高 磊， 錢繼奔， 徐中權(quán)， 陳和進， 袁 澤

（河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210024）

近年來，我國在巖土工程領(lǐng)域的快速發(fā)展，日益增加的施工難度和工程質(zhì)量要求，亟須承載能力更高、施工材料更少、更環(huán)保的異形樁. 常用的異形樁主要有H形樁、楔形樁、DX多節(jié)擠闊樁、Y形樁及X形樁等.在同等截面條件下，異型樁在樁土荷載分擔(dān)上相比于圓樁更加合理，樁的承載力、樁土應(yīng)力相比于圓樁更高［1-4］. 雪花形樁是一種新型異形樁，其樁身結(jié)構(gòu)如圖1所示，對比其他異形樁，雪花形樁基礎(chǔ)具有更大的樁土接觸面積和更高的整體剛度，可以有效減小材料用量，在控制不均勻沉降和減少橋頭跳車等方面具有優(yōu)異性［5-7］.

圖1 雪花形樁結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of snowflake-shaped pile

樁基礎(chǔ)的擠土效應(yīng)是樁基工程的重要特征，其表現(xiàn)為淺層土體的隆起和深層土體的橫向擠出，重則導(dǎo)致周圍土體和建筑物破壞，引起重大工程安全事故［8-12］. 目前，學(xué)者們已經(jīng)采用不同方式對樁基礎(chǔ)的擠土效應(yīng)開展研究，雷華陽等［13-14］通過現(xiàn)場布設(shè)測斜管以及孔隙水壓力計研究管樁的擠土效應(yīng)；萬星等［15］利用測斜管研究群樁擠土效應(yīng)；徐建平等［16］采用雙層對準直接觀測法對單樁和雙樁擠土效應(yīng)產(chǎn)生的土體位移進行測量；許朝陽等［17］對軟黏土中的沉樁效應(yīng)進行了室內(nèi)模型試驗研究，通過玻璃直接觀測土體位移；周健等［18］在染色砂中設(shè)置標志層，用相機拍攝擠土效應(yīng)產(chǎn)生的標志層位移，研究土體水平位移和土體隆起量的影響范圍；周航等［19-20］利用透明土變形可視化技術(shù)，研究X形樁與矩形樁沉樁過程中的擠土效應(yīng).

目前對于沉樁擠土效應(yīng)產(chǎn)生的土體水平位移，大多利用測斜儀進行監(jiān)測，存在點式監(jiān)測、精度低和成本高等不足. 為了解決巖土工程問題，一些學(xué)者將光纖感測技術(shù)引入巖土工程領(lǐng)域，開展了探索性研究，其中光頻域反射技術(shù)（OFDR）相對于其他光纖技術(shù)具有精度高的特點，被初步應(yīng)用于巖土工程室內(nèi)模型試驗中.曹陽等［21］將OFDR 技術(shù)應(yīng)用于樁基在水平荷載下的變形監(jiān)測室內(nèi)試驗，光纖監(jiān)測值與百分表測量值擬合良好，證明OFDR 在測量樁基撓度變形方面的可靠性；Gao 等［22］進行了雪花形鋼板樁室內(nèi)模型試驗，證明OFDR分布式傳感技術(shù)可以有效地監(jiān)測雪花形鋼板樁的應(yīng)變.

為了研究雪花形樁在沉樁過程中的擠土效應(yīng)，本文開展了雪花形樁擠土效應(yīng)室內(nèi)模型試驗，利用3D打印技術(shù)制作了雪花形樁模型，制作了土體水平位移監(jiān)測裝置，采用光頻域反射技術(shù)（OFDR），監(jiān)測了雪花形樁沉樁過程中土體水平位移監(jiān)測裝置的應(yīng)變，并計算得到了樁周土體水平位移，對雪花形樁的擠土效應(yīng)帶來的土體位移進行了分析.

1 OFDR光纖感測技術(shù)原理

光在光纖中傳播存在三種主要散射，分別是瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射. OFDR是一種基于測量瑞利散射變化的一種應(yīng)變測量技術(shù)，其基本原理為利用波頻率掃描技術(shù)，運用外差干涉方法，將周期性線性波長掃描的光源通過耦合器接入?yún)⒖急酆托盘柋?，參考臂的本振光和信號臂的背向瑞利散射信號發(fā)生拍頻干涉，將干涉信號通過快速傅里葉變換（FFT）得到距離域上光纖的背向瑞利散射信號信息［23］.

利用OFDR技術(shù)對待測物體的應(yīng)變或溫度進行測量時，可以把光纖看成一種連續(xù)分布的布拉格光柵，光纖應(yīng)變和溫度變化引起的光譜的移動量可以通過將待測光譜與本地參考光譜進行互相關(guān)運算獲得. 通過在待測試件中埋入光纖，可以實現(xiàn)OFDR 技術(shù)對應(yīng)變或溫度的分布式測量［24］. OFDR 技術(shù)能在100 m 有效范圍內(nèi)對待測物體實現(xiàn)最大空間分辨率為1 mm、應(yīng)變分辨率為1 με、溫度分辨率為0.1 ℃的高精度測量［25］.OFDR技術(shù)原理如圖2所示［23］.

圖2 OFDR技術(shù)原理圖Fig.2 Principle of OFDR technology

2 模型試驗

2.1 試驗裝置

為方便控制模型槽內(nèi)土層的均質(zhì)性，本試驗采用砂土作為試驗土樣. 模型槽由透明亞克力材料制成，尺寸為：長80 cm，寬40 cm，高50 cm；砂土密度為1.88 g/cm3.

本試驗利用3D打印技術(shù)，使用綠色可生物降解的聚乳酸材料（PLA）制作雪花形樁，以控制樁的尺寸和保證樁整體剛度.PLA材料彈性模量為3500 MPa，彎曲模量為125 MPa. 3D打印雪花形樁翼緣及腹板長度為40 mm，寬度均為10 mm，樁體長度為300 mm，橫截面積為3730 mm2，底部閉口處理. 為保證樁體在沉樁過程中受載均勻，避免發(fā)生傾斜，在模型樁上部加設(shè)樁帽. 設(shè)置3D打印填充密度為15%，打印速度為50 mm/s.

本試驗通過在PVC 管上預(yù)切割槽，將光纖傳感器沿槽粘貼，在底部“U”型布設(shè)，制作了土體水平位移監(jiān)測裝置. PVC管外徑為15 mm，長度為350 mm，彈性模量為2950 MPa. 圖3 為本試驗材料.

2.2 試驗過程

圖4 為本試驗裝置布設(shè)圖，本試驗在樁側(cè)埋設(shè)土體水平位移監(jiān)測裝置，在雪花形樁逐漸壓入土體過程中，根據(jù)不同入土深度，監(jiān)測土體水平位移監(jiān)測裝置的應(yīng)變. 雪花形樁與土體水平位移監(jiān)測裝置G1、G2、G3中心位于一條直線上，土體水平位移監(jiān)測裝置中心距離雪花形樁中心分別為1D（150 mm）、1.5D（225 mm）、2D（300 mm），D為雪花形樁橫截面外接圓直徑，大小為150 mm. U1和U2為“U”型布設(shè)在土體水平位移監(jiān)測裝置兩側(cè)的光纖傳感器，U1光纖傳感器正對樁側(cè)，U2光纖傳感器背對樁側(cè). 試驗中所用OFDR數(shù)據(jù)采集儀為香港東隆科技有限公司生產(chǎn)，本次試驗中設(shè)備的空間分辨率設(shè)置為1 cm.

圖4 試驗裝置布設(shè)圖Fig.4 Layout of test devices

試驗流程如下：

1）模型槽內(nèi)預(yù)填10 cm砂土，將土體水平位移監(jiān)測裝置G1、G2、G3按照圖4布設(shè)，填砂土至低于裝置頂部2 cm處，靜置1 d，待砂土在自重作用下完全穩(wěn)定.

2）測量土體水平位移監(jiān)測裝置G1、G2、G3初始應(yīng)變值，并記錄.

3）采用砝碼加載雪花形樁，每壓入砂土5 cm 測量一次土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變數(shù)據(jù)，直至壓入土體20 cm.

3 結(jié)果分析

3.1 土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變分析

本次試驗中，PVC 管上端高于土體2 cm，下端預(yù)留5 cm，防止光纖傳感器彎折角度過大發(fā)生斷裂，光纖傳感器實際有效數(shù)據(jù)段長度為28 cm，圖5 為土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變.光纖傳感器沿PVC管U型布設(shè)，U1光纖傳感器正對樁側(cè)，U2光纖傳感器背對樁側(cè)；U1 應(yīng)變?yōu)檎?，U2 應(yīng)變?yōu)樨?在PVC 管底部會因為光纖傳感器粘貼原因?qū)е虏糠謶?yīng)變?nèi)笔?，但是對整體趨勢沒有影響.

由圖5 可知，雪花形樁沉樁過程中，土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變呈現(xiàn)兩端小，中間大的趨勢，且隨著沉樁深度的增加而增大，如沉樁深度從5～20 cm時，土體水平位移監(jiān)測裝置G1最大應(yīng)變分別為126.57、326.13、462.82、592.27 με. 土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變隨著離沉樁中心距離的增加而減小，如沉樁深度20 cm 時，G1、G2、G3土體水平位移監(jiān)測裝置最大應(yīng)變分別為592.27、199.29、66.43 με，G2、G3土體水平位移監(jiān)測裝置最大應(yīng)變相比G1下降了66.35%和88.78%；最大應(yīng)變增加幅度在沉樁5～10 cm 范圍內(nèi)，G1、G2、G3土體水平位移監(jiān)測裝置的最大應(yīng)變增幅分別為257.67%、274.77%、274.88%.

圖5 土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變結(jié)果Fig.5 Strains of soil lateral displacement monitoring devices

3.2 土體水平位移分析

本試驗獲取的土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過應(yīng)變-撓曲變形轉(zhuǎn)換方程式轉(zhuǎn)化為撓度，從而獲得土體的水平位移. 假定土體水平位移監(jiān)測裝置是均勻彈性變形，應(yīng)變測點最低處（土體水平位移監(jiān)測裝置入土280 mm處）土體水平位移為零值. 應(yīng)變-撓曲變形轉(zhuǎn)換方程式如下所示：

式中：ω(z)為計算所得的土體水平位移，mm；z為深度變量，mm；H為埋深，mm；y(z)為同一橫截面上的某個應(yīng)變點到截面中心的有線距離，mm；ε(z)1為正對樁側(cè)應(yīng)變；ε(z)2為背對樁側(cè)應(yīng)變，規(guī)定正值為拉應(yīng)變，負值為壓應(yīng)變；C、D為積分常數(shù).

樁底位移可忽略不計，最大應(yīng)變位置在土體水平位移監(jiān)測裝置邊緣，即y(z)=R，為土體水平位移監(jiān)測裝置外徑，式（2）可簡化為：

土體水平位移計算結(jié)果如圖6所示，其中G1、G2、G3分別距離沉樁中心150、225、300 mm. 雪花形樁在沉樁過程中產(chǎn)生的土體水平位移隨著沉樁深度的增加而增大，隨著離沉樁中心距離的增加而減小. 土體水平位移呈現(xiàn)上大下小的趨勢. 雪花形樁最終沉樁深度下，150、225、300 mm 處的最大水平位移值分別為雪花形樁橫截面外接圓直徑（150 mm）的1.24%、0.31%、0.12%，在300 mm 處的最大土體水平位移值非常小.

圖6 土體水平位移Fig.6 Lateral displacements of soil

表1 為雪花形樁試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，表明了試驗中樁周土體水平位移監(jiān)測裝置的最大應(yīng)變、最大應(yīng)變發(fā)生位置和最大土體水平位移隨著沉樁深度的變化趨勢. 由表1可知，雪花形樁土體水平位移監(jiān)測裝置最大應(yīng)變發(fā)生位置隨著沉樁深度的增加而下移，隨著離沉樁中心距離的增加而上移.

表1 雪花形樁試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 Test data statistic of snowflake-shaped piles

試驗結(jié)果表明，在雪花形樁沉樁過程中，擠土量逐漸增加，中上部土體水平位移較大，土體擠壓附近樁體及建筑，會在附近樁體及建筑中部位置產(chǎn)生較大應(yīng)變，在實際工程中，如果在沉樁附近有已沉樁樁體，需對已沉樁樁體中部附近位置加以保護，尤其是部分樁體由上樁和下樁接合而成，接樁處強度較低，在沉樁施工過程中容易出現(xiàn)接樁破壞、樁體開裂和樁位傾斜等問題，因此需要注意擠土作用的影響.

圖7為本試驗室內(nèi)條件下暴露在空氣中的光纖傳感器溫度和應(yīng)變變化曲線，有效長度為光纖傳感器自由段. 本試驗期間暴露在空氣中的光纖傳感器溫度在-0.05～0.14 ℃波動，應(yīng)變波動區(qū)間為-4.1～5.1 με，可見試驗期間室內(nèi)的溫度變化小，對光纖傳感器的應(yīng)變影響不大，所以本試驗可不作溫度補償.

圖7 暴露在空氣中的光纖傳感器溫度和應(yīng)變變化曲線Fig.7 Temperature curves and strain curves of fiber optic sensor exposed to air

4 結(jié)論

為研究雪花形樁的擠土效應(yīng)，本文開展了雪花形樁室內(nèi)模型試驗，監(jiān)測了雪花形樁沉樁過程中土體水平位移監(jiān)測裝置的應(yīng)變，并計算得到了樁周土體水平位移，得出如下結(jié)論：

1）土體水平位移監(jiān)測裝置應(yīng)變隨著沉樁深度的增加而增大，隨著離沉樁中心距離的增加而減小. 土體水平位移監(jiān)測裝置最大應(yīng)變發(fā)生位置隨著沉樁深度的增加而下移，隨著離沉樁中心距離的增加而上移.2）樁周土體水平位移隨著沉樁深度的增加而增大，隨著離沉樁中心距離的增加而減小，土體水平位移呈現(xiàn)上大下小的趨勢.