基于自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)的基樁內(nèi)力監(jiān)測(cè)與分析

陳港，馮德安，任毅，張由，周偉

（1 重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016；2 重慶中土勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，重慶 404100）

0 引言

基樁內(nèi)力試驗(yàn)研究分為模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)， 模型試驗(yàn)需建立大量的假設(shè)條件，而現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)則更加直接、可靠[1-3]。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效率較低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)作為一種高精度、高效率的監(jiān)測(cè)手段，特別適用于應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試，是一種功能強(qiáng)大的分布式全自動(dòng)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由上位機(jī)、采集模塊（MCU）、系統(tǒng)軟件及相關(guān)配件組成。

本文基于自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)在工程現(xiàn)場(chǎng)中的實(shí)際應(yīng)用， 通過(guò)系統(tǒng)對(duì)基樁內(nèi)力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，基于此，對(duì)基樁內(nèi)力規(guī)律及承載性狀進(jìn)行分析[4]，以期為類似工程實(shí)踐提供一定的參考。

1 工程背景

某工程為高層住宅建筑，地上32 層，地下局部1 層，結(jié)構(gòu)形式為剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。 所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。

根據(jù)工程地勘報(bào)告，擬建場(chǎng)地屬巖溶侵蝕剝蝕丘陵地貌，場(chǎng)地上覆土層為素填土和紅黏土，下伏基巖為白云灰?guī)r1、白云質(zhì)灰?guī)r2，白云質(zhì)灰?guī)r2 為場(chǎng)地軟弱層，巖體較破碎。

根據(jù)工程特點(diǎn)、工作條件及相關(guān)規(guī)范選取一根基樁進(jìn)行內(nèi)力監(jiān)測(cè)，所監(jiān)測(cè)基樁為機(jī)械鉆孔灌注樁，樁徑為1800mm，樁長(zhǎng)共16.6m，其中進(jìn)入紅黏土深度為4.2m，進(jìn)入巖層深度為12.4m。

2 監(jiān)測(cè)方案

本次測(cè)試與工程施工同步，至工程竣工截止，主要測(cè)試樁身的應(yīng)力、應(yīng)變，采用鋼弦計(jì)進(jìn)行測(cè)量，采取全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度為0.001mm，可集成鋼弦式應(yīng)變計(jì)，達(dá)到視線遠(yuǎn)程即時(shí)采集數(shù)據(jù)目的。 儀器設(shè)備如表1 所示，系統(tǒng)照片如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)

表1 儀器設(shè)備明細(xì)表

本次測(cè)試沿受試樁深度方向大約每2.5m 設(shè)置一個(gè)測(cè)試斷面，每個(gè)斷面埋設(shè)兩個(gè)鋼弦計(jì)，設(shè)點(diǎn)位于圓周兩等分點(diǎn)處(直徑)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 樁身初始應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

如圖2 所示，根據(jù)基樁混凝土澆筑完成后不同時(shí)間內(nèi)樁身應(yīng)變分布可知：

圖2 樁身應(yīng)變隨時(shí)間應(yīng)變分布圖

（1） 樁身應(yīng)變均隨著混凝土的凝固成型成為拉應(yīng)變，且在一定時(shí)間內(nèi)隨著齡期增長(zhǎng)，拉應(yīng)變不斷變大，在達(dá)到28d 齡期后呈穩(wěn)定狀態(tài)；

（2） 混凝土齡期達(dá)到28d 后，樁身應(yīng)變最大拉應(yīng)變?yōu)?3με，最小拉應(yīng)變?yōu)?3με；

（3） 樁身拉應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在樁身中段，其余部位樁身應(yīng)變較為接近。

分析原因可知，由于混凝土在齡期增長(zhǎng)、強(qiáng)度增強(qiáng)階段出現(xiàn)收縮變形，樁身各段均為拉應(yīng)變；因樁身拉應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在樁身中段，其余部位樁身應(yīng)變較為接近，由此說(shuō)明基樁在此工況下樁身自重基本已由側(cè)摩阻力消化，拉應(yīng)變也基本沿樁深度平均分布。

3.2 施工過(guò)程中樁身內(nèi)力數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)程，將上部荷載大致分為九個(gè)加載階段[5-7]，各階段相關(guān)信息如表2 所示。

表2 加載階段信息表

3.2.1 軸力分析

根據(jù)自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)在施工過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理后，基樁各階段軸力分布圖見(jiàn)圖3。

圖3 基樁各階段軸力分布圖

根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果及分布圖可知：

（1） 在上部荷載不斷增加的過(guò)程中，基樁樁身軸力也不斷增大，荷載由開(kāi)始的樁頂不斷向下傳遞，由于側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，整個(gè)樁身的軸力由上至下不斷減小，樁底軸力甚至為零。 由此可見(jiàn)基樁在上部荷載不夠大時(shí)，樁底基本不受力；

（2） 在上部所加荷載比較小時(shí)，荷載主要由基樁上半部分產(chǎn)生的側(cè)摩阻力承擔(dān)；隨著荷載不斷增大，基樁樁身荷載及變形不斷向下傳播，樁身下半部分開(kāi)始參與工作，樁身周邊巖體也開(kāi)始產(chǎn)生側(cè)摩阻力；

（3） 由基樁分布圖可知，其橫坐標(biāo)為軸力，縱坐標(biāo)為樁深，分布曲線的斜率與樁周巖土體產(chǎn)生的負(fù)摩阻力相關(guān)；由于基樁上部土層相較于下部巖層負(fù)摩阻力小，分布曲線較陡，斜率相應(yīng)較大，反之亦然。 故樁身分布曲線的斜率與巖層側(cè)摩阻力呈反比。

3.2.2 側(cè)摩阻力分析

樁身側(cè)摩阻力是樁身相鄰截面軸力差值與樁側(cè)表面積之比，對(duì)自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)在施工過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，基樁各階段側(cè)摩阻力分布圖見(jiàn)圖4。

圖4 基樁各階段側(cè)摩阻力分布圖

根據(jù)數(shù)據(jù)采集結(jié)果及側(cè)摩阻力分布圖可知：

（1） 基樁側(cè)摩阻力沿樁深度分布不均，由于樁身位移連續(xù)，樁身側(cè)摩阻力隨著荷載增大引起的樁土沉降差變化而出現(xiàn)變化，當(dāng)上部荷載比較小時(shí)，樁身上半部分產(chǎn)生的側(cè)摩阻力較大；隨著荷載不斷增大， 基樁樁身下半部分產(chǎn)生的側(cè)摩阻力開(kāi)始不斷變大；

（2） 樁身側(cè)摩阻力隨著不同加載階段變化出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一次峰值出現(xiàn)在4.0m 處，第二次峰值出現(xiàn)在6.5m 處。 對(duì)比各樁位地質(zhì)剖面圖可知，當(dāng)上部荷載比較小時(shí)，側(cè)摩阻力峰值出現(xiàn)在上部土層中，當(dāng)上部荷載不斷增大，土層側(cè)摩阻力不足以抵消時(shí)，巖層側(cè)摩阻力開(kāi)始發(fā)揮作用并超過(guò)土層側(cè)摩阻力，最終上部巖層側(cè)摩阻力首先達(dá)到峰值；

（3） 由于樁基承載力設(shè)計(jì)特征值遠(yuǎn)大于現(xiàn)有荷載水平，土層側(cè)摩阻力基本呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，而巖層側(cè)摩阻力基本呈遞減趨勢(shì)。

4 結(jié)語(yǔ)

自動(dòng)化綜合測(cè)試系統(tǒng)在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)中體現(xiàn)出了高精度與高效率的特點(diǎn)，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)基樁內(nèi)力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到工程基樁澆筑后及施工過(guò)程中基樁內(nèi)力分布主要規(guī)律如下：

（1） 樁基內(nèi)力初始狀態(tài)因混凝土在澆筑后的一段時(shí)間內(nèi)呈流塑狀態(tài)， 使得此時(shí)基樁上半部分為拉應(yīng)變， 下半部分為壓應(yīng)變。 因混凝土在齡期增長(zhǎng)、強(qiáng)度增強(qiáng)階段出現(xiàn)收縮變形，樁身各段應(yīng)變均變?yōu)槔瓚?yīng)變；

（2） 在上部荷載不斷增加的過(guò)程中，基樁樁身軸力也不斷增大，荷載由開(kāi)始的樁頂不斷向下傳遞，整個(gè)樁身的軸力由上至下不斷減??；樁身側(cè)摩阻力隨著不同加載階段變化出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一次峰值出現(xiàn)在4.0m 處，第二次峰值出現(xiàn)在6.5m 處；當(dāng)上部荷載比較小時(shí)，側(cè)摩阻力峰值出現(xiàn)在上部土層中，當(dāng)上部荷載不斷增大，巖層側(cè)摩阻力開(kāi)始發(fā)揮作用并超過(guò)土層側(cè)摩阻力， 最終側(cè)摩阻力峰值出現(xiàn)在上部巖層。