内力测量新技术在灌注桩试验中的应用研究

杨 雄，何忠意，齐昌广

(1. 广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663；2.宁波大学 建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211)

内力测量新技术在灌注桩试验中的应用研究

杨 雄1，何忠意1，齐昌广2

(1. 广东天信电力工程检测有限公司，广东 广州 510663；2.宁波大学 建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211)

在灌注桩试验中，引入钻孔数字测井系统和滑动测微原理相结合的新技术，用于成孔质量检测和桩基内力测量。在竖向静载试验中，根据钻孔数字测井系统所得的孔径实测数据，对滑动测微计的应变实测值进行断面修正，通过进行回归光滑处理，得到了弹性模量随应变量级之间的关系，从而能够计算出每级荷载下的桩身轴力、桩侧摩阻力以及桩端阻力；在水平静载试验中，以滑动测微计的应变实测值为基础，通过分析迎力面拉应变曲线和背力面压应变曲线，求得了最大弯矩点以及极限水平荷载值。

岩土工程；静载试验；钻孔数字测井；滑动测微；内力测量；成孔质量检测

在常规桩基内力测量技术中，通常借助埋设钢筋计、电阻应变片、测杆应变计等元件来测出在桩顶荷载作用下的桩身轴力沿桩深的分布，从而计算桩周土侧阻力及端阻力。但由于上述测试元件与介质之间无法做到理想匹配以及电测元件零点飘移，且受混凝土凝固硬化的影响较大，因此，所得实测结果误差较大。即使测量结果较可靠，也只能代表测点处的应变值，两点之间的变形只能推断，是一种典型的点法监测。这种点法监测仅仅反映了元件所在点位的应变信息，具有很大的局陷性。另外，对于钻孔或冲孔灌注桩，桩身成孔孔径沿轴向分布有很大偏差，常规内力测量并未完全考虑到如何消除孔径不均匀性和畸点的影响[1-5]。

鉴于此，笔者依托珠海横琴多联供燃气能源站大型桩基试验，引入滑动测微计线法监测。将钻孔数字测井系统、线法监测滑动测微法应用到深厚软土场地大型试验桩内力测量中。同时借助钻孔数字测井系统测孔分析深厚软土场地冲孔灌注桩成孔桩径-深度变化关系，为内力测量提供孔径断面修正数据。通过滑动测微计桩身应变数据，分析弹性模量随应变量级之间的关系。在竖向静载试验中，根据相应测段实测孔径对实测应变进行断面修正，计算出轴向力和摩阻力，分析出每级荷载下摩阻力，端阻力等静力试桩所需的全部参数。在水平静载试验中，分析水平静载试验时的应变测试数据，根据背力面压应变曲线和迎力面拉应变曲线，确定最大弯矩点以及极限水平荷载值。

1 内力测量新技术

引入的内力测量新技术是钻孔数字测井系统和滑动测微技术的结合，特别适用于灌注桩的内力测量中。

1.1 钻孔数字测井系统

文中所用的测井系统是GZ-2S型灌注桩钻孔数字测井系统，见图1。该系统是一种触探式测试仪[6-7]，由GZ-2S型灌注桩钻孔数字测井仪、井径仪、DJ0265型测井绞车等构成。

图1 钻孔数字测井系统Fig.1 System of bore-forming digital logging

GZ-2S型灌注桩钻孔数字测井系统可测孔径、垂直度及沉渣，孔深测试一般与孔径测试同时进行。用于孔径测试的测头前端有四条测腿，如测腿可在弹簧和外力作用下自动张开、合拢，测头放入孔底后，张开的测腿以一定的压力与孔壁接触，测腿的张开角度随着孔径的变化而变化。伞形孔径仪通过在测头上安装的电路将孔径值转化为电信号，由电缆将电信号送传到地面，根据接收、记录的电信号值计算或直接绘出孔径。

1.2 滑动测微技术原理

20世纪80年代初，由瑞士联邦苏黎世综合科技大学Kovari教授等人提出线法监测原理及滑动测微技术，并发明了滑动测微计，见图2[8]。其主体为一个标距1 m、两端带有球形测头的探头，内装一个LVDT位移计和一个NTC温度计。为了测定测线上的应变和温度分布，沿测线每隔一米安置一个具有精确定位功能的锥形环，环间用HPVC管相连。测试时将滑动测微计探头放入测管中，即可依次测量相邻环之间的位移，从而换算成测线方向上的应变。

图2 滑动测微计构造Fig.2 Structural diagram of sliding micrometer

相比传统的内力测量方法，滑动测微新技术具有以下特点[9-13]：

1)能连续测定标距为1 m的桩身平均应变，分辨率高(10-3mm)，能够反映桩身任何部位微小变形。

2)在桩内埋设套管和测环，用一个探头测量，简单可靠，不易损坏，而且探头可以在铟钢制标定筒内进行标定，筒体温度系数仅为2×10-6/℃，可有效地修正零点漂移，适用于长期观测。

3)所用的探头具有温度自补偿功能，温度系数小于2×10-6/℃，并且附有一个分辨率为0.1℃的温度计，可随时监测测段温度，可区分温度应变及应力导致的应变。

4)在每根桩中可以预埋两根甚至多根测线，可以测定垂直加载时桩身平均应变及水平加载时的应变差，可计算挠度曲线。

2 现场试验

2.1 工程概况

珠海横琴多联供燃气能源站项目(下称能源站项目)首期(2×390 MW级)工程场地位于珠江入海口，属河口三角洲冲积平原边缘。覆盖层主要由第四系全新统人工冲填土层、海陆交互相沉积层和残积层组成。本场地内淤泥、淤泥质土层属全新统滨海型软土。全厂区均分布有较厚的淤泥、淤泥质土层厚度大，厚度范围8.2～42.1 m，平均厚度26.3 m。本项目现场试验3根冲孔灌注桩(桩号编为S1，S2，S3)，试验桩基的设计直径1 000 mm，预估单桩抗压承载力特征值5 000 kN。试验设计桩长S1桩46 m、S2桩46.1 m、S3桩40.4 m，混凝土强度等级为C35。

2.2 试验内容及方法

2.2.1 成孔质量测试

在本试验中，对S1，S2，S3号桩成孔后均采用GZ-2S型灌注桩钻孔数字测井系统，对灌注桩钻孔的深度、垂直度、孔径等参数进行测量。

2.2.2 竖向抗压及水平静载试验

竖向抗压静载试验加荷方式采用慢速维持荷载法，最大加载量为预估单桩抗压承载力特征值的2.2倍，即11 000 kN；水平抗压静载试验加荷方式采用单向多循环加载法，试验不得中间停顿，竖向抗压及水平静载试验的具体操作参照DBJ15-60—2008《建筑地基基础检测规范》。

2.2.3 内力测量试验

每根桩放置钢筋笼前将2根滑动测微计测管和测环(每隔1 m安装一个测环)连接好，然后牢固地绑扎在钢筋笼主筋上，见图3。将2根测管平行放置在试桩的中心线上，并与水平推力方向一致。待成孔完毕后，将钢筋笼吊放入钻孔中(注意摆正测管的位置)，然后浇注混凝土。

图3 滑动测微计测管和测环的设置Fig.3 Layout of measuring tubes and measuring rings of sliding micrometer

采用滑动测微计测试前后，对探头采用球锥定位原理来测量测管上的标记和校准，保证其测量精度和稳定性。加载前自上而下及自下而上二次测定每条试管中的初始读数，以保证测试精度。每级荷载稳定后测定相应读数，其差值即为各级荷载下每一测段的应变值。

对竖向抗压静载试验时的应变测试数据进行处理，计算相应测段的平均应变。依据各级荷载下的桩顶应变或回归处理后的零点应变可计算弹性模量随应变量级的变化规律。绘制弹性模量-应变(E-ε)关系曲线并进行拟合。在计算桩身轴力和桩侧摩阻力时采用不同的弹性模量。

在深厚软土地区，实际冲孔灌注桩由于施工工艺的原因，其截面积往往变化较大。为了消除桩身截面积变化对桩-土体系荷载传递特性的影响，将实测试验桩孔径的变化归一化到桩身平均截面积。另外由于桩身应变受混凝土弹性模量、桩身截面积、测管埋设质量以及仪器误差的影响，会产生一定的测试误差，不能直接用于摩阻力分析，要对实测曲线进行修正平滑处理。一般采用多项式或者约束样条拟合法对应变曲线修正。计算出轴向力和摩阻力，绘制桩身轴力-深度关系曲线以及桩侧摩阻力-深度关系曲线。

3 试验结果分析

3.1 成孔孔径测试结果分析

图4描述的是采用GZ-2S型灌注桩钻孔数字测井系统测量的S1～S3试验桩成孔后孔径-深度变化关系曲线。

图4 S1～S3试验桩孔径-深度变化关系曲线Fig.4 Relationship curves between bore diameter and depth ofS1～S3 tested piles

由图4分析可知，由于场地所处区域，软土层较深厚，S1～S3桩扩径明显，各试验桩的孔径分析如下：

1)S1桩上部(6～7 m)出现孔径最大值为1 332 mm；中部较均匀，孔径约为1 200 mm，27～32 m扩径明显，孔径约为1 300 mm；下部孔径正常，约为1 150 mm；最小孔径出现在孔底，为966 mm。整孔平均孔径为1 178 mm;

2)S2桩上部(10～20 m)扩径较大，孔径值约为1 250 mm；中部(20～25 m)孔径较均匀，孔径值约为1 130 mm，最小孔径值为1 119 mm，出现在21 m处；下部(25～36 m)扩径较大，孔径值约为1 300 mm；底部(43～45 m)有扩径，最大孔径值出现在45 m处，孔径为1 393 mm。整孔平均孔径为1 223 mm;

3)S3桩上部(8～18 m)扩径较大，孔径值约为1 290 mm；中部(20～25 m)扩径较小，孔径值约为1 150 mm；中部(25～31 m)扩径较大，孔径值约为1 300 mm，最大孔径值出现在27 m附近，孔径为1 340 mm；下部较均匀，孔径值约为1 200 mm；最小孔径值为1 044 mm(出现在孔底)。整孔平均孔径为1 217 mm。

3.2 静载试验结果分析

静载试验与内力测量结果以S2试验桩的试验数据为例,进行分析探讨。

3.2.1 竖向抗压静载试验

图5描述的是S2桩竖向静载试验Q-s及logt-s关系曲线。从图5中可以看出，S2桩竖向静载试验过程中，总加载量为11 000 kN，总沉降量为16 mm，残余沉降量为1 mm，Q-s曲线平缓，无明显陡降段，logt-s曲线呈平缓规则排列。综上，该桩极限承载力为Qu≥11 000 kN，承载力特征值为5 500 kN。

图5 S2桩竖向静载试验的 Q-s及 s-t曲线Fig.5 Curves of Q-s and s-t of S2 pile in vertical static load test

3.2.2 水平抗压静载试验

图6描述的是S2桩水平静载试验H-t-Y0曲线及H-ΔY0/ΔH关系曲线。S2试桩水平静载试验总加载量为525 kN，最大位移量为46 mm，残余位移量为25.32 mm，位移量较大；H-ΔY0/ΔH曲线临界荷载点不明显，在420 kN荷载作用下，H-ΔY0/ΔH曲线出现极限荷载点。内力测量所得最大弯矩点处钢筋拉应力曲线临界荷载点不明显，在420 kN荷载作用下出现极限荷载点。该桩的水平临界荷载点不明显，水平极限承载力Hu=420 kN。

图6 S2桩水平静载试验的H-t-Y0和H-ΔY0/ΔH曲线Fig.6 Curves of H-t-Y0 and H-ΔY0/ΔH of S2 pile in horizontal static load test

3.3 内力测量结果分析

3.3.1 应变的断面修正

将实测试验桩孔径的变化归一化到桩身平均截面，即采用实测孔径与平均孔径之比的平方作为应变修正系数，将此系数乘以相应测得的实测值，其结果即为经过断面修正的应变[6]。然后采用4次多项式曲线拟合法对应变曲线回归。图7为经过断面修正并回归后的应变-深度关系曲线，同时由回归应变曲线得到了零点处的应变，断面修正与回归分析能消除桩径不均匀与畸点影响，使得试验的应变更有规律。

图7 S2桩孔径修正回归后的应变-深度关系曲线Fig.7 Relationship between strain and depth after bore diameter correction and regression of S2 pile

3.3.2 平均弹性模量

混凝土的应力-应变关系在超过一定的应力水平后呈现出非线性特性，其弹性模量将随应变或轴力的增加而降低。为了得到符合实际的桩身轴力，应对桩身弹性模量进行校正。利用有限的几组(Ei，εi)数据得到的平均弹性模量进行计算。根据各级回归应变曲线，利用桩顶应变可计算不同应变量级下桩身平均弹性模量，由线性回归，得到Ei=f(εi)的线性方程。利用应变计算桩身轴力及摩阻力时，采用不同应变量级下的E值。平均弹性模量Es可由式(1)给出[9-10]：

(1)

式中：Es为桩身平均弹性模量，GPa；A为桩体平均截面积，m2；εo为桩顶应变，10-6；P为桩顶竖向荷载，kN。

根据回归处理后的应变曲线，桩顶应变可得到S2桩身平均弹性模量-应变量级的关系曲线，如图8，拟合后的桩身平均弹性模量可表示为

Ei=(33.29-0.016×εi)

(2)

图8 S2桩身平均弹性模量-应变量级的关系曲线Fig.8 Relationship between average elastic modulus andstrain magnitude of S2 pile

在计算轴向力时，将按上式结合不同的应变量级选用不同的弹性模量。

3.3.3 桩身轴力与单位摩阻力

任意断面处桩身轴向力Qi与不同位置处的单位摩阻力fi可分别利用如下公式计算[11]：

Qi=A×Ei×εi

(3)

fi=(Qi-Qi+1)/π/D

(4)

图9为S2桩身轴力及单位摩阻力-深度的变化关系曲线。可以看出，端阻力随着荷载的增加而逐渐增大，在最大桩顶荷载11 000 kN作用下，黏土、全风化花岗岩、中等风化花岗岩、强风化花岗岩层侧阻力均未达到极限。

图9 S2桩身轴力及单位摩阻力-深度的变化关系曲线Fig.9 Pile force(S2) and unit friction changing with depth

表1为S2试验桩竖向抗压静载试验时，通过内力测量所得出的不同荷载下各桩周各土层承担的平均摩阻力及单位端阻力情况。结合图9可知，随着荷载的增加，单位摩阻力随之增大，且在桩身某一位置出现峰值，桩体上部的侧摩阻力有不同程度的降低。各地层的摩阻力自上而下逐渐发展，荷载继续向下部土层传递。桩侧摩阻力在7 700 kN时，桩体上部侧阻开始出现不同程度的降低，表明粉细砂、淤泥、淤泥质土层的桩侧摩阻力已达到极限。另外，随着桩顶荷载增加，摩阻力承载百分比减少，端阻承载百分比增加，端阻力/摩阻力增加；在最大荷载下，S2试桩的端阻力约占桩顶荷载的37%，桩侧摩阻力占总荷载的63%，桩侧摩阻力占主导作用。

表1 S2试验桩桩周各土层承担的平均单位摩阻力及单位端阻力

3.3.4 临界荷载、极限荷载与最大弯矩点

图10(a)和(b)分别为水平静载时S2桩迎力面拉应变-深度关系曲线和背力面压应变-深度关系曲线。由图10可以看出，最大弯矩点距离桩顶约3 m(力作用点距桩顶约为0.5 m)。

图11中是最大弯矩点处的钢筋应力-荷载关系曲线。由图11可以看出，临界荷载不明显，极限荷载为385 kN。

图10 S2桩应变-深度变化曲线Fig.10 Variation curves of strain and depth of S2 pile

图11 最大弯矩点处钢筋应力-水平荷载变化曲线Fig.11 Variation curve of reinforcement stress and horizontal load of point of maximum bending moment

4 结 论

笔者针对灌注桩试验，引入了一种钻孔数字测井系统和滑动测微原理相结合的新技术，用于灌注桩的成孔质量检测和其内力测量。该技术通过断面修正、回归光滑处理等手段，克服了传统方法中电测元件匹配差、受混凝土凝固硬化影响大、未考虑孔径和桩身弹性模量的不均匀等缺陷，并进行了灌注桩现场竖向和水平向静载试验，取得了较好的试验数据。结果分析表明：

1)利用实测孔径对滑动测微计应变监测值进行断面修正并回归处理，很大程度上消除了深厚软土地区成桩桩径不均匀与畸点影响，使得试验所获取桩侧摩阻力及端阻力值更接近实际。

2)在水平静载试验中，利用滑动测微计可准确地分析临界荷载及最大弯矩点。

3)随着桩顶荷载增加，摩阻力承载百分比减少，端阻承载百分比增加，端阻力/摩阻力增加。

该技术对了解灌注桩承载性状、桩-土相互作用机理以及工程优化设计起到了重要作用。

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Research on Application of New Technology of Internal Force Measurement in Cast-in-place Concrete Pile Test

YANG Xiong1，HE Zhongyi1，QI Changguang2

(1. Guangdong Tianxin Electric Power Engineering Testing Co., Ltd., Guangzhou 510663,Guangdong, P. R. China； 2. Faculty of Architectural, Civil Engineering and Environment, Ningbo University, Ningbo 315211,Zhejiang,P. R. China)

In cast-in-place concrete pile test, the new technology, combining with the system of bore-forming digital logging and principle of sliding micrometer, was introduced, and applied in quality inspection of bore forming and measurement of internal force in pile. In vertical static load test, based on the measured data of pile diameter from the system of bore-forming digital logging, the measured strain values obtained from sliding micrometer were modified by the section method; thus, the relationship between elastic modulus and strain magnitude can be calculated according to the smooth regression; therefore, the axial force of pile, skin friction of pile, and tip resistance can be figured out. In horizontal static load test, based on the measured strain values from sliding micrometer, the point of maximum bending moment and value of ultimate lateral load can be gained according to the analysis of tensile strain curve in bearing surface and compressive strain curve behind the back of bearing surface.

geotechnical engineering;static load test; bore-forming digital logging; sliding micrometer; internal force measurement; quality inspection of bore forming

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.18

2015-10-10；

2016-05-31

国家自然科学基金项目(51508282)

杨 雄(1964—)，男，广东阳江人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察与测试技术方面的研究E-mail:409254812@qq.com。

齐昌广(1986—)，男，山东济南人，讲师，博士，主要从事岩土工程监测与测试方面的研究。E-mail:qichangguang@163.com。

TU473.1

A

1674-0696(2016)05-085-07