基于光纖測試的超長灌注樁內力測試研究

張慧海 馬 林 石懷清 萬再新 王東紅

(1.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710043；2.陜西機勘工程檢測咨詢有限公司，陜西西安 710043；3. 陜西省特殊巖土與處理重點實驗室，陜西西安 710043)

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展，高層、超高層建筑在城市建設中大量涌現。高層、超高層建筑的建設重點應是基礎建設。一般采用超長灌注樁復合地基作為其地基承載力載體。

目前對于灌注樁復合地基的研究主要聚焦于樁基承載力和樁身內力。對于樁基承載力檢測常用靜載試驗的方法[1-4]，該方法原理簡單，在樁基檢測中廣泛使用。但靜載試驗對場地條件要求苛刻，對操作人員要求高，且成本較大，因此測試數據離散性較大，精度較低。樁身內力測試一般采用鋼筋籠布設鋼筋計的測試方法[5-7]，該方法測試數據直接受鋼筋計的布設密集度影響，數據量有限，且鋼筋計在安裝和后期測試過程中常會遭到破壞。因此亟需尋求一種可靠的樁基承載力及樁身內力測試方法。

隨著科技的發展，光纖測試技術有效地解決了上述問題。其測試精度高、測試距離長、抗干擾能力強、可靠度高，開始應用于樁基承載力測試中。馮 江等[8]采用分布式光纖對灌注樁樁身軸力和側摩阻力測試規律進行了研究；王 興等[9]對分布式光纖傳感技術在樁基測試中的可靠性進行了分析論證；宋建學等[10]采用分布式光纖和鋼筋計兩種方法對樁身應變進行監測，驗證了光纖數據的可靠性和精準性。由于光纖技術起步較晚，多用在短樁或中短樁中，鮮有對于長樁甚至超長樁測試方面的報道。因此，本文以某超高層項目為依托，全面分析了采用分布式光纖技術時超長樁樁基內力的演化規律，可為超長樁樁基設計優化提供重要技術支撐。

1 工程概況

西咸新區某超高層建筑位于灃東新城核心區域灃東大道以南，總建筑面積約1.35×106m2，項目由一棟超高層塔樓、一棟裙房和地下車庫構成。塔樓為地下4層，地上118層，建筑高度501 m，為西部地區目前在建的第一高樓。該項目塔樓基礎采用反循環鉆孔灌注樁，樁側及樁端后壓漿成樁。

2 測試方案

考慮到光纖測試的精密性，結合場地實際情況，對本工程中的A89樁內力進行了分布式光纖測試分析。采用雙U型和單U型布設的方式，對測試結果進行對比分析。樁體及光纖基礎參數分別見表1和表2。

表1 樁體基礎參數匯總表

表2 光纖基礎數據匯總表

3 光纖測試原理

3.1 樁身軸力計算原理

測試儀器測試得到的是光纖的軸向壓應變ε(Z)，由于光纖固定在樁身混凝土內，在靜載壓力下，光纖軸向變形與樁身混凝土軸向一致，因此樁身混凝土的壓應變也為應變ε(Z)。則樁身壓應力σ(Z)為

σ(Z)=ε(Z)·Ec

(1)

式中：Ec為樁身混凝土的彈性模量。

則樁身軸力Q(Z)為

Q(Z)=σ(Z)·A

(2)

式中:A為樁身截面面積，m2。

3.2 樁側摩阻力計算原理

樁的荷載傳遞基本微分方程為

(3)

式中：qs(Z)為樁側分布摩阻力，kPa；Q(Z)為樁身軸向力,kN;U為樁身周長,m。

式(3)可以簡化為

(4)

式中：ΔQ(Z)為某土層內樁身兩截面間軸力變化量,kN;ΔZ為該土層內樁身兩截面間深度差,m。

將式(1)、式(2)代入式(4)中，有

(5)

式中：Δε為某土層內樁身兩截面間軸向應變變化量。

4 樁體受壓樁身內力測試結果分析

由圖1可知，試樁在加載過程中，樁身兩側樁頂處應變分布規律不一致，圖中樁頂區域應變值左側明顯大于右側，且圖中左側樁頭區域應變隨埋深的增加逐漸減小，右側樁頭區域應變隨埋深的增加逐漸增大，因此該樁試驗時存在受力偏心現象。樁身在加載過程中，應變變化趨勢明顯。樁身底部在整個加載過程中應變為零，表明整個加載過程荷載未傳遞至樁身底部。

圖1 試樁A89樁身應變圖

由圖2可以看出，樁體在受壓時樁身應力和樁身軸力沿樁身方向表現出顯著遞減，樁頂最大，樁底最小；同時可發現，在距樁底約8 m處樁身應力為零，表明樁體有一定的安全儲備。

圖2 試樁A89抗壓樁身應力、軸力圖

樁身側摩阻力的發揮情況表明，側摩阻力沿樁深方向先增大后減小(見圖3)。樁底8 m范圍內樁體側摩阻力約為零，表明該樁體的承載力未完全發揮。出現上述曲線形態原因是加載初期荷載主要由樁身上部側摩阻力承擔，隨著時間的推移，樁身側摩阻力逐漸下移；在某一時刻樁頭部分發生破壞，產生塑性變形，側摩阻力減小，樁身中部側摩阻力開始承擔主要荷載，側阻力發揮值較大；達到受力平衡后樁側摩阻力逐漸減小，最終趨于零。在樁側摩阻力變化過程中存在最大值深度，該深度為臨界深度[11]，本次試驗樁體側摩阻力臨界深度為26 m。

圖3 試樁A89抗壓樁身側摩阻力分布圖

圖4反映了各層土體側摩阻力的發揮程度，表現出隨荷載等級增大側摩阻力增大趨勢。另外，在中砂、粗砂和中砂、粗砂層側摩阻力為零，表明該層樁體側摩阻力未發揮作用，可根據該數據結果對樁長進行優化處理。

圖4 試樁A89 抗壓各土層摩阻力發揮圖

5 結論

(1)成功運用光纖技術得出了樁體受壓時的應力應變、軸力、側摩阻力發展演化規律。

(2)樁體側摩阻力發揮范圍為樁頂端向下58 m，存在一定優化空間；樁體側摩阻力臨界深度為26 m。

研究成果可為超長樁設計提供重要基礎數據支撐。