李雨軍，馬云長，張鐘文

(1.核工業(yè)湖州勘測規(guī)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(xiàn)場測試,布拉格光纖光柵(FBG)監(jiān)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(shù)據(jù)可靠、測量精度高、測量點多、傳感器小巧且結構簡單等優(yōu)點[1]。Lee等[2]結合現(xiàn)場和室內(nèi)試驗,將FBG傳感技術和傳統(tǒng)應變計監(jiān)測對比,首次驗證了FBG傳感技術在樁基工程監(jiān)測中的可靠性。Wang等[3]通過FBG傳感器,監(jiān)測得到了樁應變曲線及樁土界面特性變化規(guī)律。魏廣慶等[4]驗證分布式光纖監(jiān)測技術在預制樁中監(jiān)測的優(yōu)勢,并在不同工況中應用研究對比傳統(tǒng)監(jiān)測技術,光纖監(jiān)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(jiān)測,證明了光纖監(jiān)測測量的精度更高,能更好的應用在樁基監(jiān)測中。馮江等[6]對鉆孔灌注樁進行光纖監(jiān)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(jiān)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(guī)律,為軟土地區(qū)樁基承載性能研究提供依據(jù)。

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(xiàn)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(shù);ε為軸向應變;α為熱膨脹系數(shù);ΔT為溫度變化;ζ為熱光系數(shù)。

通過串聯(lián)或其他網(wǎng)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(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng),可用來對長距離工程進行實時監(jiān)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(chǎn)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(jù)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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)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(qū)某地,該處現(xiàn)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(qū),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(jiān)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(nèi)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(nèi)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(xiàn)場載荷試驗與監(jiān)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(xiàn)場如圖3所示。

在每級加載10 min穩(wěn)定后,現(xiàn)場采用柜式密集分布式光纖解調(diào)儀進行數(shù)據(jù)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(nèi)的樁身軸力變化較大,而在30 m～74 m范圍內(nèi)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(zhì)黏土中的衰減速率。

在樁頂荷載較小如1 970 kN時,樁身所產(chǎn)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(fā)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(fā)揮作用。若荷載繼續(xù)增大,側摩阻力達到極限值后,樁端阻力才開始發(fā)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(jié)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(zhì)黏土層,中部的⑤-3黏土層、⑥-1-1粉質(zhì)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(zhì)黏土夾粉土、⑦-2細砂層逐步開始發(fā)揮作用。

樁側各土層的側摩阻力發(fā)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(fā)揮。其中,③-1-2黏質(zhì)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(xù)增大。整個試驗過程中,④-1,④-2和⑤-1粉質(zhì)黏土地層逐漸發(fā)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(zhì)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(zhì)黏土層的側摩阻力在整個荷載增加過程中發(fā)揮主要作用,保證了樁身的穩(wěn)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(fā)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(jié)約造價。