分布式光纖在PHC試驗(yàn)樁承載力檢測(cè)的應(yīng)用

林黎陽 牛飛

摘 要：本文采用光纖傳感器結(jié)合靜載的試驗(yàn)方法檢測(cè)PHC樁的樁基承載力，介紹了光纖傳感器的技術(shù)原理及安裝工藝，通過計(jì)算分析可以得到試驗(yàn)樁的軸力、側(cè)摩阻力、端阻力等參數(shù)的變化；并可根據(jù)樁的受力特點(diǎn)指導(dǎo)樁基施工；亦可為沉樁工藝參數(shù)及樁長選擇提供依據(jù)。該技術(shù)在為獲取詳細(xì)承載力參數(shù)的試樁階段有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PHC樁 光纖傳感器 靜載

1.前言

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市化的高速發(fā)展，PHC管樁因其具有承載力高、應(yīng)用范圍廣、沉樁質(zhì)量可靠、工程造價(jià)便宜等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。為創(chuàng)造最大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，合理選擇PHC樁基設(shè)計(jì)方案，充分發(fā)揮PHC樁樁土體系的力學(xué)性能，在PHC樁全面施打之前，選擇試驗(yàn)樁進(jìn)行承載力、軸力、端阻力測(cè)試具有重要意義。單樁抗壓靜載試驗(yàn)是檢測(cè)基樁豎向抗壓承載力最直觀、 最可靠的方法，可將光纖技術(shù)與靜載試驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)而獲取試驗(yàn)樁的軸力、側(cè)摩阻力、端阻力分布狀態(tài)及變化規(guī)律。

基于BOTDR原理的分布式光纖傳感器能夠成功地應(yīng)用于PHC樁的內(nèi)力測(cè)試，不僅能夠測(cè)試樁身的應(yīng)變分布，還可以計(jì)算出樁身內(nèi)力、樁周側(cè)摩阻力及樁端阻力。本文通過測(cè)試埋設(shè)分布式光纖傳感器的PHC樁在靜載試驗(yàn)中樁身應(yīng)變的分布，分析試驗(yàn)樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律及發(fā)展規(guī)律。

2.基本原理及試驗(yàn)方法

2.1光纖技術(shù)原理

2.2數(shù)據(jù)處理

可通過儀器測(cè)得的光纖的軸向壓應(yīng)變?chǔ)牛╖），由于測(cè)試時(shí)光纖固定在樁身混凝土內(nèi)，樁身受荷過程中，光纖產(chǎn)生的軸向變形與樁身混凝土軸向產(chǎn)生的變形一致，因此樁身混凝土的壓應(yīng)變與光纖傳感器的應(yīng)變?chǔ)牛╖）相同 。由此可計(jì)算樁身壓應(yīng)力σ（Z）、樁身軸力Q（Z）、樁側(cè)摩阻力qs（Z）為樁側(cè)分布摩阻力。

2.3光纖傳感器的安裝方案

通過在PHC管樁樁身開槽布設(shè)光纖傳感器，沿管樁呈中心對(duì)稱方式布設(shè)兩條U型回路光纖傳感器，光纖布設(shè)示意圖如圖2所示。涂抹環(huán)氧樹脂膠體填充槽內(nèi)空隙，待環(huán)氧樹脂固化后，光纖傳感器與PHC樁形成一體。對(duì)樁頭、樁尾處接樁部位處光纖穿入5mm鎧裝光纖護(hù)套進(jìn)行保護(hù)，對(duì)土塞不影響的接樁部位，光纖傳感器從樁芯內(nèi)連接穿過，對(duì)土塞能夠影響的接樁部位，光纖傳感器從PHC樁外側(cè)連接通過，在其外面纏繞多層涂有環(huán)氧樹脂膠的玻璃絲布進(jìn)行保護(hù)。

3.工程實(shí)例

3.1工程概況

某在建重力式碼頭工程，該重力式碼頭采用沉箱結(jié)構(gòu)，后方回填中粗砂，回填后采用振沖密實(shí)法處理。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在振沖密實(shí)后的回填砂地基上施打PHC樁，PHC樁直徑為600mm，壁厚130mm，選擇的試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)樁長27m，有上下兩節(jié)樁拼接而成，上節(jié)樁長14m，下節(jié)樁長13m。試驗(yàn)樁貫穿的地層為：中粗砂，中密，層厚22.5m；黏性土混砂，層厚1.0m；中砂，層厚1.7m；強(qiáng)風(fēng)化變粒巖，粗粒結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值9000kPa，巖心呈堅(jiān)硬土狀～半巖半土狀，主要礦物為石英、云母等，局部含風(fēng)化巖塊，該層為樁端持力層。

3.2測(cè)試成果分析

靜荷載試驗(yàn)的 Q—s 曲線的線型是樁身材料或樁周土破壞機(jī)理和破壞模式的宏觀反映，受工程樁條件的限制，本次試驗(yàn)未做到樁土體系極限破壞狀態(tài)。試驗(yàn)樁Q-s，s-lgt曲線如圖3所示，試驗(yàn)加載至5000kN時(shí)，最大總沉降量為15.72mm，殘余沉降量為2.71mm，回彈率為82.8%。在整個(gè)試驗(yàn)過程中樁頂沉降量不大，且Q-S曲線平緩，無明顯陡降段，S-lgt曲線平緩規(guī)則排列；樁身回彈率很大，說明試驗(yàn)樁樁頂沉降量主要由樁身彈性變形引起；試驗(yàn)樁的單樁豎向抗壓靜載極限承載力Qu≥5000kN。

在靜載試驗(yàn)過程中測(cè)得的應(yīng)變分布隨荷載變化關(guān)系如圖4所示，從圖中可以看出：在2號(hào)測(cè)線上下樁接樁部位光纖熔接光損較大，對(duì)2號(hào)測(cè)線測(cè)試數(shù)據(jù)帶來影響。4條應(yīng)變曲線總體變化趨勢(shì)相同，應(yīng)變值從樁頂?shù)綐兜壮蕼p小趨勢(shì)，能夠很好的反映樁身應(yīng)變情況；4條應(yīng)變曲線在部分深度位置發(fā)生較大起伏，與傳感器樁尾彎曲位置及焊接位置相對(duì)應(yīng)。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到最大5000kN時(shí)，4條測(cè)線樁頂應(yīng)變約為630με，樁端應(yīng)變約為300με。比較4條測(cè)線測(cè)試應(yīng)變曲線，1號(hào)和4號(hào)測(cè)線樁頭部位測(cè)試應(yīng)變均大于2號(hào)和3號(hào)測(cè)線，且4號(hào)測(cè)線樁頭應(yīng)變最大；這主要是進(jìn)行樁身荷載時(shí)，存在向1號(hào)和4號(hào)測(cè)線方向偏心荷載作用，且4號(hào)測(cè)線荷載相對(duì)較大。

3.3PHC樁承載測(cè)試分析

通過測(cè)試試驗(yàn)樁在各級(jí)荷載下的應(yīng)變值，計(jì)算試驗(yàn)樁各截面的軸力，試驗(yàn)樁樁身軸力及側(cè)摩阻力分布如圖5所示。從圖中可以看出：隨著試驗(yàn)荷載增大，樁身軸力曲線整體增大；從樁頂?shù)綐兜?，樁身軸力受側(cè)摩阻力作用，樁身軸力隨深度加深不斷減小。在試樁過程中，中粗砂的側(cè)摩阻力穩(wěn)定發(fā)揮，隨著荷載增大，其側(cè)摩阻力整體增大。⑤3粘性土混砂和⑤1中砂側(cè)摩阻力隨著荷載的增大而不斷增大，變化明顯。當(dāng)荷載達(dá)到5000kN時(shí)，所有土層側(cè)摩阻力增長幅度均變??；中粗砂層側(cè)摩阻力趨于平穩(wěn)，增長很小，⑤3粘性土混砂和⑤1中砂側(cè)摩阻力仍增長明顯。繼續(xù)增大荷載，中粗砂層側(cè)摩阻力基本不再增大，主要受力土層的側(cè)摩阻力得到了充分的發(fā)揮，⑤3粘性土混砂和⑤1中砂側(cè)摩阻力仍有增大空間。

試驗(yàn)樁測(cè)試得到的樁端阻力大小和變化趨勢(shì)見表1和圖6。在第一級(jí)荷載（1000kN）作用時(shí)，樁端阻力很小，樁身荷載主要由樁身側(cè)摩阻力提供。從第二級(jí)荷載開始（1500kN），樁端阻力迅速增長，開始發(fā)揮樁身荷載持力主要作用。當(dāng)荷載達(dá)到5000 kN，樁端荷載達(dá)到總荷載的54%，該樁按受力特點(diǎn)可判定為摩擦端承樁；樁端阻力計(jì)算值達(dá)到9576.32kN，為樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值的106%，樁端阻力已接近樁端極限值，樁端阻力已充分發(fā)揮。

4.結(jié)論

采用光纖傳感器結(jié)合靜載試驗(yàn)的方法，獲得樁側(cè)摩阻力的分布規(guī)律及發(fā)展規(guī)律，可得出以下結(jié)論：

（1）4條應(yīng)變曲線總體變化趨勢(shì)相同，應(yīng)變值從樁頂?shù)綐兜壮蕼p小趨勢(shì)，能夠很好的反映樁身應(yīng)變情況；4條應(yīng)變曲線在部分深度位置發(fā)生較大起伏，與傳感器樁尾彎曲位置及焊接位置相對(duì)應(yīng)。通過計(jì)算分析獲得樁身軸力、側(cè)摩阻力、樁端阻力的分布規(guī)律。

（2）當(dāng)荷載達(dá)到最大試驗(yàn)荷載時(shí)，所有土層側(cè)摩阻力增長幅度均變小；中粗砂層側(cè)摩阻力趨于平穩(wěn)，增長很小，主要受力土層的側(cè)摩阻力得到了充分的發(fā)揮。

（3）當(dāng)荷載達(dá)到最大試驗(yàn)荷載時(shí)，樁端荷載達(dá)到總荷載的54%，該樁按受力特點(diǎn)可判定為摩擦端承樁；樁端阻力計(jì)算值達(dá)到9576.32kN，為樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值的106%，樁端阻力已接近樁端極限值，樁端阻力已充分發(fā)揮。

（4）PHC樁方案經(jīng)濟(jì)合理，當(dāng)荷載達(dá)到最大試驗(yàn)荷載時(shí)，樁的側(cè)摩阻力及樁端阻力均得到了充分的發(fā)揮，因試驗(yàn)樁以樁端受力為主，在沉樁過程中應(yīng)保證樁端進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化變粒巖。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏廣慶，施斌，賈建勛，等.分布式光纖傳感技術(shù)在預(yù)制樁基樁內(nèi)力測(cè)試中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009，31（6）：911-916.

[2]李睿，高原，周煦，等.分布式光纖感測(cè)技術(shù)在成都地區(qū)旋挖成孔灌注樁樁身內(nèi)力測(cè)試中的應(yīng)用[J].四川建筑，2017，37（3）：163-166.

[3]劉晶晶，李叢.分布式光纖在樁基靜載試驗(yàn)中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2010， 40： 73-76.

[4]KURASHIMA Toshio，HORIGUCHI Tsuneo， IZUMITA Hisashi. Brillouin optical-fiber time domain reflectometry [J]. IEICE TRANS COMMUN，1993（4）：382-390.

[5]中華人民共和國交通部.JTS 255-2002，港口工程樁基靜載荷試驗(yàn)規(guī)程.北京：人民交通出版社，2002.