基于自動化綜合測試系統(tǒng)的基樁內(nèi)力監(jiān)測與分析

陳港，馮德安，任毅，張由，周偉

（1 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016；2 重慶中土勘測設計有限公司，重慶 404100）

0 引言

基樁內(nèi)力試驗研究分為模型試驗和現(xiàn)場原位試驗， 模型試驗需建立大量的假設條件，而現(xiàn)場原位試驗則更加直接、可靠[1-3]。傳統(tǒng)的現(xiàn)場測試效率較低，費時費力，而自動化綜合測試系統(tǒng)作為一種高精度、高效率的監(jiān)測手段，特別適用于應力應變測試，是一種功能強大的分布式全自動靜態(tài)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由上位機、采集模塊（MCU）、系統(tǒng)軟件及相關配件組成。

本文基于自動化綜合測試系統(tǒng)在工程現(xiàn)場中的實際應用， 通過系統(tǒng)對基樁內(nèi)力數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，基于此，對基樁內(nèi)力規(guī)律及承載性狀進行分析[4]，以期為類似工程實踐提供一定的參考。

1 工程背景

某工程為高層住宅建筑，地上32 層，地下局部1 層，結構形式為剪力墻結構，建筑結構安全等級為二級。 所在地區(qū)抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為標準設防類（丙類）。

根據(jù)工程地勘報告，擬建場地屬巖溶侵蝕剝蝕丘陵地貌，場地上覆土層為素填土和紅黏土，下伏基巖為白云灰?guī)r1、白云質(zhì)灰?guī)r2，白云質(zhì)灰?guī)r2 為場地軟弱層，巖體較破碎。

根據(jù)工程特點、工作條件及相關規(guī)范選取一根基樁進行內(nèi)力監(jiān)測，所監(jiān)測基樁為機械鉆孔灌注樁，樁徑為1800mm，樁長共16.6m，其中進入紅黏土深度為4.2m，進入巖層深度為12.4m。

2 監(jiān)測方案

本次測試與工程施工同步，至工程竣工截止，主要測試樁身的應力、應變，采用鋼弦計進行測量，采取全自動監(jiān)測系統(tǒng)。 系統(tǒng)的測量靈敏度為0.001mm，可集成鋼弦式應變計，達到視線遠程即時采集數(shù)據(jù)目的。 儀器設備如表1 所示，系統(tǒng)照片如圖1 所示。

圖1 自動化綜合測試系統(tǒng)

表1 儀器設備明細表

本次測試沿受試樁深度方向大約每2.5m 設置一個測試斷面，每個斷面埋設兩個鋼弦計，設點位于圓周兩等分點處(直徑)。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 樁身初始應變數(shù)據(jù)分析

如圖2 所示，根據(jù)基樁混凝土澆筑完成后不同時間內(nèi)樁身應變分布可知：

圖2 樁身應變隨時間應變分布圖

（1） 樁身應變均隨著混凝土的凝固成型成為拉應變，且在一定時間內(nèi)隨著齡期增長，拉應變不斷變大，在達到28d 齡期后呈穩(wěn)定狀態(tài)；

（2） 混凝土齡期達到28d 后，樁身應變最大拉應變?yōu)?3με，最小拉應變?yōu)?3με；

（3） 樁身拉應變最大值均出現(xiàn)在樁身中段，其余部位樁身應變較為接近。

分析原因可知，由于混凝土在齡期增長、強度增強階段出現(xiàn)收縮變形，樁身各段均為拉應變；因樁身拉應變最大值均出現(xiàn)在樁身中段，其余部位樁身應變較為接近，由此說明基樁在此工況下樁身自重基本已由側摩阻力消化，拉應變也基本沿樁深度平均分布。

3.2 施工過程中樁身內(nèi)力數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場施工進程，將上部荷載大致分為九個加載階段[5-7]，各階段相關信息如表2 所示。

表2 加載階段信息表

3.2.1 軸力分析

根據(jù)自動化綜合測試系統(tǒng)在施工過程中采集的數(shù)據(jù)，進行整理后，基樁各階段軸力分布圖見圖3。

圖3 基樁各階段軸力分布圖

根據(jù)數(shù)據(jù)采集結果及分布圖可知：

（1） 在上部荷載不斷增加的過程中，基樁樁身軸力也不斷增大，荷載由開始的樁頂不斷向下傳遞，由于側摩阻力的產(chǎn)生，整個樁身的軸力由上至下不斷減小，樁底軸力甚至為零。 由此可見基樁在上部荷載不夠大時，樁底基本不受力；

（2） 在上部所加荷載比較小時，荷載主要由基樁上半部分產(chǎn)生的側摩阻力承擔；隨著荷載不斷增大，基樁樁身荷載及變形不斷向下傳播，樁身下半部分開始參與工作，樁身周邊巖體也開始產(chǎn)生側摩阻力；

（3） 由基樁分布圖可知，其橫坐標為軸力，縱坐標為樁深，分布曲線的斜率與樁周巖土體產(chǎn)生的負摩阻力相關；由于基樁上部土層相較于下部巖層負摩阻力小，分布曲線較陡，斜率相應較大，反之亦然。 故樁身分布曲線的斜率與巖層側摩阻力呈反比。

3.2.2 側摩阻力分析

樁身側摩阻力是樁身相鄰截面軸力差值與樁側表面積之比，對自動化綜合測試系統(tǒng)在施工過程中采集的數(shù)據(jù)進行整理后，基樁各階段側摩阻力分布圖見圖4。

圖4 基樁各階段側摩阻力分布圖

根據(jù)數(shù)據(jù)采集結果及側摩阻力分布圖可知：

（1） 基樁側摩阻力沿樁深度分布不均，由于樁身位移連續(xù)，樁身側摩阻力隨著荷載增大引起的樁土沉降差變化而出現(xiàn)變化，當上部荷載比較小時，樁身上半部分產(chǎn)生的側摩阻力較大；隨著荷載不斷增大， 基樁樁身下半部分產(chǎn)生的側摩阻力開始不斷變大；

（2） 樁身側摩阻力隨著不同加載階段變化出現(xiàn)兩個峰值，第一次峰值出現(xiàn)在4.0m 處，第二次峰值出現(xiàn)在6.5m 處。 對比各樁位地質(zhì)剖面圖可知，當上部荷載比較小時，側摩阻力峰值出現(xiàn)在上部土層中，當上部荷載不斷增大，土層側摩阻力不足以抵消時，巖層側摩阻力開始發(fā)揮作用并超過土層側摩阻力，最終上部巖層側摩阻力首先達到峰值；

（3） 由于樁基承載力設計特征值遠大于現(xiàn)有荷載水平，土層側摩阻力基本呈增長趨勢，而巖層側摩阻力基本呈遞減趨勢。

4 結語

自動化綜合測試系統(tǒng)在工程現(xiàn)場應力應變監(jiān)測中體現(xiàn)出了高精度與高效率的特點，通過測試系統(tǒng)對基樁內(nèi)力數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，得到工程基樁澆筑后及施工過程中基樁內(nèi)力分布主要規(guī)律如下：

（1） 樁基內(nèi)力初始狀態(tài)因混凝土在澆筑后的一段時間內(nèi)呈流塑狀態(tài)， 使得此時基樁上半部分為拉應變， 下半部分為壓應變。 因混凝土在齡期增長、強度增強階段出現(xiàn)收縮變形，樁身各段應變均變?yōu)槔瓚儯?/p>

（2） 在上部荷載不斷增加的過程中，基樁樁身軸力也不斷增大，荷載由開始的樁頂不斷向下傳遞，整個樁身的軸力由上至下不斷減小；樁身側摩阻力隨著不同加載階段變化出現(xiàn)兩個峰值，第一次峰值出現(xiàn)在4.0m 處，第二次峰值出現(xiàn)在6.5m 處；當上部荷載比較小時，側摩阻力峰值出現(xiàn)在上部土層中，當上部荷載不斷增大，巖層側摩阻力開始發(fā)揮作用并超過土層側摩阻力， 最終側摩阻力峰值出現(xiàn)在上部巖層。