基于光纤测试的超长灌注桩内力测试研究

2021-06-09张慧海石怀清万再新王东红

岩土工程技术 2021年3期

张慧海马林石怀清万再新王东红

(1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043；2.陕西机勘工程检测咨询有限公司，陕西西安 710043；3. 陕西省特殊岩土与处理重点实验室，陕西西安 710043)

0 引言

随着社会经济的飞速发展，高层、超高层建筑在城市建设中大量涌现。高层、超高层建筑的建设重点应是基础建设。一般采用超长灌注桩复合地基作为其地基承载力载体。

目前对于灌注桩复合地基的研究主要聚焦于桩基承载力和桩身内力。对于桩基承载力检测常用静载试验的方法[1-4]，该方法原理简单，在桩基检测中广泛使用。但静载试验对场地条件要求苛刻，对操作人员要求高，且成本较大，因此测试数据离散性较大，精度较低。桩身内力测试一般采用钢筋笼布设钢筋计的测试方法[5-7]，该方法测试数据直接受钢筋计的布设密集度影响，数据量有限，且钢筋计在安装和后期测试过程中常会遭到破坏。因此亟需寻求一种可靠的桩基承载力及桩身内力测试方法。

随着科技的发展，光纤测试技术有效地解决了上述问题。其测试精度高、测试距离长、抗干扰能力强、可靠度高，开始应用于桩基承载力测试中。冯江等[8]采用分布式光纤对灌注桩桩身轴力和侧摩阻力测试规律进行了研究；王兴等[9]对分布式光纤传感技术在桩基测试中的可靠性进行了分析论证；宋建学等[10]采用分布式光纤和钢筋计两种方法对桩身应变进行监测，验证了光纤数据的可靠性和精准性。由于光纤技术起步较晚，多用在短桩或中短桩中，鲜有对于长桩甚至超长桩测试方面的报道。因此，本文以某超高层项目为依托，全面分析了采用分布式光纤技术时超长桩桩基内力的演化规律，可为超长桩桩基设计优化提供重要技术支撑。

1 工程概况

西咸新区某超高层建筑位于沣东新城核心区域沣东大道以南，总建筑面积约1.35×106m2，项目由一栋超高层塔楼、一栋裙房和地下车库构成。塔楼为地下4层，地上118层，建筑高度501 m，为西部地区目前在建的第一高楼。该项目塔楼基础采用反循环钻孔灌注桩，桩侧及桩端后压浆成桩。

2 测试方案

考虑到光纤测试的精密性，结合场地实际情况，对本工程中的A89桩内力进行了分布式光纤测试分析。采用双U型和单U型布设的方式，对测试结果进行对比分析。桩体及光纤基础参数分别见表1和表2。

表1 桩体基础参数汇总表

表2 光纤基础数据汇总表

3 光纤测试原理

3.1 桩身轴力计算原理

测试仪器测试得到的是光纤的轴向压应变ε(Z)，由于光纤固定在桩身混凝土内，在静载压力下，光纤轴向变形与桩身混凝土轴向一致，因此桩身混凝土的压应变也为应变ε(Z)。则桩身压应力σ(Z)为

σ(Z)=ε(Z)·Ec

(1)

式中：Ec为桩身混凝土的弹性模量。

则桩身轴力Q(Z)为

Q(Z)=σ(Z)·A

(2)

式中:A为桩身截面面积，m2。

3.2 桩侧摩阻力计算原理

桩的荷载传递基本微分方程为

(3)

式中：qs(Z)为桩侧分布摩阻力，kPa；Q(Z)为桩身轴向力,kN;U为桩身周长,m。

式(3)可以简化为

(4)

式中：ΔQ(Z)为某土层内桩身两截面间轴力变化量,kN;ΔZ为该土层内桩身两截面间深度差,m。

将式(1)、式(2)代入式(4)中，有

(5)

式中：Δε为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量。

4 桩体受压桩身内力测试结果分析

由图1可知，试桩在加载过程中，桩身两侧桩顶处应变分布规律不一致，图中桩顶区域应变值左侧明显大于右侧，且图中左侧桩头区域应变随埋深的增加逐渐减小，右侧桩头区域应变随埋深的增加逐渐增大，因此该桩试验时存在受力偏心现象。桩身在加载过程中，应变变化趋势明显。桩身底部在整个加载过程中应变为零，表明整个加载过程荷载未传递至桩身底部。

图1 试桩A89桩身应变图

由图2可以看出，桩体在受压时桩身应力和桩身轴力沿桩身方向表现出显著递减，桩顶最大，桩底最小；同时可发现，在距桩底约8 m处桩身应力为零，表明桩体有一定的安全储备。

图2 试桩A89抗压桩身应力、轴力图

桩身侧摩阻力的发挥情况表明，侧摩阻力沿桩深方向先增大后减小(见图3)。桩底8 m范围内桩体侧摩阻力约为零，表明该桩体的承载力未完全发挥。出现上述曲线形态原因是加载初期荷载主要由桩身上部侧摩阻力承担，随着时间的推移，桩身侧摩阻力逐渐下移；在某一时刻桩头部分发生破坏，产生塑性变形，侧摩阻力减小，桩身中部侧摩阻力开始承担主要荷载，侧阻力发挥值较大；达到受力平衡后桩侧摩阻力逐渐减小，最终趋于零。在桩侧摩阻力变化过程中存在最大值深度，该深度为临界深度[11]，本次试验桩体侧摩阻力临界深度为26 m。