何 寧，馬桂珍，何 斌，張中流，汪璋淳，錢亞俊，邵翰林

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.南京嘉兆儀器設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210037)

板樁結(jié)構(gòu)是碼頭三大結(jié)構(gòu)型式之一，以結(jié)構(gòu)型式簡單、造價低廉、施工周期短等優(yōu)點，在國外眾多港口碼頭建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用；自2000 年以來，鋼筋混凝土地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和施工技術(shù)在我國得到快速發(fā)展，半遮簾式、全遮簾式和分離卸荷式板樁碼頭結(jié)構(gòu)先后研發(fā)成功，在渤海灣數(shù)十個大型深水泊位建設(shè)中得到成功應(yīng)用[1]。

目前對板樁碼頭工作機理研究主要采用離心模型試驗[2-6]、室內(nèi)模型試驗[7]、數(shù)值模擬與計算[8-9]和原型監(jiān)測[10-12]等方法。模型試驗和原型監(jiān)測試驗均在板樁碼頭結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵和代表性點位布置土壓力計、混凝土應(yīng)變計和鋼筋應(yīng)力計等點式監(jiān)測儀器，根據(jù)點式監(jiān)測儀器測值結(jié)果計算對應(yīng)位置板樁碼頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、彎矩等，應(yīng)用合理假定對點式結(jié)果采用合適的關(guān)系曲線擬合，以描述板樁碼頭結(jié)構(gòu)受力和變形規(guī)律并研究板樁碼頭結(jié)構(gòu)工作機理。但由于板樁碼頭結(jié)構(gòu)及其地基并不完全為均勻體，受經(jīng)濟性和空間限制等原因，同時為了減輕安裝監(jiān)測儀器板樁結(jié)構(gòu)對原有結(jié)構(gòu)特性的影響，減少儀器安裝相互干擾，一般選擇板樁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置布置測試監(jiān)測儀器。但點式監(jiān)測數(shù)據(jù)的代表性難免存在不足，因此以代表性點位點式監(jiān)測儀器的測值結(jié)果為基礎(chǔ)研究板樁碼頭結(jié)構(gòu)工作機理與工程實際產(chǎn)生偏差是不可避免的。分布式光纖傳感技術(shù)最小空間分辨率可達0.01 m，可將傳感光纖布置于板樁碼頭結(jié)構(gòu)中，對碼頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、應(yīng)力和變形進行準分布式測量，基于測得的板樁碼頭結(jié)構(gòu)的分布式測值，可實現(xiàn)對板樁碼頭結(jié)構(gòu)體受力與變形規(guī)律的全面測量[13-14]，從而提升板樁碼頭工作機理研究的科學(xué)性。

以江蘇南通某通用碼頭工程中板樁碼頭原型結(jié)構(gòu)為研究對象，根據(jù)模型試驗和應(yīng)用研究[13-14]，提出基于分布式應(yīng)變傳感光纖技術(shù)的樁體受力和變形分布式監(jiān)測技術(shù)，并應(yīng)用于板樁碼頭鋼筋混凝土灌注樁原型試驗研究中。基于原型樁中傳感光纖的分布式監(jiān)測資料，分析港池開挖過程板樁碼頭樁體變形和受力，研究板樁碼頭工作特性并對其安全特性進行評價。

1 原型試驗碼頭工程概況

1.1 場區(qū)地質(zhì)情況

選擇江蘇南通擬建碼頭工程開展原型試驗，該碼頭工程位于海門市一內(nèi)河西岸，該內(nèi)河與黃海相通，河流呈南北走向，場地屬長江下游沖積平原區(qū)濱海平原，地貌單一，成陸時間較晚，主要覆蓋第四紀松散沉積物，地貌類型屬長江下游沖積平原區(qū)濱海平原，以粉土、粉砂為主。擬建碼頭處為人工吹填形成現(xiàn)狀岸線，地形較平坦，相對高差較小，一般小于0.50 m。場區(qū)勘探深度65.00 m 以內(nèi)地基土體，根據(jù)其物理力學(xué)性質(zhì)、巖性、成因等差異，可劃分為8 個工程地質(zhì)層(表1)。

表1 地基土層主要物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of foundation soil layer

1.2 碼頭工程基本情況

碼頭工程位于南通港呂四港區(qū)的海岸線上，布置2 個20 000 t 級碼頭泊位。碼頭泊位總長390 m，寬30 m，碼頭面高程為5.2 m，碼頭前沿設(shè)計泥面標高為?13.8 m，碼頭采用板樁結(jié)構(gòu)，為密排灌注樁板樁墻結(jié)構(gòu)形式，板樁墻采用φ1 200@1 300 密排灌注樁，樁長31 m，樁頂標高為0 m，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆胸墻；板樁墻后設(shè)置2 排φ900@600 高壓旋噴樁作為止水帷幕，樁長15.8 m，樁頂標高為?1.2 m；其后陸域地基采用復(fù)合地基法進行加固處理，復(fù)合地基樁長16.0 m，樁頂標高為?1.0 m；錨碇結(jié)構(gòu)為單錨桿加現(xiàn)澆錨碇墻形式，錨桿采用直徑70 mm@1 500 的Q390 鋼拉桿，錨碇墻前采用碼砌塊石，錨錠墻與板樁墻間距為33 m。兩條平行的門機軌道梁總長均為379 m，軌道梁頂面標高為5.2 m，前軌距碼頭前沿的距離為3.5 m，軌距為10.5 m，現(xiàn)澆軌道梁的樁基礎(chǔ)的直樁采用預(yù)應(yīng)力管樁HKFZ-X500(300)(AB)@3000，直樁樁頂標高為3.82 m，樁底標高為?30.18 m。

2 原型試驗分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)

為研究密排灌注樁板樁碼頭板樁墻的工作機理與安全特性，在碼頭分別安裝土壓力計、鋼筋應(yīng)力計和錨桿拉力計等點式監(jiān)測儀器及活動測斜儀和測斜管開展原型監(jiān)測，并同步采用分布式傳感光纖對板樁墻灌注樁全長開展變形、受力的分布式監(jiān)測，以獲取更全面的原型監(jiān)測數(shù)據(jù)。在碼頭板樁墻選擇相鄰2 根灌注樁（編號1#樁、2#樁）布置傳統(tǒng)原型監(jiān)測儀器和分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）。傳統(tǒng)監(jiān)測儀器設(shè)計為：1#樁僅布置測斜管1 套，2#樁布置土壓力計、鋼筋應(yīng)力計和錨桿拉力計，其中土壓力計和鋼筋應(yīng)力計分別沿樁身布置3 層；2 根原型試驗灌注樁各布置1 套分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，其應(yīng)變傳感光纖布置型式為：在灌注樁的東、西、南、北向沿樁身布置4 條相互平行的傳感光纖，呈“十”字對角構(gòu)成“東西”“南北”兩組方向的監(jiān)測系統(tǒng)（如圖1（a））。為便于測量，相鄰向光纖經(jīng)樁底折返引至樁頂，形成兩條“U”型回路（如圖1（b））。應(yīng)變傳感光纖選用V0 型應(yīng)變傳感光纖，通過捆扎在鋼筋籠垂直主筋上進行定位和保護，數(shù)據(jù)采集使用瑞士OMNISENS 公司產(chǎn)的DiTeSt 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，其應(yīng)變測量最小空間分辨率0.1 m，準確度為±10×10?6。

圖1 板樁墻灌注樁傳感光纖布置示意Fig.1 Layout of sensing optical fiber in the pile

3 板樁墻灌注樁變形與受力

原型灌注樁1#樁2020 年1 月14 日開始澆筑混凝土并于當日成樁完成，2#樁2020 年1 月15 日成樁完成，樁頂冠梁5 月7 日開始澆筑至15 日結(jié)束。6 月28 日碼頭前沿港池開始開挖，0 m 高程以上墻前土體采用陸上開挖方式進行，0 m 高程以下水下部分采用吸泥船進行攪吸處理，至7 月10 日2 根原型試驗樁前沿港池開挖全部完成，港池泥面達到設(shè)計的?13.8 m 高程。港池開挖過程中，對板樁墻的灌注樁內(nèi)應(yīng)變傳感光纖進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示：2 根原型樁各自在東、西、南、北4 個方向沿樁身的應(yīng)變分布規(guī)律兩兩對應(yīng)，一致性較好。分別以1#樁東西向光纖和2#樁南北向光纖監(jiān)測結(jié)果為例，其在港池開挖過程中的樁身應(yīng)變分布變化規(guī)律如圖2。

圖2 樁身應(yīng)變測量結(jié)果對應(yīng)港池開挖不同階段：6 月30 日港池前沿開挖至?4 m 高程，7 月1 日開挖至?8 m 高程，此時板樁前沿頂部保留4 m 寬度土體，下部土體保留自然穩(wěn)定邊坡。測得1#、2#原型樁樁體東、西、南、北4 個方向的樁身總應(yīng)變較小，且拉壓應(yīng)變的變化范圍基本小于50×10?6，這表明板樁碼頭的密排灌注樁板樁結(jié)構(gòu)受力主要是由于兩側(cè)土體壓力變化引起，板樁結(jié)構(gòu)前沿保留一定寬度土體仍可對板樁碼頭的樁體起到較好支撐作用；7 月10 日港池開挖全部完成，港池泥面整體達到設(shè)計的?13.8 m 高程后，該高程以上碼頭前沿土體支撐作用消失，7 月22 日測得原型樁泥面以上高程樁身應(yīng)變4 個方向均出現(xiàn)明顯變化，且樁體東西向（偏海陸側(cè)）的光纖應(yīng)變測值變化更明顯，呈現(xiàn)更好得規(guī)律性：灌注樁海側(cè)樁身應(yīng)變上部受拉增加，下部受壓增加，陸側(cè)變化趨勢與海側(cè)相反。

圖2 灌注樁鋼筋混凝土應(yīng)變測量結(jié)果Fig.2 Measured strain of the pile in different directions

3.1 變形分析

基于碼頭港池開挖過程中1#和2#原型樁應(yīng)變測量結(jié)果，采用合理反映受彎結(jié)構(gòu)受力變形特性的擬合方法對灌注樁東西和南北方向應(yīng)變差值進行擬合得其擬合曲線，同時基于測得的原型灌注樁東西和南北向應(yīng)變差值擬合曲線，根據(jù)材料力學(xué)受彎結(jié)構(gòu)變形理論，由式（1）可積分算得1#、2#樁沿深度方向水平位移分布曲線[13-14]，1#樁中心位置埋設(shè)測斜管監(jiān)測結(jié)果對比見圖3。

圖3 灌注樁水平位移沿深度分布曲線Fig.3 Horizontal displacement and settlement of the pile

式中：ε1(x)、ε2(x)為某深度下樁身橫截面對角2 條光纖的應(yīng)變測量值；Y為2 根光纖之間的間距，這里指樁的直徑；C1、C2為待求參數(shù)可根據(jù)樁身位移的邊界條件求得，一般假定樁端嵌固在基巖中，水平位移為零，樁頂位移可由全站儀或活動測斜儀測出。

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)測得港池開挖全過程灌注樁水平位移主要發(fā)生在碼頭海陸側(cè)東西方向，平行碼頭岸線的南北向水平位移較小。碼頭前沿港池開挖到設(shè)計泥面高程?13.80 m 后，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)測得的1#樁東西向最大水平位移為56.4 mm（海側(cè)為正），位于樁頂，2#樁東西向最大水平位移為57.5 mm，位于樁頂以下4.85 m；港池開挖到設(shè)計泥面以后測得南北向最大水平位移為2.3 mm（南向為正），位于樁頂以下9.92 m。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)測得的灌注樁在東西向和南北向的水平位移與活動測斜儀測量結(jié)果吻合良好，具體表現(xiàn)為：在港池開挖全過程中，二者在樁體水平位移沿深度方向的分布規(guī)律和增長變化規(guī)律基本吻合，測得的樁體水平位移量基本一致。以7 月22 日1#樁東西向水平位移測量結(jié)果為例，活動測斜監(jiān)測系統(tǒng)與分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)在全深度范圍內(nèi)測得的水平位移最大相差2.8 mm，并與相鄰2#樁中分布式光纖測得的水平位移最大相差僅4.6 mm，其誤差水平與目前最高測量精度的活動測斜儀整體精度為±3 mm/30 m 相當[15-16]，這表明基于分布式光纖的板樁碼頭墻體結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測技術(shù)具備較高的測量精度，結(jié)合碼頭結(jié)構(gòu)變形與受力關(guān)系理論可實現(xiàn)對板樁碼頭結(jié)構(gòu)受力的準確分析。

3.2 受力分析

根據(jù)材料力學(xué)梁彎矩理論有：平行布設(shè)結(jié)構(gòu)體兩側(cè)應(yīng)變差與結(jié)構(gòu)體本身彎矩關(guān)系可用式（2）表達，對結(jié)構(gòu)體彎矩擬合函數(shù)求導(dǎo)即可求得結(jié)構(gòu)的水平向剪力分布。

式中：E為樁身彈性模量；Iz為樁身慣性矩；其他參數(shù)含義與式（1）相同。

結(jié)合試驗用光纖解調(diào)儀的測量精度指標，對捆扎埋設(shè)在灌注樁鋼筋籠東側(cè)和西側(cè)主筋處應(yīng)變傳感光纖測得的應(yīng)變差值進行去噪光滑處理后，以深度為變量對應(yīng)變差值進行低階曲線擬合，應(yīng)用式（2）計算灌注樁的主要受力方向（東西向）彎矩如圖4(a)，對彎矩曲線求導(dǎo)得沿深度方向密排板樁墻的灌注樁鋼筋混凝土的剪力分布曲線如圖4(b)所示。

圖4 灌注樁彎矩、剪力分布Fig.4 Distribution of bending moment and shear force of the pile

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)測得灌注樁彎矩分布呈現(xiàn)的規(guī)律是：6 月30 日港池開挖前期（吸泥到?4.0 m 高程），板樁墻上部正彎矩與下部負彎矩基本上下反對稱，最大彎矩在±300 kN·m 左右；隨著港池開挖深度增加，板樁墻上半部分的正彎矩快速增長，明顯高于下部負彎矩的增長速度，至墻前港池泥面開挖到設(shè)計高程?13.8 m 高程后，7 月22 日測得板樁墻最大正彎矩值達2 000 kN·m（距樁頂約10 m），為最大負彎矩絕對值（距樁底約5 m）的4～5 倍，此時上部墻體海側(cè)受拉，下部墻體陸側(cè)受拉；經(jīng)比較，相同工況下相鄰1#、2#兩根灌注樁的彎矩分布規(guī)律和量值一致性良好，其彎矩分布規(guī)律與離心模型試驗結(jié)果規(guī)律相同[2]。

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)測得灌注樁剪力分布呈現(xiàn)的規(guī)律為：7 月22 日港池開挖至?13.8 m 高程，密排灌注樁板樁墻剪力最大值約550 kN，位于樁頂，這表明墻體頂部受錨桿集中拉力，自墻頂開始板樁墻剪力呈線性減小，至樁頂以下約17 m 深度（開挖泥面以下3.2 m）剪力遞減到最大負值約?220 kN，剪力變化拐點上下各有3～5 m 長度范圍呈非線性變化，該深度以下剪力恢復(fù)到線性增加，此時海側(cè)土體作用于板樁墻的被動土壓力開始大于陸側(cè)土體作用的主動土壓力[7]，至樁底剪力回到一定正值，這表明板樁墻底部土體在此形成有集中作用力。經(jīng)比較，相鄰兩根灌注樁承受剪力在變化規(guī)律和量值上均保持良好一致性，且與錨桿應(yīng)力計、錨桿拉力計推算的板樁墻剪力量值相當，可見該光纖監(jiān)測技術(shù)可以滿足板樁碼頭受力監(jiān)測工作需要。

圖5 為灌注樁混凝土豎向應(yīng)變沿深度的分布曲線，顯示港池開挖后灌注樁樁體上部受拉，下部受壓，隨著墻前港池開挖進程，灌注樁上部受拉段長度增加，拉應(yīng)變也增大，同時受壓段最大壓應(yīng)變明顯增大。至開挖到設(shè)計泥面，測得灌注樁豎向應(yīng)變結(jié)果具體為：1#樁上部最大拉應(yīng)變?yōu)?6×10?6，受拉段全長約12 m，其中上部約10 m長度受拉程度基本相當，承受較大拉應(yīng)變，下部最大壓應(yīng)變?yōu)?129×10?6，15～22 m 約7 m 長度范圍樁體均處于與最大壓應(yīng)變數(shù)值相當?shù)氖軌籂顟B(tài)，深度25～30 m 約5 m 長度范圍樁體處于較小壓應(yīng)變狀態(tài)；2#樁上部最大拉應(yīng)變?yōu)?5×10?6，樁體上部受拉段長度約9 m，灌注樁下部受壓段長度超過2/3 樁長（20 m），最大壓應(yīng)變約為1#樁的2/3（?80×10?6），樁體承受較大壓應(yīng)變的長度也較短，約5 m 長度（深度范圍為10～15 m），15 m 深度以下約1/2 樁長度范圍樁體處于較小壓應(yīng)變（約?30×10?6）狀態(tài)。

圖5 灌注樁混凝土豎向應(yīng)變分布Fig.5 Vertical strain distribution of concrete along the pile

3.3 密排灌注樁板樁碼頭安全特性分析

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》（JTS 144-1—2010）的要求，按照實際可能出現(xiàn)的受力情況，分承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種設(shè)計工況，對基于分布式光纖監(jiān)測技術(shù)開展試驗研究的原型碼頭板樁結(jié)構(gòu)承載力進行計算，計算結(jié)果如下：承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的最大樁身彎矩分別為2 097.10 和 1 439.61 kN·m，板樁墻最大位移為52.61 mm，最大剪力為514.33 kN。

碼頭前沿港池開挖到泥面設(shè)計高程?13.8 m 后，安裝于密排灌注樁板樁碼頭結(jié)構(gòu)的1#、2#試驗樁內(nèi)傳感光纖監(jiān)測資料計算結(jié)果為：1#樁向海側(cè)最大水平位移56.4 mm，2#樁向海側(cè)最大水平位移57.5 mm，超過設(shè)計計算得板樁墻最大位移52.61 mm；1#樁最大樁身彎矩1 916 kN·m，2#樁最大樁身彎矩2 066 kN·m，超過板樁密排灌注樁正常使用極限狀態(tài)的最大樁身彎矩設(shè)計值1 439.61 kN·m，基本達到板樁密排灌注樁承載力極限狀態(tài)的最大樁身彎矩設(shè)計值2 097.10 kN·m；1#樁最大剪力541 kN，2#樁最大剪力579 kN，超過板樁密排灌注樁的最大剪力設(shè)計值514.33 kN；1#樁樁身豎向最大拉應(yīng)變96×10?6，接近樁身混凝土材料的極限拉應(yīng)變，且樁身受較大拉應(yīng)變的長度較長，約10 m，2#樁樁身豎向最大拉應(yīng)變85×10?6，樁身承受拉應(yīng)變大于50×10?6的樁段長度相對較小，約5 m。

對比分析原型板樁碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果與實測結(jié)果表明，碼頭前沿港池開挖到泥面設(shè)計高程?13.8 m后，密排灌注樁板樁碼頭結(jié)構(gòu)的板樁試驗段墻體水平位移、試驗監(jiān)測樁的樁身彎矩和樁體剪力均已接近或超設(shè)計指標值，試驗樁的樁體上部樁段混凝土承受拉應(yīng)變接近材料極限，需關(guān)注原型板樁碼頭結(jié)構(gòu)工作狀況并加強監(jiān)測以保證其安全運行。

4 結(jié)語

本文介紹了基于分布式光纖傳感技術(shù)的板樁碼頭結(jié)構(gòu)變形和受力監(jiān)測方法在密排灌注樁板樁墻的工程應(yīng)用情況，對碼頭前沿港池開挖過程監(jiān)測結(jié)果進行了詳細分析和討論，得出以下主要結(jié)論：

（1）對比活動測斜儀監(jiān)測結(jié)果，基于分布式光纖傳感技術(shù)的板樁碼頭墻體變形監(jiān)測方法具有較高測量精度，所得的板樁碼頭墻體受力監(jiān)測結(jié)果與板樁碼頭離心模型試驗和數(shù)值計算的規(guī)律性結(jié)果一致性好；

（2）基于分布式光纖傳感技術(shù)的板樁碼頭墻體變形和受力監(jiān)測方法可滿足板樁碼頭工程監(jiān)測實際需要，并能實現(xiàn)分布式監(jiān)測，在板樁碼頭工程設(shè)計、建設(shè)和研究工作中具有良好推廣應(yīng)用前景；

（3）該港池前沿開挖完成后測得的密排灌注樁原型板樁碼頭結(jié)構(gòu)的板樁墻體水平位移、樁身彎矩和樁體剪力均已接近或超設(shè)計指標值，試驗樁的樁體上部混凝土承受拉應(yīng)變接近材料極限，需關(guān)注原型板樁碼頭結(jié)構(gòu)工作狀況并加強監(jiān)測以保證其安全運行。