基于BOTDA光纖傳感技術(shù)的螺旋擠土灌注樁承載特性現(xiàn)場試驗

劉 波，席培勝，郭 楊，章定文

基于BOTDA光纖傳感技術(shù)的螺旋擠土灌注樁承載特性現(xiàn)場試驗

劉 波1,2，席培勝3，郭 楊4，章定文1,2

(1.東南大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京，210096；2.江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室，江蘇南京，210096；3.建筑健康監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，安徽合肥，230601；4.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽合肥，230031)

為了研究螺旋擠土灌注樁(SDS樁)的荷載傳遞規(guī)律及承載特性，將基于布里淵光時域分析(BOTDA)原理的光纖傳感技術(shù)用于螺旋擠土灌注樁樁基檢測，在某工地進行現(xiàn)場試驗，測得試樁加載過程中的樁身應(yīng)變，進而得出樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力，并與同一場地內(nèi)長螺旋灌注樁(CFA樁)的測試結(jié)果進行對比分析。研究結(jié)果表明：分布式光纖測量可以方便地獲取樁體的荷載傳遞規(guī)律；同一樁頂荷載等級下，SDS樁樁端阻力比CFA樁的小，達到極限荷載時，樁端阻力約占總荷載的8%，設(shè)計時SDS樁可按摩擦樁或端承摩擦樁考慮；相同樁體參數(shù)和地層條件下，與CFA樁相比，SDS樁的極限承載力提高了約67%，相同樁頂荷載作用下，樁體沉降也比CFA樁的小；SDS樁成樁過程中通過樁周土體的物理擠密和應(yīng)力狀態(tài)的改變促進了側(cè)摩阻力的大幅提高，從而承載力得到顯著提升。

螺旋擠土灌注樁；分布式光纖；布里淵光時域分析；荷載傳遞；承載力

螺旋擠土灌注樁(soildisplacementscrew，SDS)是一種新型完全擠土型樁[1?2]。施工時，通過鉆機給螺旋擠擴鉆頭施加扭矩和壓力，使鉆頭在下旋過程中將樁孔中的土體完全擠入樁周，然后通過中空鉆桿向樁孔中灌注混凝土，最終形成圓柱形樁體[3]。由于該樁型兼具技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)保等優(yōu)勢，目前已在我國推廣運用[4?6]。研發(fā)人員先后就螺旋擠土灌注樁的鉆頭設(shè)計、成孔原理、鉆機研制等方面進行了一系列室內(nèi)模型試驗[7?10]、數(shù)值仿真分析[11?13]和現(xiàn)場試驗[14?16]。就現(xiàn)場試驗而言，為了研究樁身荷載傳遞規(guī)律，常規(guī)方法均是在樁內(nèi)鋼筋籠上埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計，或者在PVC測管上粘貼電阻應(yīng)變片，待灌漿結(jié)束后立即插入樁身中，后期通過人工采集數(shù)據(jù)。然而，這些常規(guī)的電測試傳感器由于壽命短、成活率低、穩(wěn)定性差、點式測量、破壞結(jié)構(gòu)完整性等缺點，難以滿足全尺度精確測量的需要[17?18]。目前，樁基工程檢測技術(shù)正從傳統(tǒng)點式傳感器檢測向分布式、自動化、高精度檢測發(fā)展[19?20]。近年來興起的分布式光纖傳感技術(shù)因具有體積小、質(zhì)量輕、靈敏度高、測試距離長、抗電磁干擾、防水、耐腐蝕等諸多優(yōu)點，目前已在建筑、橋梁、樁基礎(chǔ)、隧道等監(jiān)測中得到了廣泛運用[21?24]。本文作者在介紹布里淵光時域分析技術(shù)(brillouin optical time domain analysis，BOTDA)測試原理的基礎(chǔ)上，依托某實際工程，運用分布式光纖代替鋼筋應(yīng)力計和電阻應(yīng)變片，測得SDS樁加載過程中的樁身應(yīng)變，進而得出樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，研究其荷載傳遞規(guī)律和承載特性，并與同一場地內(nèi)的長螺旋灌注樁(continuous flightauger，CFA)測試結(jié)果進行對比分析，為促進SDS樁推廣運用及后期規(guī)程制定積累了經(jīng)驗。

1 測試原理與室內(nèi)試驗驗證

1.1 BOTDA測試原理

光在光纖中傳播時，由于光纖材料不均勻等因素，一部分光將偏離原來的傳播方向而產(chǎn)生散射現(xiàn)象，其中瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射是主要的3種。布里淵散射引起的布里淵頻移Bν與散射媒介聲速av成比例關(guān)系：

式中：n為光纖折射率；0λ為光的波長。聲速av與光纖密度直接有關(guān)，而光纖密度取決于溫度和應(yīng)變。因此，布里淵頻移取決于光纖局部溫度和應(yīng)變，其測量結(jié)果也就反映了光纖的溫度和應(yīng)變信息。

通過測量光纖中布里淵散射光的頻移即可得到光纖沿線溫度和應(yīng)變信息[25?26]，布里淵頻移與光纖溫度和應(yīng)變的關(guān)系為

式中：T為光纖溫度；νB(ε,T)為光纖應(yīng)變?yōu)棣?、溫度為T時的布里淵頻移；νB(0,T0)為光纖初始應(yīng)變?yōu)?，初始溫度為T0時的布里淵頻移；Cε為應(yīng)變影響系數(shù)，Cε=?νB(ε)/?ε；CT為溫度影響系數(shù)，CT=?νB(T)/? T，ε為光纖應(yīng)變。

由式(2)可求得光纖的應(yīng)變：

由于光纖固定在樁身混凝土內(nèi)，認為樁頂壓力作用下光纖與樁身混凝土變形一致，即認為由式(3)求得的應(yīng)變就是樁身應(yīng)變。此時，樁身軸力和側(cè)摩阻力可分別由式(4)和式(5)求得：

式中：iQ為樁身第i截面軸力；iε為樁身第i截面處的應(yīng)變；Eij為在j級樁頂荷載下第i截面彈性模量；A為樁身截面積；siq為樁身第i截面與第i+1截面間的側(cè)摩阻力；U為樁身截面周長；Li為第i截面與第i+1截面間距。

應(yīng)用BOTDA技術(shù)對SDS樁進行分布式檢測的工作原理就是先將光纖平順地布設(shè)在鋼筋籠兩側(cè)的主筋上，待灌漿結(jié)束后立即把鋼筋籠沉入樁孔中，靜載荷試驗時，利用光纖和周圍鋼筋混凝土的協(xié)調(diào)變形，用BOTDA檢測系統(tǒng)對分布在樁長范圍內(nèi)的光纖應(yīng)變信息進行檢測，進而根據(jù)上述相關(guān)公式求得樁身軸力、側(cè)摩阻力和端阻力等。

1.2 可行性室內(nèi)試驗驗證

為了驗證光纖傳感技術(shù)在樁基檢測中的適用性，現(xiàn)場測試前在室內(nèi)進行了拉伸試驗。試驗選取一根鋼管，在鋼管一側(cè)粘貼分布式光纖，在另一側(cè)粘貼電阻應(yīng)變片，然后對比拉力作用下這2種方式測得的應(yīng)變。

鋼管拉伸應(yīng)變測試值如圖1所示。由圖1可見：分布式光纖與電阻應(yīng)變片測得的應(yīng)變基本吻合，由于應(yīng)變片是點式測量，所測得的數(shù)值波動性略大于光纖；由于光纖外包層使內(nèi)部纖芯不能直接與鋼管接觸，鋼管變形與纖芯的變形不能同步[27]，因此光纖測得的應(yīng)變略小于同級拉力下應(yīng)變片測得的應(yīng)變。但測樁時，光纖全部埋設(shè)于樁體內(nèi)，與樁體的協(xié)調(diào)變形較好，且樁體軸向加載遠大于實驗室內(nèi)加載，這種影響基本可以忽略。試驗結(jié)果證明，用分布式光纖代替應(yīng)變片進行樁基檢測是可行的。

圖1 鋼管拉伸應(yīng)變測試值Fig.1 Measured strain of steel pile

2 光纖鋪設(shè)與系統(tǒng)參數(shù)

2.1 光纖鋪設(shè)工藝

光纖既是傳感元件又是傳輸介質(zhì)，它的鋪設(shè)好壞直接影響測試結(jié)果。在參考傳統(tǒng)鉆孔灌注樁光纖布設(shè)工藝[28]的基礎(chǔ)上，考慮SDS樁施工特點，采用如下鋪設(shè)工藝：光纖選取上，考慮SDS樁是先灌漿后沉入鋼筋籠，為了避免沉入鋼筋籠時樁孔中的混凝土刮擦光纖及下沉阻力造成光纖損壞，本次試驗采用外徑5.0 mm的金屬基索狀應(yīng)變傳感光纖，如圖2所示；從樁頂?shù)綐兜?，在鋼筋籠對稱的2根主筋上以每隔50 cm的間距，用綁扎帶將光纖定點固定在鋼筋上，在樁底附近進行局部加密；為了確保光纖平順、鉛直埋入樁體中，固定時給光纖施加一定的拉力；由于BOTDA技術(shù)要求光纖形成閉合回路，故鋪設(shè)在鋼筋籠上的光纖呈U字形，U字形底部通過在鋼筋籠左右兩根主筋間焊接一個鋼筋圓環(huán)，光纖沿鋼筋圓環(huán)彎拐180°后由樁底返回樁頂，并用軟塑料套管對U字形底部光纖進行保護；在樁頂預(yù)留一定長度光纖以便測試時接入BOTDA檢測設(shè)備，為了防止后期樁頭處理對光纖造成損壞，也用軟塑料套管對樁頂預(yù)留的光纖進行了保護。最終形成的BOTDA分布式光纖量測系統(tǒng)如圖3所示。需要指出的是，由于U字形底部光纖離鋼筋籠底還有一段距離，故實測樁長略小于設(shè)計樁長。

圖2 光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of optical fiber

圖3 BOTDA分布式光纖量測系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of optical fibermeasurementsystem

2.2 系統(tǒng)參數(shù)

本次試驗采用的檢測設(shè)備是瑞士Omnisens公司生產(chǎn)的DITESTSTA-R系統(tǒng)，最大測量值為50 km，布里淵頻移范圍10～13GHz，分辨率0.3MHz；應(yīng)變測量范圍?3%～3%(?30 000με～30 000με)，分辨率2 με；根據(jù)光線材質(zhì)的不同，溫度測量范圍?273～700℃，分辨率0.1℃；儀器采樣間距0.1m。

3 現(xiàn)場試驗概況

3.1 場地條件

試驗場地為某安置房工程建設(shè)工地，宏觀地貌單元為沖積平原，微地貌單元為河漫灘，場地上部為新近回填及堆積層，下部由第四紀沖積物堆積構(gòu)成，場地內(nèi)土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。樁長范圍內(nèi)的地下水主要為潛水，分布于粉土層中，埋深于自然地面下2.3～3.3m，通過大氣降水和地表徑流補給，由大氣蒸發(fā)排泄，隨季節(jié)性變化較大。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)Table1 Parametersof soil in test filed

根據(jù)不同建筑功能，場地范圍內(nèi)擬采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁)、長螺旋鉆孔灌注樁(CFA樁)和雙向螺旋擠土灌注樁(SDS樁)3種樁型。為掌握該場地內(nèi)SDS樁荷載傳遞規(guī)律、承載特性及后期樁型比選，分別對SDS樁和CFA樁進行現(xiàn)場靜載荷試驗，并用分布式光纖測得了試樁加載過程中的樁身應(yīng)變，進而得到樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和端阻力等，分析了2種樁型之間的異同。

用于試驗的SDS樁和CFA樁樁徑均為400mm，樁長均為9m，樁體混凝土等級均為C35，樁端進入粉質(zhì)黏土層。

3.2 測試方法

BOTDA分布式光纖對樁的檢測過程與樁的靜載荷試驗同步進行。加載前先對樁身進行初值測量獲得初始值，之后每加一級荷載穩(wěn)定后、下一級荷載施加前，對傳感光纖檢測2次，以降低測量誤差，如此往復(fù)直至加載結(jié)束。

數(shù)據(jù)處理時，取每級荷載下2次檢測的平均值作為該級荷載下最終檢測值，該值與初始值之差再經(jīng)一系列換算后即為該級荷載下的樁身實際應(yīng)變。

4 試驗結(jié)果分析與討論

4.1 樁身應(yīng)變

圖4 SDS樁樁身應(yīng)變測試曲線Fig.4 Measured strain curvesof SDS pile

圖5 CFA樁樁身應(yīng)變測試曲線Fig.5 Measured strain curvesof CFA pile

通過預(yù)埋的分布式光纖測得的SDS樁和CFA樁樁身應(yīng)變分布曲線如圖4和圖5所示。可見：樁體內(nèi)光纖應(yīng)變分布特征明顯區(qū)別于樁體外自然狀態(tài)下光纖應(yīng)變特征，樁體內(nèi)部兩側(cè)光纖大致呈對稱分布，且隨著荷載等級的增加光纖壓應(yīng)變逐漸增大，樁體外光纖的應(yīng)變在0左右波動?？赡苡捎赟DS樁靜載試驗時千斤頂合力中心未與樁的橫截面形心重合，即存在偏心問題，造成樁身一側(cè)的光纖應(yīng)變大于另一側(cè)。信號噪聲和樁身材料的不均勻也使曲線不是完全平順，呈現(xiàn)鋸齒形波動。為了降低這些影響，在計算樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及端阻力前采用相鄰平均法對曲線進行平滑處理。

4.2 荷載傳遞規(guī)律

圖6和圖7所示分別為SDS樁和CFA樁樁身軸力和側(cè)摩阻力分布圖，其中側(cè)摩阻力以土層上、下分界面之間的平均側(cè)摩阻力表示。由圖6和圖7可見：SDS樁和CFA樁樁身軸力隨著樁頂荷載等級的增大而增大，在同一級荷載下，軸力從上向下傳遞，軸力隨樁體埋深的增加逐漸降低。樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮與土層性質(zhì)密切相關(guān)，標貫擊數(shù)越大，土層越致密，所提供的側(cè)摩阻力越大。分析SDS樁側(cè)摩阻力圖，隨著荷載等級的增加，側(cè)摩阻力逐漸增大，當荷載等級增加至840 kN時，尚未達到極限側(cè)摩阻力；而對于CFA樁，除5.5～8.5m段出現(xiàn)異常外，當樁頂荷載等級達到560 kN時，樁側(cè)摩阻力不再增加反而有所減小，即此時側(cè)摩阻力已達到了極限值。可見，對于同一性質(zhì)的土層，SDS樁可以提供比CFA樁更大的側(cè)摩阻力。

圖6 SDS樁樁身軸力與側(cè)摩阻力分布圖Fig.6 Diagram of axial forceand side friction of SDSpile

圖7 CFA樁樁身軸力與側(cè)摩阻力分布圖Fig.7 Diagram of axial forceand side friction of CFA pile

表2和表3所示分別為不同荷載等級時SDS樁和CFA樁的樁端阻力?？梢姡弘S著樁頂荷載增加，樁端阻力隨之上升；同級荷載下，SDS樁的樁端阻力及其所占總荷載比例均比CFA樁的小，這說明SDS樁的側(cè)阻力發(fā)揮的比CFA樁要多。樁頂荷載等級為840 kN時，SDS樁端阻力達532.83 kPa(69.27 kN)，占總荷載比例為8.25%，樁頂荷載主要由側(cè)摩阻力承擔，因此SDS樁為端承摩擦樁。

4.3 極限承載力

現(xiàn)場靜載荷試驗采用慢速維持荷載法逐級加載，分級荷載為140 kN，第1級荷載為280 kN。圖8和圖9所示分別為現(xiàn)場測得的SDS樁和CFA樁的載荷Q?沉降s曲線及s?t lg曲線?？梢姡篠DS樁的Q?s曲線為緩變型，CFA樁的Q?s曲線為陡變型，當樁頂荷載同為280 kN時，SDS樁和CFA樁樁頂沉降分別為2.54 mm和3.60mm，SDS樁樁頂沉降減小約42%；當樁頂荷載同為420 kN時，SDS樁和CFA樁樁頂沉降分別為4.48mm和8.5mm，SDS樁樁頂沉降降低了約90%；當樁頂荷載同為560 kN時，SDS樁樁頂沉降為8mm，而CFA樁樁頂沉降突然增加至31.48mm。根據(jù)JGJ106—2014“建筑基樁技術(shù)檢測規(guī)范”的規(guī)定，結(jié)合s?t lg曲線可以判斷，SDS樁的極限承載力為700 kN，CFA樁的極限承載力為420 kN，SDS樁的承載力比CFA樁的承載力提高了約67%。

表2 SDS樁樁端阻力Table2 Tip resistance of SDS pile

表3 CFA樁樁端阻力Table3 Tip resistance of CFA pile

圖8 SDS樁Q?s曲線和s?t lg曲線Fig.8 Q?s and s?t lg curvesof SDS pile

圖9 CFA樁Q?s曲線和s?t lg曲線Fig.9 Q?s and s?t lg curves of SDSpile

4.4 討論

與SDS樁相比，CFA樁表現(xiàn)出的技術(shù)優(yōu)勢可從其成樁工藝上進行解釋。SDS樁施工時，螺旋擠擴鉆頭下旋成孔，孔中原有的土體被擠到樁孔周圍而很少從地表排出，使樁周土體被大大擠密，由靜止土壓力(K0)狀態(tài)向被動土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)化，徑向水平應(yīng)力大幅躍升，因此樁側(cè)摩阻力顯著提高。而CFA樁施工時，鉆孔出土卸荷使樁孔側(cè)壁土體產(chǎn)生應(yīng)力松弛，由K0狀態(tài)向主動土壓力狀態(tài)轉(zhuǎn)變，土體密度減小，摩阻力降低。樁側(cè)摩阻力的大幅提高是SDS樁比CFA樁獲得更高承載力的主要原因。

5 結(jié)論

1)基于BOTDA原理的光纖傳感技術(shù)具有分布式、長距離、高精度等優(yōu)點，用于SDS樁檢測可以方便地獲取樁身應(yīng)變、樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，從而掌握荷載傳遞規(guī)律。

2)SDS樁主要由樁側(cè)摩阻力承擔上部荷載，達到極限荷載時，樁端承擔的荷載約為總荷載的8%，設(shè)計時可視為摩擦樁或端承摩擦樁。

3)SDS樁的承載性能相比CFA樁有很大改善，同一直徑、同一樁長、同一地層條件下的SDS樁比CFA樁極限承載能力可提高約67%。

4)SDS樁成樁過程中的擠土正效應(yīng)促進了樁周土體物理力學(xué)性能的改善和應(yīng)力水平的提高，從而使樁側(cè)摩阻力得到顯著提升，這是SDS樁承載變形性能優(yōu)于CFA樁的主要原因。

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(編輯 趙俊)

Field test study of soildisp lacement screw pileusing distributed optical fiber based on BOTDA technique

LIU Bo1,2,XIPeisheng3,GUOYang4,ZHANG Dingwen1,2

(1.Institute of geotechnical engineering,SoutheastUniversity,Nanjing 210096,China; 2.Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety,Nanjing,210096,China; 3.State and Local Joint Engineering Laboratory of Structure Health Monitoring and Disaster prevention, Hefei230601,China; 4.Anhui Institute of Building Research&Design,Hefei230031,China)

In order to investigate the load transfermechanism s and bearing behavior of soil displacement screw(SDS) pile,a field full-scale testw as carried out by BOTDA-based optical fiber sensing technique through embedding optical fiber in piles to detect the pile strain distribution under loading.Then the axial force,the side friction and the tip resistance of SDS pilewere also analyzed.Thebearing behavior of SDS pilewasalso compared w ith thatof continuous flight auger(CFA)pile constructed in the same test field.The results indicate that distributed optical fibermonitoringcan conveniently obtain load transfermechanisms of piles.The tip resistance of SDSpile is smaller than thatof CFA pile under the same load app lied on the pile top,and the tip resistance of SDS pile accounts for about 8%of the w hole load when reaching the ultimate bearing capacity,which im plies that SDS pile can be considered as friction pile or end bearing friction pile in the design.Theultimate bearing capacity of SDSpile can be increased by 67%comparedw ith thatof CFA pile w ith the same pile parameters and soil conditions.The positive soil compacting effect induced by drilling construction leads to the increase of stress level,which promotes the side friction and therefore improves the bearing capacity of SDS pile.

soil displacementscrew pile;distributed optical fiber;BOTDA;load transfer;bearing capacity

TU473

A

1672?7207(2017)03?0779?08

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.028

2016?03?21；

2016?06?29

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2242014R30020)；江蘇省高校“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師培養(yǎng)對象資助項目(2014)(Project(2242014R30020)supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities;Project(2014)supported by Personnel Training Fund for Outstanding Young Teacherof Qinglan Project of Higher Education in Jiangsu Province)

章定文，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事交通巖土工程和環(huán)境巖土工程研究；E-mail:zhangdw@seu.edu.cn