基于樁身應(yīng)力測試的靜壓PHC管樁貫入機制

寇海磊，張明義

（1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.濰坊學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山東 濰坊 261061）

1 引 言

PHC管樁（高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁）配合靜壓法施工，具有承載力高、貫入力強、保護環(huán)境、在沉樁過程中能觀察到壓樁力等優(yōu)點，正逐漸代替混凝土方樁和鋼管樁等，成為最常用的樁型[1]。管樁有著自身的特點，應(yīng)力測試比較困難，目前還沒有專門針對靜壓管樁特點的從貫入機制到承載力形成機制全過程的試驗研究。套用打入樁或混凝土方樁的理論較多，對沉樁阻力的估算、承載力的確定仍停留在地區(qū)經(jīng)驗水平上。只有將沉樁阻力沿深度分離成側(cè)摩阻力和端阻力，才能更好地研究貫入機制及承載力。分離側(cè)摩阻力和端阻力的測試試驗成為制約PHC管樁研究的瓶頸問題。

國內(nèi)外對側(cè)摩阻力與樁端阻力分離的研究主要基于模型樁及現(xiàn)場足尺試驗。Banerjee等[2]通過樁身安裝測試元件實現(xiàn)了樁體貫入模型槽過程中樁身應(yīng)力及土體位移的測試。Altaee等[3]在室內(nèi)模型樁試驗中觀察到了樁端阻力臨界深度現(xiàn)象。Bolton等[4]在砂土地基中借助靜力觸探離心機試驗對端阻力臨界深度現(xiàn)象進行了研究。胡立峰等[5]利用液壓千斤頂將管內(nèi)壁貼有應(yīng)變片的鋼管樁（外徑為40 mm，壁厚為0.8 mm）壓入3.0 m×3.0 m×4.5 m的大型模型槽，觀測到了貫入過程中端阻力及側(cè)壁阻力的變化，并對后期靜載荷試驗進行了觀察。周健等[6]通過模型槽試驗及 PFC2D顆粒流軟件對密實砂中靜壓樁沉樁過程進行了分析，對樁體貫入過程中動端阻力、動側(cè)摩阻力的發(fā)展規(guī)律及臨界深度問題進行了揭示，建議密實砂土地基中端阻力臨界深度取7.5倍樁徑。

足尺樁試驗方面，Broms等[7]通過監(jiān)測沉樁過程中樁身下部壓縮變形成功分離了貫入過程中的樁側(cè)摩阻力及端阻力。張明義等[8]通過安裝自制樁端壓力傳感器獲得了靜壓樁貫入層狀土地基中端阻力變化情況，并通過樁身上拔時樁端不參與工作的特性，得到了樁側(cè)摩阻力。陳全福等[9]在進行靜壓預(yù)制樁的現(xiàn)場試驗研究中，提出了樁端預(yù)埋鋼弦式土壓力盒的方法，該方法能夠記錄貫入過程中各級壓樁力下樁入土深度及端阻力。此試驗沒有行之有效的方法獲得側(cè)摩阻力，而且在預(yù)制樁制作時在樁端埋置土壓力盒有一定難度，土壓力盒的可靠性也是值得考慮的問題。施峰[10]研究 PHC管樁荷載傳遞時，用型鋼或鋼筋籠設(shè)置好測力元件后插入管樁樁孔，然后灌水泥漿，與管樁合為一體，這種方法加大了管樁截面剛度，在一定程度上改變了樁體受力狀態(tài)。冷伍明等[11]對基樁現(xiàn)場試驗進行研究時，提出了預(yù)制管樁應(yīng)變計的設(shè)置方法及工藝，通過在預(yù)制樁制作時預(yù)埋一塊鋼板及穿線管，在鋼板上粘貼應(yīng)變片，使應(yīng)變計的導(dǎo)線從樁身內(nèi)部通過，還提出了鋼筋混凝土預(yù)制管樁側(cè)向土壓力盒的安裝方法。Yu等[12]在香港地區(qū)通過靜壓 6根安裝振弦式鋼筋應(yīng)力計的H型樁，實現(xiàn)了貫入過程中樁身軸力的監(jiān)測，但這種傳感器的布設(shè)方法對PHC管樁顯然是不合適的。張永雨[13]、潘艷輝等[14]進行了 PHC管樁中預(yù)埋鋼筋計的現(xiàn)場測試，在靜壓樁貫入過程中測得樁身軸力，由于管樁的生產(chǎn)過程溫度高，要用高溫應(yīng)變計，成本高且存活率低，該方法難以推廣。馬來西亞的Abdul Aziz等[15]研制了一種可回收式的應(yīng)變測試計，待沉樁結(jié)束后用支爪固定在管樁孔中測試，這是對傳統(tǒng)測試方法的有益改進，但這種測試方法僅適用于沉樁完成以后的靜載試驗階段的應(yīng)力測試，不能用于沉樁過程的測試。

PHC管樁不同于方樁、鋼管樁等樁型，其生產(chǎn)工藝及特點客觀上造成了測試試驗的困難。生產(chǎn)過程中鋼筋張拉、混凝土澆筑、高速離心成型及高溫養(yǎng)護等工藝對樁身預(yù)埋測試元件造成了很大的不便，如圖1所示。樁身外側(cè)貼應(yīng)變片容易被樁周土摩擦力損壞，如果在樁身內(nèi)部貼應(yīng)變片，由于管樁內(nèi)徑小，不易操作，而且管腔容易進水，受環(huán)境因素影響大，精度下降，可靠性及成活率都不高。應(yīng)變式鋼筋應(yīng)力計以及振弦式鋼筋應(yīng)力計較應(yīng)變片穩(wěn)定，但管樁高速離心成型及高溫養(yǎng)護工藝，要用高溫應(yīng)變計，成本高且存活率低。提高測試元件的成活率是分離沉樁阻力現(xiàn)場足尺試驗成敗的關(guān)鍵。

圖1 PHC管樁生產(chǎn)工藝Fig.1 Production techniques of PHC pipe piles

近年來光纖傳感測試技術(shù)蓬勃發(fā)展，與傳統(tǒng)的測試方法相比，光纖測試具有許多優(yōu)點。余小奎[16]與南京大學(xué)光電傳感工程監(jiān)測中心合作，利用光纖傳感監(jiān)測技術(shù)中的布里淵光時域反射計（BOTDR）對錘擊 PHC管樁成功進行測試。但測試是在每隔2 m打樁停歇時間進行，每次采樣時間需要15 min，這對于研究貫入過程的靜壓樁測試顯然是不允許的。Klar等[17]比較了單樁靜載試驗過程中采用BOTDR分布式光纖技術(shù)及布設(shè)普通傳感器的測試結(jié)果，并從經(jīng)濟性方面對其進行了闡述。宋建學(xué)等[18]采用BOTDR分布式光纖技術(shù)成功對靜載試驗過程中后注漿大直徑超長樁樁身應(yīng)變分布進行了監(jiān)測。魏廣慶等[19]采用布里淵時域反射技術(shù)（BOTDR）對灌注樁進行了分布式應(yīng)變測試，取得了較為理想的效果。邢皓楓等[20]進行了 PHC管樁靜載階段的BOTDR方法測試。盡管光纖傳感技術(shù)在樁基測試方面取得了一定進展，但將其應(yīng)用于PHC管樁貫入過程沉樁阻力測試的研究未有報道。本文利用準分布式光纖測試技術(shù)（FBG）對開口PHC管樁靜力壓入成層土地基端阻力及側(cè)摩阻力動態(tài)變化情況進行了監(jiān)測，基于沉樁阻力的分離對其貫入機制進行了分析。

2 靜壓樁沉樁阻力分離

2.1 FBG光纖測試技術(shù)

1978年世界上第1根光纖布拉格光柵的問世，標志著光纖傳感技術(shù)的誕生[21]。FBG光纖測試技術(shù)作為光纖傳感技術(shù)的一種以其靈敏度高、測量準確、測試分辨率高、性能穩(wěn)定、能夠?qū)Y(jié)構(gòu)物進行實時監(jiān)測等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，其基本原理是根據(jù)所測結(jié)構(gòu)物環(huán)境溫度或應(yīng)變的變化來改變其反射光波的波長。需要說明的是，測試環(huán)境溫度的變化對光柵波長影響較大。因此，光纖光柵傳感器的使用一般需要進行多光柵溫度補償，常規(guī)的做法是將 FBG溫度傳感器埋置于應(yīng)變傳感器附近，并假定兩者位于同一溫度場，但不受應(yīng)變變化的影響，利用測得的波長變化消除溫度的影響，實現(xiàn)溫度補償[22]。

實際工程中，常利用波分復(fù)用技術(shù)將十幾個中心波長不同的 FBG傳感器串聯(lián)于一根纖細的光纖中，構(gòu)成準分布式的應(yīng)變、溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，而不影響建筑物的正常使用，本文試驗中采用的即為FBG光纖傳感器準分布式布設(shè)，如圖2所示。

圖2 FBG傳感器準分布式安裝Fig.2 Quasi-distributed FBG sensors along pile

在不考慮環(huán)境溫度影響的情況下，以FBG應(yīng)變傳感器初始波長作為基準參考值，記錄結(jié)構(gòu)物受力過程中傳感器波長變化，根據(jù)式（1）即可求出結(jié)構(gòu)物應(yīng)變變化，乘以結(jié)構(gòu)物彈性模量可得其受力過程中應(yīng)力變化。

式中：ΔλB為結(jié)構(gòu)物受力前后傳感器中心波長變化（pm）；λB0為結(jié)構(gòu)物受力前傳感器初始波長（pm）；Kε為傳感器應(yīng)變靈敏系數(shù)（pm/με)；Δεx為軸向

變變化量（10?6）。

2.2 試驗場地

現(xiàn)場試驗在杭州富陽某經(jīng)濟適用房工地進行。場地內(nèi)主要分布黏性土層及圓礫，表層覆蓋 0～3.3 m厚填土，其下為較厚的黏性土及圓礫層，土層分布情況及場區(qū)雙橋靜力觸探曲線如表1及 圖3所示。

樁長范圍內(nèi)土層主要為海相-沖積相和海陸過渡沉積物構(gòu)成的第四紀覆蓋層，地形總體平坦，局部稍有起伏。圓礫層處探頭錐尖阻力隨深度迅速增加，17 m左右處約為8.4 MPa。地下水位在地表以下7.0 m。

2.3 試驗設(shè)置

試樁編號分別為PJ1、PJ2、PJ3、PJ4、PJ5，為PHC-A400（75）型開口混凝土管樁，不設(shè)樁靴。沉樁使用680 t液壓靜力壓樁機，最大行程為1.8 m。PJ1、PJ2樁長為18 m，由兩節(jié)樁長分別為13、5 m的樁焊接而成，貫入完成后樁端位于圓礫層；PJ3、PJ4、PJ5為13 m的單節(jié)樁，樁端位于粉質(zhì)黏土層。沉樁過程中以樁長作為終壓控制標準，為了避免擠土效應(yīng)對相鄰樁體貫入性狀的影響，樁間距設(shè)為4 m，大于4倍樁徑，其位置示意如圖4所示。

壓樁前預(yù)先在樁側(cè)開淺槽埋設(shè)準分布式 FBG光纖傳感器，按照2.5 m布設(shè)間距，PJ1、PJ2設(shè)置9個量測斷面，PJ3、PJ4、PJ5設(shè)置6個量測斷面，如圖5所示。每個量測截面布設(shè)1個FBG應(yīng)變傳感器，傳感器間連接光纖用鎧裝光纜保護，由樁頂鉆孔處引出，布設(shè)完畢后用環(huán)氧樹脂封裝保護。試驗用FBG傳感器標距為80 mm，量程為 3 × 10?3，能夠滿足試驗需要。

3 試驗成果分析

壓樁開始前，記錄FBG傳感器初始波長及貫入過程中傳感器波長變化，根據(jù)式（1）即可求出貫入過程中樁身應(yīng)變，乘以樁身彈性模量可得樁身應(yīng)力變化。沉樁過程歷經(jīng)時間較短，忽略溫度差異對傳感器波長變化的影響。

表1 土層參數(shù)Table 1 Soils parameters

圖3 試驗場地靜力觸探曲線Fig.3 Cone penetration curves in test site

圖4 試驗樁位布置圖Fig.4 Test piles location

圖5 FBG傳感器布置示意圖Fig.5 FBG sensors along test piles

3.1 壓樁力隨深度變化規(guī)律

圖6表示貫入過程中壓樁力隨深度變化曲線。壓樁過程中貫入速率呈動態(tài)變化，難以將其控制為一固定值。一般而言，沉樁初期貫入阻力較小，沉樁速率約為1.0～2.0 m/min，后期隨著貫入深度的增加，沉樁阻力明顯增大，至沉樁結(jié)束前1.0～2.0 m時減少至每分鐘貫入十幾厘米，甚至更少。Bond等[23]將貫入速率大于（0.40～0.60）m/min定義為快速貫入，貫入速率為（0.05～0.10）m/min視為慢速貫入，按照上述分類方法，本次試驗均屬于快速貫入。

圖6 壓樁力隨深度變化曲線Fig.6 Variations of pile jacking force with depth

圖6顯示隨著貫入深度增加，壓樁力呈增大趨勢，壓樁力曲線基本反映了地層土性變化。PJ1、PJ2樁端未進入圓礫層時，土體軟硬程度相差不大，壓樁力曲線變化不顯著。樁端進入硬質(zhì)土層后 PJ1壓樁力由916.15 kN變化為1142.05 kN，增長幅度約為24.66%；PJ2壓樁力由512 kN變化為840 kN，變化幅度為 64.06%，平均增長幅度為 44.36%，說明樁端土層軟硬程度制約著壓樁力變化，樁端進入硬質(zhì)土層時，壓樁力增長顯著。研究表明[1]，樁尖位于硬質(zhì)土層中時，樁尖一定范圍內(nèi)軟土層的存在會顯著降低樁尖阻力。當軟土層位于樁尖以上2.5D（D為樁徑）時，沉樁阻力主要取決于樁尖以上2.5D范圍內(nèi)土層強度平均值，此為PJ1、PJ2壓樁力相差較大的主要原因。樁端位于非硬質(zhì)土層試樁 PJ3、PJ4、PJ5壓樁力變化趨勢基本一致。

3.2 沉樁過程中樁身應(yīng)力變化

貫入過程中樁身應(yīng)力可由FBG傳感器測得，其分布曲線如圖7所示。分析可知，貫入過程中樁側(cè)摩阻力大小略有不同。以貫入5.0 m樁身0～2.55 m范圍內(nèi)單位側(cè)摩阻力為例，PJ1為 0.27 MPa，PJ2為0.57 MPa，摩阻力較小。貫入至16.0 m時，因樁端進入圓礫層，底部側(cè)摩阻力較大，樁身 13.45～16.00 m范圍內(nèi)單位側(cè)摩阻力PJ1為3.55 MPa，PJ2為2.00 MPa，變化顯著；樁端位于非硬質(zhì)土層試樁樁身0～2.55 m，PJ3為單位側(cè)摩阻力0.50 MPa，PJ4為 0.78 MPa，PJ5為 0.42 MPa；繼續(xù)貫入至13.0 m時樁身10.25～12.75 m范圍內(nèi)單位樁側(cè)摩阻力依次為 0.89、1.45、1.34 MPa，大于貫入初期樁身單位側(cè)摩阻力。

圖7 貫入過程中樁身應(yīng)力分布曲線Fig.7 Variations of pile stress during installation

圖7顯示貫入過程中樁身上、下部側(cè)摩阻力發(fā)揮的力學(xué)機制不同。貫入初期由于樁身晃動及填土層影響，樁身上部幾米范圍內(nèi)與周圍土體接觸不密實，導(dǎo)致貫入過程中樁身上部側(cè)摩阻力較小。隨著貫入深度的增加，樁側(cè)摩阻力分擔(dān)比例逐漸增大。上述現(xiàn)象的產(chǎn)生是基于現(xiàn)場施工條件及填土層影響，當貫入過程中樁身晃動很?。ㄈ缡覂?nèi)模型試驗），樁側(cè)摩阻力在較小深度處即有較大程度的發(fā)揮。貫入過程中各試樁樁身應(yīng)力分布趨勢基本一致，但因土層差異樁側(cè)摩阻力顯著發(fā)揮深度略有不同。

3.3 樁側(cè)摩阻力及端阻力荷載傳遞特征分析

傳感器安裝過程中為了避開樁端金屬端頭，底端傳感器距樁端約25 cm，貫入過程實際樁端阻力（含土塞阻力）可由樁身應(yīng)力分布曲線線性外推獲得。圖8、9分別表示貫入過程中樁端阻力（含土塞阻力）及側(cè)摩阻力隨深度變化曲線。可見，準分布式 FBG光纖測試技術(shù)對貫入過程中樁端阻力及側(cè)摩阻力變化情況監(jiān)測效果較好。樁端阻力變化與靜力觸探（CPT）錐尖阻力變化曲線相近，兩者一定程度上反映了土層地質(zhì)情況。貫入圓礫層時，PJ1、PJ2樁端阻力分別由 621.3、227.0 kN 變化為 794.4、606.0 kN，平均增長幅度為97.41%；樁側(cè)摩阻力分別由250.9、225.0 kN變化為316.2、247.0 kN，平均增長幅度為 17.92%，小于樁端阻力增長幅度。PJ3、PJ4、PJ5端阻力及側(cè)摩阻力增長無明顯拐點，貫入過程中樁側(cè)摩阻力增長顯著，試驗樁不同側(cè)摩阻力增長幅度體現(xiàn)了樁側(cè)土性的不同。從圖 8、9可以看出，貫入過程中樁端阻力及側(cè)摩阻力變化與土層地質(zhì)分布相關(guān)，臨界深度現(xiàn)象不顯著。

樁體貫入至某一深度后，動摩阻力增長趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)側(cè)摩阻力臨界深度現(xiàn)象，其反映了貫入深度突變影響的界限。靜壓樁貫入屬于穩(wěn)態(tài)貫入，類似于快速載荷試驗。貫入過程中的動摩阻力雖不等同于樁側(cè)極限摩阻力，但與其密切相關(guān)，貫入過程中動摩阻力變化同樣受臨界深度的影響。Zeitlen等[24]將樁側(cè)摩阻力臨界深度歸結(jié)于樁土摩擦角的降低。Kraft[25]同樣認為，樁側(cè)摩阻力臨界深度主要取決于樁土摩擦角的降低。樁體貫入過程中樁土間摩擦角隨著豎向有效應(yīng)力的增加而減小，樁土摩擦角的減小同樣會導(dǎo)致樁側(cè)有效應(yīng)力的增加，這種耦合作用導(dǎo)致單位樁側(cè)摩阻力在臨界深度處保持一恒定值。

圖8 貫入過程中樁端阻力變化曲線Fig.8 Variations of toe resistance during installation

圖9 貫入過程中樁側(cè)摩阻力變化曲線Fig.9 Variations of shaft resistance during installation

估算單位極限側(cè)摩阻力 fmax比較常用的方法為Burland于1973年提出的β法，后來 Meyerhof[26]對其進行了修正，表達式為

式中：Kc為樁側(cè)土壓力系數(shù)；?′為樁-土間摩擦角；σv′為初始有效豎向應(yīng)力。

Yu等[12]借助于式（2）～（4）對Masado砂中完全埋置樁的極限側(cè)摩阻力進行了研究，發(fā)現(xiàn)樁-土間摩擦角的降低不一定會導(dǎo)致側(cè)摩阻力臨界值的出現(xiàn)，也不能夠說明貫入過程中臨界深度的存在。Coyle等[27]認為，樁體貫入至假定臨界深度后，單位側(cè)摩阻力繼續(xù)增大，只是增長速率有所減小。Neely[28]認為，對于貫入成層土地基的樁體而言，由于樁身尺寸及沿深度方向土層的變化，臨界深度不容易觀察到，與本次試驗觀察結(jié)果一致。筆者認為，對于室內(nèi)模型試驗及深厚砂土地基中樁側(cè)摩阻力存在臨界深度現(xiàn)象（如Altaee等[3]），但對于貫入成層土地基樁體而言，受單樁尺寸、地層變化影響，側(cè)摩阻力臨界深度現(xiàn)象不一定存在。

4 結(jié) 論

（1）準分布式FBG光纖傳感技術(shù)能夠?qū)Y(jié)構(gòu)物應(yīng)力變化進行實時監(jiān)測，所用傳感器安裝方便，布設(shè)工藝簡單，性能穩(wěn)定，對開口PHC管樁貫入層狀土地基中端阻力及側(cè)摩阻力變化監(jiān)測效果較好，成功地將沉樁阻力沿深度分離為樁側(cè)摩阻力及樁端阻力，為樁體性狀的研究奠定基礎(chǔ)。

（2）樁端土層軟硬程度制約著靜壓樁貫入阻力變化。硬質(zhì)土層界面處試樁壓樁力增長44.36%，端阻力受樁端土性狀影響更為顯著，增長幅度達97.41%，大于側(cè)摩阻力增幅17.92%。樁端未進入硬質(zhì)土層試樁樁身應(yīng)力變化不明顯。

（3）貫入過程中樁身上、下部側(cè)摩阻力發(fā)揮力學(xué)機制不同。貫入初期，試樁樁身上部側(cè)摩阻力受樁體晃動影響較大，單位側(cè)摩阻力平均值約為0.51 MPa；隨著樁體貫入，樁端位于硬質(zhì)土層試樁樁身下部單位側(cè)摩阻力約為2.78 MPa，大于樁端位于非硬質(zhì)土層試樁樁身下部單位側(cè)摩阻力值2.13 MPa。樁身單位側(cè)摩阻力大小體現(xiàn)了樁周土對樁體的直接作用響應(yīng)。

（4）室內(nèi)模型試驗及深厚砂土地基中樁側(cè)摩阻力臨界深度現(xiàn)象明顯。針對本次試驗結(jié)果而言，受樁體尺寸及土層性狀變化影響，側(cè)摩阻力臨界深度現(xiàn)象不存在。

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