分布式光纤在PHC试验桩承载力检测的应用

林黎阳 牛飞

摘 要：本文采用光纤传感器结合静载的试验方法检测PHC桩的桩基承载力，介绍了光纤传感器的技术原理及安装工艺，通过计算分析可以得到试验桩的轴力、侧摩阻力、端阻力等参数的变化；并可根据桩的受力特点指导桩基施工；亦可为沉桩工艺参数及桩长选择提供依据。该技术在为获取详细承载力参数的试桩阶段有较高的应用价值。

关键词：PHC桩 光纤传感器 静载

1.前言

近几年来，随着我国经济建设和城市化的高速发展，PHC管桩因其具有承载力高、应用范围广、沉桩质量可靠、工程造价便宜等特点而得到了广泛的应用。为创造最大的技术经济效益，合理选择PHC桩基设计方案，充分发挥PHC桩桩土体系的力学性能，在PHC桩全面施打之前，选择试验桩进行承载力、轴力、端阻力测试具有重要意义。单桩抗压静载试验是检测基桩竖向抗压承载力最直观、 最可靠的方法，可将光纤技术与静载试验相结合，进而获取试验桩的轴力、侧摩阻力、端阻力分布状态及变化规律。

基于BOTDR原理的分布式光纤传感器能够成功地应用于PHC桩的内力测试，不仅能够测试桩身的应变分布，还可以计算出桩身内力、桩周侧摩阻力及桩端阻力。本文通过测试埋设分布式光纤传感器的PHC桩在静载试验中桩身应变的分布，分析试验桩侧摩阻力的分布规律及发展规律。

2.基本原理及试验方法

2.1光纤技术原理

2.2数据处理

可通过仪器测得的光纤的轴向压应变ε（Z），由于测试时光纤固定在桩身混凝土内，桩身受荷过程中，光纤产生的轴向变形与桩身混凝土轴向产生的变形一致，因此桩身混凝土的压应变与光纤传感器的应变ε（Z）相同 。由此可计算桩身压应力σ（Z）、桩身轴力Q（Z）、桩侧摩阻力qs（Z）为桩侧分布摩阻力。

2.3光纤传感器的安装方案

通过在PHC管桩桩身开槽布设光纤传感器，沿管桩呈中心对称方式布设两条U型回路光纤传感器，光纤布设示意图如图2所示。涂抹环氧树脂胶体填充槽内空隙，待环氧树脂固化后，光纤传感器与PHC桩形成一体。对桩头、桩尾处接桩部位处光纤穿入5mm铠装光纤护套进行保护，对土塞不影响的接桩部位，光纤传感器从桩芯内连接穿过，对土塞能够影响的接桩部位，光纤传感器从PHC桩外侧连接通过，在其外面缠绕多层涂有环氧树脂胶的玻璃丝布进行保护。

3.工程实例

3.1工程概况

某在建重力式码头工程，该重力式码头采用沉箱结构，后方回填中粗砂，回填后采用振冲密实法处理。根据设计方案，在振冲密实后的回填砂地基上施打PHC桩，PHC桩直径为600mm，壁厚130mm，选择的试验桩设计桩长27m，有上下两节桩拼接而成，上节桩长14m，下节桩长13m。试验桩贯穿的地层为：中粗砂，中密，层厚22.5m；黏性土混砂，层厚1.0m；中砂，层厚1.7m；强风化变粒岩，粗粒结构裂隙发育，桩端极限阻力标准值9000kPa，岩心呈坚硬土状～半岩半土状，主要矿物为石英、云母等，局部含风化岩块，该层为桩端持力层。

3.2测试成果分析

静荷载试验的 Q—s 曲线的线型是桩身材料或桩周土破坏机理和破坏模式的宏观反映，受工程桩条件的限制，本次试验未做到桩土体系极限破坏状态。试验桩Q-s，s-lgt曲线如图3所示，试验加载至5000kN时，最大总沉降量为15.72mm，残余沉降量为2.71mm，回弹率为82.8%。在整个试验过程中桩顶沉降量不大，且Q-S曲线平缓，无明显陡降段，S-lgt曲线平缓规则排列；桩身回弹率很大，说明试验桩桩顶沉降量主要由桩身弹性变形引起；试验桩的单桩竖向抗压静载极限承载力Qu≥5000kN。

在静载试验过程中测得的应变分布随荷载变化关系如图4所示，从图中可以看出：在2号测线上下桩接桩部位光纤熔接光损较大，对2号测线测试数据带来影响。4条应变曲线总体变化趋势相同，应变值从桩顶到桩底呈减小趋势，能够很好的反映桩身应变情况；4条应变曲线在部分深度位置发生较大起伏，与传感器桩尾弯曲位置及焊接位置相对应。当桩顶荷载达到最大5000kN时，4条测线桩顶应变约为630με，桩端应变约为300με。比较4条测线测试应变曲线，1号和4号测线桩头部位测试应变均大于2号和3号测线，且4号测线桩头应变最大；这主要是进行桩身荷载时，存在向1号和4号测线方向偏心荷载作用，且4号测线荷载相对较大。

3.3PHC桩承载测试分析

通过测试试验桩在各级荷载下的应变值，计算试验桩各截面的轴力，试验桩桩身轴力及侧摩阻力分布如图5所示。从图中可以看出：随着试验荷载增大，桩身轴力曲线整体增大；从桩顶到桩底，桩身轴力受侧摩阻力作用，桩身轴力随深度加深不断减小。在试桩过程中，中粗砂的侧摩阻力稳定发挥，随着荷载增大，其侧摩阻力整体增大。⑤3粘性土混砂和⑤1中砂侧摩阻力随着荷载的增大而不断增大，变化明显。当荷载达到5000kN时，所有土层侧摩阻力增长幅度均變小；中粗砂层侧摩阻力趋于平稳，增长很小，⑤3粘性土混砂和⑤1中砂侧摩阻力仍增长明显。继续增大荷载，中粗砂层侧摩阻力基本不再增大，主要受力土层的侧摩阻力得到了充分的发挥，⑤3粘性土混砂和⑤1中砂侧摩阻力仍有增大空间。

试验桩测试得到的桩端阻力大小和变化趋势见表1和图6。在第一级荷载（1000kN）作用时，桩端阻力很小，桩身荷载主要由桩身侧摩阻力提供。从第二级荷载开始（1500kN），桩端阻力迅速增长，开始发挥桩身荷载持力主要作用。当荷载达到5000 kN，桩端荷载达到总荷载的54%，该桩按受力特点可判定为摩擦端承桩；桩端阻力计算值达到9576.32kN，为桩端极限阻力标准值的106%，桩端阻力已接近桩端极限值，桩端阻力已充分发挥。

4.结论

采用光纤传感器结合静载试验的方法，获得桩侧摩阻力的分布规律及发展规律，可得出以下结论：

（1）4条应变曲线总体变化趋势相同，应变值从桩顶到桩底呈减小趋势，能够很好的反映桩身应变情况；4条应变曲线在部分深度位置发生较大起伏，与传感器桩尾弯曲位置及焊接位置相对应。通过计算分析获得桩身轴力、侧摩阻力、桩端阻力的分布规律。

（2）当荷载达到最大试验荷载时，所有土层侧摩阻力增长幅度均变小；中粗砂层侧摩阻力趋于平稳，增长很小，主要受力土层的侧摩阻力得到了充分的发挥。

（3）当荷载达到最大试验荷载时，桩端荷载达到总荷载的54%，该桩按受力特点可判定为摩擦端承桩；桩端阻力计算值达到9576.32kN，为桩端极限阻力标准值的106%，桩端阻力已接近桩端极限值，桩端阻力已充分发挥。

（4）PHC桩方案经济合理，当荷载达到最大试验荷载时，桩的侧摩阻力及桩端阻力均得到了充分的发挥，因试验桩以桩端受力为主，在沉桩过程中应保证桩端进入强风化变粒岩。

参考文献：

[1]魏广庆，施斌，贾建勋，等.分布式光纤传感技术在预制桩基桩内力测试中的应用[J].岩土工程学报，2009，31（6）：911-916.

[2]李睿，高原，周煦，等.分布式光纤感测技术在成都地区旋挖成孔灌注桩桩身内力测试中的应用[J].四川建筑，2017，37（3）：163-166.

[3]劉晶晶，李丛.分布式光纤在桩基静载试验中的应用[J].吉林大学学报（地球科学版），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]中华人民共和国交通部.JTS 255-2002，港口工程桩基静载荷试验规程.北京：人民交通出版社，2002.