基于自动化综合测试系统的基桩内力监测与分析

陈港，冯德安，任毅，张由，周伟

（1 重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016；2 重庆中土勘测设计有限公司，重庆 404100）

0 引言

基桩内力试验研究分为模型试验和现场原位试验， 模型试验需建立大量的假设条件，而现场原位试验则更加直接、可靠[1-3]。传统的现场测试效率较低，费时费力，而自动化综合测试系统作为一种高精度、高效率的监测手段，特别适用于应力应变测试，是一种功能强大的分布式全自动静态网络数据采集系统，由上位机、采集模块（MCU）、系统软件及相关配件组成。

本文基于自动化综合测试系统在工程现场中的实际应用， 通过系统对基桩内力数据进行实时监测，基于此，对基桩内力规律及承载性状进行分析[4]，以期为类似工程实践提供一定的参考。

1 工程背景

某工程为高层住宅建筑，地上32 层，地下局部1 层，结构形式为剪力墙结构，建筑结构安全等级为二级。 所在地区抗震设防烈度为6 度，设计地震分组为第一组，建筑抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

根据工程地勘报告，拟建场地属岩溶侵蚀剥蚀丘陵地貌，场地上覆土层为素填土和红黏土，下伏基岩为白云灰岩1、白云质灰岩2，白云质灰岩2 为场地软弱层，岩体较破碎。

根据工程特点、工作条件及相关规范选取一根基桩进行内力监测，所监测基桩为机械钻孔灌注桩，桩径为1800mm，桩长共16.6m，其中进入红黏土深度为4.2m，进入岩层深度为12.4m。

2 监测方案

本次测试与工程施工同步，至工程竣工截止，主要测试桩身的应力、应变，采用钢弦计进行测量，采取全自动监测系统。 系统的测量灵敏度为0.001mm，可集成钢弦式应变计，达到视线远程即时采集数据目的。 仪器设备如表1 所示，系统照片如图1 所示。

图1 自动化综合测试系统

表1 仪器设备明细表

本次测试沿受试桩深度方向大约每2.5m 设置一个测试断面，每个断面埋设两个钢弦计，设点位于圆周两等分点处(直径)。

3 数据分析

3.1 桩身初始应变数据分析

如图2 所示，根据基桩混凝土浇筑完成后不同时间内桩身应变分布可知：

图2 桩身应变随时间应变分布图

（1） 桩身应变均随着混凝土的凝固成型成为拉应变，且在一定时间内随着龄期增长，拉应变不断变大，在达到28d 龄期后呈稳定状态；

（2） 混凝土龄期达到28d 后，桩身应变最大拉应变为93με，最小拉应变为63με；

（3） 桩身拉应变最大值均出现在桩身中段，其余部位桩身应变较为接近。

分析原因可知，由于混凝土在龄期增长、强度增强阶段出现收缩变形，桩身各段均为拉应变；因桩身拉应变最大值均出现在桩身中段，其余部位桩身应变较为接近，由此说明基桩在此工况下桩身自重基本已由侧摩阻力消化，拉应变也基本沿桩深度平均分布。

3.2 施工过程中桩身内力数据分析

根据现场施工进程，将上部荷载大致分为九个加载阶段[5-7]，各阶段相关信息如表2 所示。

表2 加载阶段信息表

3.2.1 轴力分析

根据自动化综合测试系统在施工过程中采集的数据，进行整理后，基桩各阶段轴力分布图见图3。

图3 基桩各阶段轴力分布图

根据数据采集结果及分布图可知：

（1） 在上部荷载不断增加的过程中，基桩桩身轴力也不断增大，荷载由开始的桩顶不断向下传递，由于侧摩阻力的产生，整个桩身的轴力由上至下不断减小，桩底轴力甚至为零。 由此可见基桩在上部荷载不够大时，桩底基本不受力；

（2） 在上部所加荷载比较小时，荷载主要由基桩上半部分产生的侧摩阻力承担；随着荷载不断增大，基桩桩身荷载及变形不断向下传播，桩身下半部分开始参与工作，桩身周边岩体也开始产生侧摩阻力；

（3） 由基桩分布图可知，其横坐标为轴力，纵坐标为桩深，分布曲线的斜率与桩周岩土体产生的负摩阻力相关；由于基桩上部土层相较于下部岩层负摩阻力小，分布曲线较陡，斜率相应较大，反之亦然。 故桩身分布曲线的斜率与岩层侧摩阻力呈反比。

3.2.2 侧摩阻力分析

桩身侧摩阻力是桩身相邻截面轴力差值与桩侧表面积之比，对自动化综合测试系统在施工过程中采集的数据进行整理后，基桩各阶段侧摩阻力分布图见图4。

图4 基桩各阶段侧摩阻力分布图

根据数据采集结果及侧摩阻力分布图可知：

（1） 基桩侧摩阻力沿桩深度分布不均，由于桩身位移连续，桩身侧摩阻力随着荷载增大引起的桩土沉降差变化而出现变化，当上部荷载比较小时，桩身上半部分产生的侧摩阻力较大；随着荷载不断增大， 基桩桩身下半部分产生的侧摩阻力开始不断变大；

（2） 桩身侧摩阻力随着不同加载阶段变化出现两个峰值，第一次峰值出现在4.0m 处，第二次峰值出现在6.5m 处。 对比各桩位地质剖面图可知，当上部荷载比较小时，侧摩阻力峰值出现在上部土层中，当上部荷载不断增大，土层侧摩阻力不足以抵消时，岩层侧摩阻力开始发挥作用并超过土层侧摩阻力，最终上部岩层侧摩阻力首先达到峰值；

（3） 由于桩基承载力设计特征值远大于现有荷载水平，土层侧摩阻力基本呈增长趋势，而岩层侧摩阻力基本呈递减趋势。

4 结语

自动化综合测试系统在工程现场应力应变监测中体现出了高精度与高效率的特点，通过测试系统对基桩内力数据进行实时监测，得到工程基桩浇筑后及施工过程中基桩内力分布主要规律如下：

（1） 桩基内力初始状态因混凝土在浇筑后的一段时间内呈流塑状态， 使得此时基桩上半部分为拉应变， 下半部分为压应变。 因混凝土在龄期增长、强度增强阶段出现收缩变形，桩身各段应变均变为拉应变；

（2） 在上部荷载不断增加的过程中，基桩桩身轴力也不断增大，荷载由开始的桩顶不断向下传递，整个桩身的轴力由上至下不断减小；桩身侧摩阻力随着不同加载阶段变化出现两个峰值，第一次峰值出现在4.0m 处，第二次峰值出现在6.5m 处；当上部荷载比较小时，侧摩阻力峰值出现在上部土层中，当上部荷载不断增大，岩层侧摩阻力开始发挥作用并超过土层侧摩阻力， 最终侧摩阻力峰值出现在上部岩层。