基于光纖監測鉆孔灌注樁承載性能研究★

李雨軍，馬云長，張鐘文

(1.核工業湖州勘測規劃設計研究院股份有限公司,浙江 湖州 313000;2.揚州大學建筑科學與工程學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

在樁基工程施工前通常會對試樁承載性能進行現場測試,布拉格光纖光柵(FBG)監測是近年來新興起的樁基承載性能測試技術,具有強抗干擾、數據可靠、測量精度高、測量點多、傳感器小巧且結構簡單等優點[1]。Lee等[2]結合現場和室內試驗,將FBG傳感技術和傳統應變計監測對比,首次驗證了FBG傳感技術在樁基工程監測中的可靠性。Wang等[3]通過FBG傳感器,監測得到了樁應變曲線及樁土界面特性變化規律。魏廣慶等[4]驗證分布式光纖監測技術在預制樁中監測的優勢,并在不同工況中應用研究對比傳統監測技術,光纖監測技術的結果更加可靠。羅勇等[5]將分布光纖和振弦式鋼筋應力計進行對比監測,證明了光纖監測測量的精度更高,能更好的應用在樁基監測中。馮江等[6]對鉆孔灌注樁進行光纖監測,同樣也證明了光纖檢測技術精度高、抗干擾能力強等特點,適用于鉆孔灌注樁力學特性分析研究。

本文以湖州某采用光纖監測技術的樁基檢測工程為例,通過測定樁身應變,研究樁身軸力、樁側摩阻力的變化規律,為軟土地區樁基承載性能研究提供依據。

1 光纖測試基本原理及方法

1.1 光纖傳感的技術原理

FBG折射率沿光纖軸向呈周期性分布,對波長有較好的選擇性,在FBG處會耦合反射滿足布拉格衍射條件,且波長為λB的入射光。而其他入射光會全部通過,在FBG中心波長λB處反射光譜將出現峰值。λB的變化受溫度和應變的影響,且滿足關系式:

(1)

其中,Δλ為FBG波長變化量;Pe為光彈系數;ε為軸向應變;α為熱膨脹系數;ΔT為溫度變化;ζ為熱光系數。

通過串聯或其他網絡結構形式將多個FBG傳感器設置在空間預定位置上并連接在一起,同時采用時分復用技術構成分布式監測網絡系統,可用來對長距離工程進行實時監測。

1.2 基于光纖應變的樁身分析原理

1.2.1 荷載傳遞分析

樁基在靜載作用時,土層會對樁身產生側摩阻力,則樁身軸力沿著深度的增加而逐漸減小,荷載傳遞過程如圖1所示。根據樁上任一個單元體的靜力平衡條件,可得某一深度Z處的樁身荷載為:

(2)

其中,Q(Z)為深度Z處的樁身軸力;Q0為樁頂荷載;U為樁截面周長;qs(Z)為深度Z處微小段dZ內的樁側摩阻力。

1.2.2 樁身軸力計算

由于光纖固定在樁身表面,在靜載試驗過程中,樁身應變與光纖的軸向應變ε(Z)相等。因此,樁身應力σ(Z)[7]為:

σ(Z)=ε(Z)×Ec

(3)

其中,Ec為樁的彈性模量。

樁身軸力Q(Z)為:

Q(Z)=σ(Z)×A

(4)

其中,A為樁身截面面積。

1.2.3 樁身側摩阻力計算

通過上述方法可以計算得出同一土層樁身上兩個橫截面的軸力值,側摩阻力即兩處截面軸力差與兩截面間的樁身側面積之比。

樁身荷載傳遞微分方程[8]為:

(5)

其中,qs(Z)為樁側分布摩阻力;Q(Z)為樁身軸向力;U為樁身周長。

由式(5)積分可得:

(6)

其中,Δε為樁身兩截面間軸向應變變化量。

1.2.4 樁身累積變形量的計算

樁在法向荷載下產生變形,樁身變形量Ss與樁端土變形量Sb之和構成單樁變形量。設樁長為L,i截面和i+1截面軸力分別為p(i)和p(i+1),兩截面距離樁頂分別為li和li+1,則i截面與i+1截面間的變形量Ssi為:

(7)

其中,Ec為樁身彈性模量;A為樁身截面面積。

樁身累積變形量為:

(8)

其中,εe為第i截面和第i+1截面間樁身平均應變。

對于樁端沉降量Sb,通過樁頂沉降S減去樁身沉降量Ss得到,即:

Sb=S-Ss

(9)

樁在豎向荷載作用下,樁身材料將壓縮變形,樁和樁側土之間產生相對位移。樁土之間的相對位移量由式(10)得到:

(10)

其中,Si為第i段樁土相對位移。

2 現場載荷試驗

2.1 工程概況

本次試驗場地為湖州市太湖新區某地,該處現狀整體地勢較平坦,局部稍有起伏,標高為1.11 m～2.84 m。試驗場地地下水位埋深約1.20 m,場地原普遍存在低地勢洼水區,場地地基土層構成見表1。

表1 地基土層構成

試驗灌注樁編號為DB340,樁長為74 m,樁徑為800 mm,樁身混凝土強度等級為C40,樁端持力層為細砂。

2.2 光纖監測布置

將光纜以U型回路的方式對稱地布設在鋼筋籠底籠上,底部采用PU管保護,如圖2(a)所示。然后,隨著鋼筋籠的下放,同步綁扎光纜。在特制的鋼管內穿入引線,將200 mm的PVC管套穿在鋼管外,并對鋼管和PVC管的底部進行封堵。再對光纜回路進行測試,測試無誤后將多余的引線放在PVC管內封堵,如圖2(b)所示。最后,布設荷載試驗裝置,如圖2(c)所示。

2.3 現場載荷試驗與監測

在進行靜載試驗前,采集樁身初始波長,在試驗進行中,初次加載1 970 kN,隨后每級加載990 kN,直至加載至7 980 kN,加載完工后現場如圖3所示。

在每級加載10 min穩定后,現場采用柜式密集分布式光纖解調儀進行數據采集,測量弱光柵波長值,再減去初始波長通過計算間接得到樁身應變值。

3 測試結果

圖4為DB340號灌注樁靜載試驗中的樁身應變和軸力圖,從圖4中可以看出,隨著樁頂荷載的增加軸力也相應增加,且由于各個土層的樁側摩阻力不同,樁身軸力隨著深度方向非線性遞減。在樁端荷載作用下,樁身0 m～30 m范圍內的樁身軸力變化較大,而在30 m～74 m范圍內的樁身軸力變化較小,說明軸力在粉土和砂土中的衰減速率大于軸力在粉質黏土中的衰減速率。

在樁頂荷載較小如1 970 kN時,樁身所產生的變形只能衰減到深度為47 m處,即樁頂施加的荷載由0 m～47 m土層的側摩阻力分擔,隨著樁頂荷載的增加,發揮作用的土層深度隨之增加,但并未傳遞到樁端。這說明上部土層的側摩阻力率先分擔樁頂荷載,隨著樁頂荷載的增加,荷載沿著樁身逐步傳遞至下部土層,下部土層的側摩阻力由0逐漸增大,開始發揮作用。若荷載繼續增大,側摩阻力達到極限值后,樁端阻力才開始發揮作用[9]。因此對于此類摩擦樁,在所承受的荷載較小的情況下,可以減小設計深度節約造價。

樁豎向承載力主要由樁土作用決定,樁頂荷載通過樁身摩阻力和樁端阻力承擔,如圖5所示,研究樁側摩阻力對樁承載力的影響變化進行分析。側摩阻力的最大位置在上部的粉質黏土層,中部的⑤-3黏土層、⑥-1-1粉質黏土夾粉砂層、⑥-1-2細砂層隨樁頂荷載的增加,側摩阻力增加速度減緩,說明側摩阻力趨于飽和。隨著荷載的增加,下部土層⑦-1粉質黏土夾粉土、⑦-2細砂層逐步開始發揮作用。

樁側各土層的側摩阻力發揮如圖6所示,從圖6可以看出樁身應變的遞減速率在各土層中均不相同,DB340號樁在整個抗壓靜載試驗過程中,所有地層樁身側摩阻力均有發揮。其中,③-1-2黏質粉土層、⑤-3黏土層、⑥-1-2細砂層、⑥-3細砂層側摩阻力隨樁頂荷載的增加逐漸增大并趨于極限值,其他土層側摩阻力仍可繼續增大。整個試驗過程中,④-1,④-2和⑤-1粉質黏土地層逐漸發揮主要作用。

在荷載增加過程中,DB340號樁樁端阻力為零,所以試驗荷載下該試樁為摩擦樁。DB340號樁在整個抗壓靜載試驗過程中,樁身加載至最大荷載時的壓縮量為12.25 mm。

4 結論

1)試驗荷載下試樁為摩擦樁,摩擦樁的承載力提高主要由樁側摩阻力決定,且隨著樁頂荷載的增加各土層的側摩阻力相應增加。

2)上部黏質粉土層的側摩阻力隨樁頂荷載的增加而逐漸增加并趨于極限值,其他土層的側摩阻力也逐漸增加但未達到極限值,中部粉質黏土層的側摩阻力在整個荷載增加過程中發揮主要作用,保證了樁身的穩定性。

3)在樁頂荷載較小的情況下,樁頂荷載由上部的土層側摩阻力承擔,軸力未傳遞到下部土層,下部土層對樁身側摩阻力無發揮,樁端阻力為零。因此,在樁基所受荷載較小的工況下可以減少樁長、節約造價。