深度約40 cm時，開口樁TP1沉樁阻力開始小于閉口樁TP3，TP3沉樁阻力開始比TP1增加速率快，當貫入量為90 cm時，TP3沉樁阻力比TP1增大了15.8%，這與開、閉口樁貫入過程作用機理是吻合的。樁徑越大的閉口樁沉樁阻力增加速率越快，對于樁長相等的TP3和TP4，當貫入量為90 cm時，TP3沉樁阻力比TP4增大了31.3%。對于樁徑相等的TP2和TP3，當貫入量為0～90 cm時，兩樁沉樁阻力基本相等，當貫入量為110 cm時，TP2沉樁阻力比TP3貫入量為90 cm時增大了12.3%。分析采用閉口樁、增大樁徑和增大樁長均能增加樁身承載力，增大樁徑使樁身承載力增幅最大，閉口樁比開口樁增幅次之，增加樁長的增加幅度最小。

圖10 沉樁阻力曲線對比Fig. 10 Comparison between resistance curves of pile penetration

4 結 論

1) FBG傳感技術能夠很好地滿足黏性土中靜壓管樁沉樁阻力的測試要求，清晰反映出樁端阻力和樁側阻力在不同樁徑、樁長及開口和閉口下的變化規律。

2) 均質黏性土地層靜壓沉樁阻力主要為樁端阻力，沉樁過程中樁側阻力較小。樁徑和開、閉口對均質黏性土地層沉樁阻力有較大影響，樁長對沉樁阻力影響較小。

3) 采用閉口樁、增大樁徑和增大樁長均能增加樁身承載力，增大樁徑使樁身承載力增幅最大，閉口樁比開口樁增幅次之，增加樁長的增加幅度最小。