灌注桩承载特性测试技术研究进展

白晓宇, 吴泽坤, 桑松魁, 李飞, 张鹏飞, 蒋水兵, 付林, 包希吉, 王保栋, 王立彬

(1.青岛理工大学土木工程学院, 青岛 266520; 2.昌大建筑科技有限公司, 潍坊 261000; 3.中建八局第二建设有限公司,济南 250014; 4.中铁建设集团有限公司, 北京 100040; 5.中建八局发展建设有限公司, 青岛 266061)

桩基础是由上部承台和下部基桩组成并共同承担上部荷载的一种深基础,其下部基桩穿过软弱土层,并将上部荷载传递到深处承载性能较好的土层上[1]。20世纪50年代末,钻孔灌注桩在中国城市建设中首次得到成功运用,而后在全国各地逐渐推广使用[2]。近年来,随着中国经济和基础设施的快速发展,高层和超高层建(构)筑物在城市建设中大量涌现,同时也对基础和地基提出了更高的要求。尤其是在中国东部沿海和南方地区存在深厚的软弱地基,在实际工程中需要进行相应的地基处理对其加固,而灌注桩凭借承载力高、施工机械化程度高、施工工艺成熟等诸多优点,成为软土地区广泛采用的一种地基处理方式。灌注桩作为一项隐蔽工程,在地下、水下施工,由于其技术要求高、施工难度大等特点,施工过程中存在不同程度的问题:人工挖孔桩施工过程中,易发生混凝土离析、孔壁坍塌、桩底混凝土稀释等问题。钻孔灌注桩施工过程中,混凝土浇筑不连续、钢筋笼上浮和泥浆相对密度不当导致的扩径、缩颈以及断桩等问题频繁出现[3-5]。在工程建设中,桩基的质量直接影响建筑物结构的强度,确保桩基质量是保证建筑物安全使用的重中之重,因此桩基施工质量检测和明确桩基的承载特性对工程安全至关重要。

灌注桩静载试验是衡量灌注桩竖向承载特性最可靠、最直观的方法。改革开放后,中国经济迅速发展,促进了岩土工程技术的进步,静载测试技术也迎来了里程碑似的发展。目前,静载试验已经是一项方法成熟、测试结果准确的测试技术[6]。

随着应力波理论的完善和发展,桩基动测技术迅速发展[7]。20世纪60年代,外国学者首次在波动方程求解中引入差分的数值解法[8]。中国动测技术研究与实践起源于80年代,对桩的动测技术进行探索,通过大量试验研究建立了动力参数测桩法[9],研发了中国最早的低应变检测仪,与此同时提出了共振法动测技术,推动了中国在桩基测试技术领域的发展。

钢筋计、应变片等点式测试技术,这些测试装置受外界影响较大,安装过程中存活率难以保证[10]。地质条件较简单的情况下,上述测试方法可满足测试需求,但针对地层条件复杂的情况,因桩身荷载传递规律的复杂性,常规传感器不能够准确监测桩身的受力情况[11]。日本、加拿大等发达国家相继对光纤传感技术展开了相关研究工作,并取得显著成果[12]。Kister等[13]提出了在灌注桩中安装光纤传感器的方法,并验证了该技术在灌注桩监测中的可行性。朴春德等[14]利用管线传感技术对钻孔灌注桩静载过程中的桩身轴力分布、侧摩阻力分布以及桩端阻力分布问题展开研究,结果表明:该技术具有分布式、可长距离检测、可靠度高、与被测物协调性好等优点。光纤传感技术凭借其小尺寸、高灵敏度、高存活率和不受电磁干扰等优点,满足探究灌注桩承载特性的需要,广泛应用到土木等领域[15-17]。

随着施工设备以及施工工艺的改进灌注桩施工机械化程度逐渐提高,缩短了灌注桩的施工工期,同时也对灌注桩质量监测工作提出了更高的要求。受地质条件和施工水平的影响,不同地区灌注桩承载特性的变化规律存在一定差异性[16]。目前,中外灌注桩受力测试技术正在全面发展,一方面是对已有的技术进行改进,另一方面是结合学科交叉和融合开发新的测试技术,进一步说明灌注桩测试技术已进入全新的发展阶段。基于此,从灌注桩各种测试技术的角度出发,总结不同测试手段、测试技术在灌注桩承载特性研究过程中的最新进展,分析和评价灌注桩承载特性研究方法现状,对现阶段测试方法的不足进行梳理,探讨灌注桩承载特性及测试方法的未来发展趋势和面临的挑战,以期为灌注桩承载特性研究和测试方法提供新思路与方向。

1 灌注桩完整性测试技术

灌注桩的承载能力由桩身完整性、桩基承载能力、耐久性决定,所以其监测内容主要包括桩身完整性检测和承载特性检测。在进行承载特性检测前,应先对灌注桩完整性进行测试,若发生断桩、缩颈等造成桩身不完整的问题,则会直接影响桩的承载能力和耐久性。因此,准确对灌注桩缺陷进行测定和评价是灌注桩承载特性测试的前提。目前灌注桩完整性测试方法主要有:低应变法、声波透射法[18]。

1.1 低应变法

低应变测试技术的理论基础是将测试桩视为一维弹性均质杆件,检测时在基桩顶部激发低能量、低幅度的振动,通过测试桩的振动响应判断桩身是否存在缺陷,目前该方法是检测基桩完整性应用最广泛的方法[19-20],其检测现场如图1[20]所示。

低应变检测时,桩锤在桩顶部激振时产生的纵波、横波会在桩顶多次反射,干扰试验结果,为消除这种干扰,诸学者开展了大量试验。Chow等[21]研究表明,传感器与激振点的距离在大于1/2R(R为桩基半径)时,反射波对测试结果的影响较小。荣垂强等[22]通过试验与数值计算发现,桩身混凝土泊松比对低应变三维干扰最小点位置有较大影响,几乎不受桩径、桩长、桩身混凝土弹性模量、土层剪切波速等因素影响,不同混凝土泊松比的干扰最小点的位置如表1[22]所示。

表1 不同桩身混凝土泊松比对应的干扰最小点位置[22]

王昆伟等[23]对深厚淤泥地区的基桩低应变检测问题进行探讨,结果表明:低应变测试的核心在于频率匹配问题,对超长预应力管桩应使用高应变检测其桩身完整性,对大直径灌注桩应使用高应变结合声波透射的方法检测其完整性。丁选明等[24]进行了X型桩足尺的模型试验,发现桩顶入射波具有明显的三维效应,当速度波传到桩底时三维效应基本消除;随着测点与桩心距离的增加,入射波峰值先减小后增大。

胡新发等[25]通过现场试验得出灌注桩下部缺陷段平均波速cd计算公式[式(1)],并通过实践验证式(1)是否能正确反映桩身的实际纵波速度和桩身缺陷的实际位置。

(1)

式(1)中:L为桩长,m;D为桩外径,m;Δtx为速度波第一峰与缺陷反射波峰间的时间差,ms;ΔT为首波波峰与桩底反射波峰间的时间差,s;cm为桩身完整段的混凝土波速,m/s。

Wu等[26]借助Timoshenko梁理论解析了高承台完整桩的水平振动特性。赵爽等[27]通过模型试验和数值模拟,发现在桩身近平台处进行激振和速度采集时,较易识别桩底和桩身缺陷处的反射,验证了低应变对高承台桩缺陷研究的可行性。此外,随着缺陷大小的变化,缺陷处顶、底面的反射波可能产生叠加和分离现象。

低应变测试技术实现了试桩的无损和高效率检测,但也存在技术缺陷。低应变检测方法的局限[20]在于只能定性的根据波阻的变化情况来辨认灌注桩的扩径和缩颈现象,不能定量地分析桩身的缺陷程度和性质。对长径比大于30或桩身存在多个缺陷的试桩,很难获得准确的反射波信号,检测结果的精度很难保证。

1.2 声波透射法

声波传感技术是将超声波传感器预先放置在桩身预先埋设的探测孔中,通过对不同点的声速、振幅、波形等参数的分析,判断出混凝土缺陷的位置、性质、尺寸等。超声波是一种机械振动波,由于其优秀的透射性、反射性等特点,可以保证工程检测结果的准确度[28-29]。1929年,苏联首次利用超声波对金属材料进行无损检测[30]。1942年,英国利用回波脉冲技术成功检测出钢管中的缺陷[31]。第二次世界大战后,超声波技术得到迅猛发展,超声波技术被应用于混凝土检测中[32-33]。中国对超声波检测技术的应用较晚,同济大学首先开展混凝土超声检测并于1964年生产出中国第一台超声检测仪。1983年,河南省交通厅与湖南大学合作首次将超声波无损检测应用到灌注桩质量检测中[3]。20世纪初,随着计算机技术的不断发展,更加智能化的检测仪器也相继出现,基桩超声波检测技术成为众多学者的研究焦点。

韩亮[34]针对判断缺陷方法中常发生的声测管不平行和发射、接受换能器不能保持同一水平高度的问题,提出了相对能量判别法、采用双深度编码器使超声换能器处于同一水平面和三维成像分析技术等方法,进而提高了测试结果的准确性。张杰等[35]基于CT(computerized tomography)理论,提出智能化超声波CT检测系统,将检测结果由原来的一维数据扩展到二维视图,更好地反映基桩的缺陷情况,从而有效的指导施工。孟新秋等[36]结合工程实例,分析了桩身的缺陷范围,根据综合评判的方法,结合细测、几何投影等手段,对桩的安全进行了精确的判别。林梁等[37]利用跨孔超声波法,混凝土灌注前,在桩孔内安装两根或两根以上竖直平行的声测管作为检测通道,从桩顶到桩端逐点进行超声波检测,根据测得的声波信号分析灌注桩的均匀性和缺陷程度。赵阳[38]设计了一种便携式超声波混凝土灌注桩桩基检测系统,采用下位机与上位机分离的设计方案,该系统的检测性能稳定、操作方便、精度高,在灌注桩桩基检测中具有广阔的应用前景。

声波透射法在对灌注桩的检测中也存在不足,譬如对基桩测试波速的影响因素分析不全面、声波测点的波形研究不充分、对声波透射法判据的综合应用研究不深等[39]。

2 灌注桩承载特性测试技术

在对灌注桩完整性进行测试后,即可对满足要求的桩进行承载特性测试。目前,确定桩基承载特性常用的方法有静载试验法和高应变法。

2.1 静载试验法

静载荷试验[40]是一种通过现场试验评价桩基承载特性的传统方法。主要包括:单桩竖向抗压静载试验、单桩竖向抗拔静载试验和单桩水平静载试验。静载试验一般采用逐级加载的方式,每一级的荷载达到相对稳定的状态时再施加下一级荷载,直至加载量达到破坏荷载,然后进行分级卸载直至归零,每级卸载量为加载量的两倍,试验过程中记录桩基在每级荷载作用下的沉降量[41]。静载荷试验具有可靠、直接和适应性强的特点,在建筑工程桩基检测中应用广泛[42-43]。目前静载荷试验方法的加载方式主要有:堆载法、锚桩法及自平衡法。堆载法如图2[44]所示,由于方法直观、结果可靠,在工程中得到广泛应用。锚桩法如图3[45]所示,即选用工程桩作为锚桩,锚桩反力装置通过工程桩提供反力,从而测试在荷载作用下基桩的沉降值,以此确定基桩承载力是否满足要求[46-47]。

图3 锚桩法[45]Fig.3 Anchor pile method[45]

自平衡静载试验是一种新型桩基承载力检测方法,在桩尖附近安装荷载箱,然后将桩侧摩阻力、桩端阻力与在桩尖施加的荷载看作一对平衡力,即可测得桩端承载力和桩侧摩阻力[48]。Fujioka等[49]最早提出利用桩基自身反力平衡的原理测试桩基承载力的方法,限于当时的技术条件未能应用到实际工程中。1989年,Osterberg[50]经过长期探索研究,将基桩静载试验方法应用到工程实践中。戴国亮等[51]将自平衡法运用到桥墩桩基检测中,目前自平衡试桩法已成为中外发展较快的静载荷试验新方法。

2.2 高应变法

高应变动态试验技术是指在桩顶上进行高强度的撞击,使桩身和桩周土发生相对移动,并由安装于桩顶处的传感器接收到桩身、桩端的阻抗值变化,因此高应变测试技术可用来检测桩基承载力以及分析桩侧、桩端摩阻力[52-54]。目前高应变已成为一种有效的桩基检测方法。由于高应变检测与静载试验所得桩土相对位移的差异性,致使其测得的单桩承载力一般低于静载试验的单桩极限荷载,试验结果普遍偏安全[55]。

高应变动力检测由Smith[56]于1960年提出,以离散质量弹簧模型来模拟锤-桩-土的打桩系统,并采用差分法求解一维波动方程分析动力打桩过程,为高应变的应用打下坚实基础。1965年,Case技术学院的Goble等[57]以波形理论为依据,提出了CASE(computer aided software engineering)法。目前,高应变测试技术已成为诸学者研究的重点,极大地推动了中国桩基动测技术的发展。高炳鑫等[58]通过桩基实测发现,高应变法采用波动方程计算预制桩承载力时,由于某些拟合参数的取值范围较大,计算结果具有多解性。为研究高应变测试中锤重与桩土体系的匹配关系,陈久照等[59]利用新的数值计算模型和算法,总结高应变试桩中各种因素对检测结果的影响,明确选择桩锤时应考虑的因素,验证了“重锤低击”原则。涂园等[60]提出的虚土桩模型可为高应变动态下桩底土体的动态计算及高应变分析提供参考。曲线拟合法(CAPWAPC)主要应用于预制桩或钢桩测试的曲线拟合技术,但该技术对桩身均匀性有较高要求。

综上所述,不同的桩基测试方法各有优缺,且具有不同的检测目的,具体如表2[1-4]所示,应根据具体工程情况选用最合适的桩基测试方法。

表2 4种测试方法对比[1-4]

3 灌注桩桩端阻力研究

钻孔灌注桩由于施工工艺的原因,在桩端会出现一定程度的淤渣、淤泥等,采用后压浆技术可以有效地解决这些问题,从而提高桩的承载力。王忠福等[61]利用XP99C振弦式应变计,对桩端经后注浆工艺、三叉双向挤扩工艺、挤扩支盘工艺处理后的大直径灌注桩进行竖向载荷试验,经后注浆处理后,全部荷载几乎由桩侧阻力承担,荷载传递表现为摩擦性;三叉双向挤扩工艺和挤扩支盘工艺试桩桩端阻力占比达到20%～30%,表现为端承摩擦桩的特性。程晔等[62]采用静载试验、CT试验、钻孔取芯等方法,对同一工况下压浆前、后进行承载特性分析并分析桩端阻力的变化规律。由图4[62]、图5[62]可以看出,两组对比试验中,经过桩端压浆处理后,桩端极限承载力明显提高,且桩端位移在达到相同桩端阻力时沉降显著减小。

图4 苏通大桥二期试桩 SZ4 压浆阻力-桩端位移曲线[62]Fig.4 Curves of resistance-displacement of pile tip of pile SZ4 of Sutong Bridge before and after grouting[62]

图5 苏通大桥四期试桩 NII-4(未压浆)和NII-3(后压浆)桩端阻力-桩端位移曲线[62]Fig.5 Curves of resistance-displacement of pile tip of pile NII-4(non-grouted) and pile NII-3(grouted) of Sutong Bridge[62]

由于黄土地区特殊的地质条件,运用后注浆技术是钻孔灌注桩发展的必然趋势,Zhou等[63]通过桩基静载破坏试验,发现后注浆技术提高了桩端土体的强度,减小了荷载作用下桩端的沉降量,桩基承载力较常规桩提高28.57%。在相同荷载条件下,后注浆桩沉降远小于常规桩沉降。冯世进等[64]对黄土地基中超长钻孔灌注桩的承载性能进行研究,试验采用精度高、可靠性高的滑动测微仪。研究发现,在桩顶荷载加载初期,荷载主要由桩侧摩阻力承担,桩端土不承担荷载。随着桩顶荷载的增加,桩端阻力逐渐出现,但增长速率较慢。在黄土地基中,桩侧阻力与桩端阻力并非同时发挥,即使在极限荷载下,桩端阻力也非常小,几乎不发挥作用,这与Du等[65]研究成果相吻合。笔者认为,进行黄土地区桩基设计时,桩侧摩阻力和桩端阻力应采用不同的分项系数。针对黄土地区提高桩基承载力及严格控制沉降的需求,陈黎等[66]通过模型桩探究旋扩灌注桩的承载特性,发现当荷载达到一定水平时,旋扩段土压力、桩端土压力与桩顶施加荷载呈现稳定的百分比关系。

随着中国城市化进程的加速,应用于大型建筑、大直径桥梁、海港码头的嵌岩钻孔灌注桩日益增多[67]。由于嵌岩钻孔灌注桩损伤试验成本高、完整破坏试验难度大,系统完整的静载试验实测数据较少,制约了大直径嵌岩钻孔灌注桩承载力的综合研究[68-69]。目前,许多学者对大直径嵌岩钻孔灌注桩的承载特性和荷载传递机理进行了一系列相关研究。王鹏程等[70]通过锚梁反力装置分析软质较破碎岩嵌岩桩竖向承载力,试验发现加载后上部桩侧土阻力先发挥,随着荷载增加,下部岩土层侧阻及端阻逐步发挥,且是异步发挥,桩端阻力随着荷载的增加逐渐发挥。Xu等[71]基于深圳平安金融中心嵌岩桩基工程,研究了在中风化至微风化岩层中开挖桩孔和浇筑大体积混凝土的方法,探索了深基坑大直径(8.0 m)嵌岩桩的受力机理。周洁等[72]针对嵌岩桩单桩竖向承载力计算方法进行了系统研究,归纳总结了不同规范法、理论法及经验公式法的优缺点。泥岩是一种非典型的黏土岩,其透水性差,具有一定的膨胀特性。张亚妹等[73]对青岛地区泥岩地基嵌岩灌注桩进行静载试验,试验中加载至12 960 kN时试桩均为发生破坏,说明中风化泥岩承载力较高。

在风化程度差异大、局部波动大的地层中,桩基设计往往会出现桩长不等的问题,因此在实际工程中会采用增大基岩较高处的桩长而非采用长短桩的设计,很大程度上增加了施工难度和成本[74]。目前还没有明确的设计依据,导致设计方法过于保守,不能充分发挥岩石地基的承载能力[75]。针对上述情况,白晓宇等[76]对强风化花岗岩地基嵌岩短桩进行静载试验,并揭示了嵌岩短桩端阻的荷载分担比(Qpk/Quk,其中,Qpk为单桩的总极限端阻力标准值,Quk为单桩竖向极限承载力)与桩长径比(L/d,其中,L为桩长,单位:m,d为桩径,单位:m)之间的关系。研究结果表明:单桩极限端阻力标准值与单桩竖向承载力之比随桩长与桩径比的增加呈线性下降趋势;当桩长径比介于2～8时,单桩的总极限端阻力标准值与单桩竖向极限承载力比值为77.5%～88.0%,桩的长径比越小,桩端阻力承担的荷载越多。当试桩长径比较小时,由于桩身混凝土的弹性模量大于桩端岩石的弹性模量,桩与桩周土体的相对位移较小,桩侧摩阻力得不到发挥,表现出端承型桩的特性。

4 灌注桩侧摩阻力及桩身内力研究

桩基础的受力包括桩端支承力和桩侧摩擦力。桩在承受垂直受压荷载后,会引起桩身的压缩和向下的刺入变形,桩侧摩阻力以剪应力的形式传递至桩周土体,随着荷载增加,桩端位移增大,使桩侧摩阻力得到充分发挥[77-78]。

4.1 电阻式测试技术

钢筋计可通过测定其内部钢弦自振频率的变化,得出桩身的轴力分布以及不同深度处的桩侧摩阻力。聂如松等[79]通过对自平衡试桩与常规试桩的比较,给出了一种等效转换的新方法。首先利用反分析法,用Mindlin解和叠加原理,计算出地基任何一点侧摩擦力的附加应力并根据式(2)得到β(i,j)与第i级荷载任意截面j实测对称布置的应变计应变值δ(i,j)的关系。

qs(i,j)=β(i,j)σz

(2)

式(2)中:β(i,j)为第i荷载下第j段桩段侧摩阻力系数;qs(i,j)为第i级荷载任意一桩端j的平均侧阻力;σz为桩周土附加应力增量。

然后进行正分析过程,根据β(i,j)-δ(i,j)的关系曲线得出桩顶荷载Q(i)和桩顶沉降S0(i)表达式为

(3)

(4)

式中:N(i)为第i级荷载;N(i,j)为第i级荷载下任意截面j的实测桩身轴向力;q′s(i,j)为第i荷载下任意桩段j的侧摩阻力;L(j)为第j段桩长;Sdown(i)为下段桩位移;Eg、Eh分别为钢筋和混凝土的弹性模量;Agj、Ahj分别为第j截面钢筋与混凝土的截面积。

上述等效转换方法充分利用试验结果,在后续数据处理时采用曲线拟合的方法综合确定桩侧摩阻力和桩土相对位移两者之间的关系,从而解决了桩周土体附加应力与桩侧摩阻力在分析过程中需要迭代的问题。刘福天等[80]根据常州大直径钻孔灌注桩的静载实验,在每个土层等间距设置3个振弦式应变计,对其在荷载作用下的侧摩擦力传递规律进行了研究,平均桩侧摩阻力分布如图6[80]所示。随着荷载的增加,桩侧摩阻力影响范围逐渐下移,各土层桩侧摩阻力随荷载的增加而递增;上部土层侧摩阻力的增加速率比下部土层快,并且发现桩侧为相同土时,埋深较深侧摩阻力明显高于埋深较浅的侧摩阻力,这说明侧摩阻力的分布受到土层深度等因素的影响。

图6 试桩侧摩阻力分布[80]Fig.6 Distribution of lateral friction resistance of testing piles[80]

对于负摩阻力的研究,目前大多是关于钢桩和混凝土预制桩[81]。黄雪峰等[82]结合宁夏扶贫扬黄灌溉工程,通过在桩身中设置钢筋应力计以及滑动测微计,对自重湿陷性黄土场地中挖孔灌注桩进行现场载荷-浸水试验。通过试验发现,桩侧负摩阻力随着浸水时间的增长缓慢增加,随后增长速率减小,后趋于稳定值,桩身的轴力的变化规律与桩侧负摩阻力变化类似。

冻土地区的桩基承载性能一直以来受诸多学者的广泛关注,王旭等[83]对索南达杰特大桥工程多年冻土地区大直径钻孔灌注桩进行地温测试和现场静载试验,沿桩身对称布置钢筋测力计并在桩周土中以及试桩桩壁中设置地温孔。图7[83]、图8[83]为试桩在荷载作用下的桩身轴力和桩侧摩擦力的分布曲线。从图7可以看出,桩身上部轴力在加载时变化较大,并随载荷的增加而增大,但在桩体下部,其轴力的变化较小,表明桩体局部的侧摩阻力很大,而且还没有充分发挥出桩体下部的侧摩阻力。

图7 试桩加载时桩身轴力图分布曲线[83]Fig.7 Axial force distribution curves of pile body under loading test[83]

P为灌注桩所承受的竖向荷载

杭州地区对灌注桩承载力的测试大多采用静载试验法,徐长节等[84]对杭州市某工程抗压试桩采用自平衡法和静载试验法进行对比测试,研究发现自平衡法试桩的应力-应变曲线较平滑,在加载初始阶段静载法试桩应力-应变曲线存在一定差异,但随着加载值的增大,两种方法的应力-应变曲线吻合度较高,验证了自平衡法在灌注桩检测方面的可行性。

由于黄土地基中长短桩复合群桩基础应用广泛,研究侧向荷载作用下桩基承载特性十分必要。迄今为止,黄土地区侧向荷载作用下桩基承载特性的研究鲜有报道。Ma等[85]设计了长短桩复合桩基室内试验模型,利用该模型探讨了单桩、四桩和九桩在不同水平荷载作用下的竖向承载特性和荷载传递机理,并绘制出试桩深度与轴力的关系图,如图9[85]所示。试验表明,在不同水平荷载作用下,桩身轴力随水平力的增大而增大,在加载初期,桩顶水平荷载主要由桩与桩顶附近土体之间的摩擦力来承担,随着荷载的增大,趋于端承桩。各短桩的轴向应力分布非常相似,在约0.3 m出现峰值,随着桩长的增加,轴力为零的位置不断下降,表明桩身轴力沿桩长发展的能力是不同步的。荷载沿桩身向下传递的过程克服了摩阻力,并在向土体传递扩散过程中,桩身轴力沿桩深方向减小,作用在桩上的轴力衰减速率不均匀,桩周土体摩擦阻力的增加导致轴向力衰减得更快。

伴随桩基施工技术的发展,竖向荷载作用下桩基承载机理已形成体系,于是诸多学者开始着眼于水平荷载作用下的承载特性,且水平荷载下桩基的设计计算亦有诸多问题亟待解决。王俊林等[86]为研究水平荷载作用下大直径人工挖孔扩底灌注桩的工作机理,对某桩基工程进行现场水平静载试验,测试元件采用B×120-15AA型电阻应变片。水平力与位移关系曲线如图10[86]所示,水平位移随水平载荷的增大而增大,但在各阶段加载下,水平位移的增长幅度很小,并且水平位移和水平荷载之间存在非线性关系。在不同水平荷载下,桩身的弯矩随着桩顶水平荷载的增大而增大,其中0～7 m的桩基础承载力最大,最大弯矩在2倍深处;随着水平荷载的增加,最大弯矩的位置逐渐下移,这是因为受拉区混凝土产生裂缝导致桩身刚度降低,钢筋承担起一部分荷载,另一部荷载发生应力重分布。由图11[86]可知,桩身弯矩在扩大头与桩身交界处急剧增大,这是因为扩大头与持力层的接触面积大,进而承受的弯矩较大,所以扩大头很大程度地提高桩的水平承载力。不同水平荷载作用下桩身应力分布如图12[86]所示,桩身压力与桩身弯矩的分布基本吻合,桩身的应力和应变都随着荷载的增加而增大,压应力在桩底处急剧增大,这与桩底的扩大头有关。对比试桩实测与数值模拟得到的结果如图13[86]所示,二者在荷载加载初期水平位移相差较大,随着荷载的增加,两曲线逐渐吻合且两曲线的大体发展趋势一致,可以说明数值分析模型是基本正确的。

图12 不同水平荷载作用下桩身应力[86]Fig.12 Distribution of pile stresses under different loads[86]

图13 数值模拟结果与实验结果对比[86]Fig.13 Comparison between test and simulation results[86]

4.2 分布式光纤传感技术

在实际工程中,由于传统的测试元件易遭受外界环境干扰、易腐蚀等,寻求能适应复杂工程条件的测试技术迫在眉睫。分光纤传感器利用光信号作为载体,将传感光纤植入成型构件中,由反射波的波长变化来确定相应物理量的变化,实现了长距离、分布式检测如图14[87]、图15[88]所示。相比传统测试元件,FBG(fibre bragg grating)传感器具有抗干扰能力强、精度高等优点,并且根据其本身的特性,能够检测到沿光纤布设节点处的应力、损伤等信息,从而可以对监测目标进行多角度的监测。分布式光纤技术自问世以来,便得到了土木工程界的广泛关注[89]。

ΔA为相邻两布拉格光栅之间的距离

图15 光纤埋设工艺[88]Fig.15 Installation of sensing optical fiber[88]

秦仕伟等[90]开展灌注桩现场静载试验,利用光纤传感器对桩身应变进行测试,探讨桩长、桩径、桩土摩擦系数对桩的Q(荷载)-S(位移)曲线、桩身轴力及侧摩阻力分布的影响。上海中心大厦采用直径1 m、埋深88 m的大直径超长灌注桩,王卫东等[91]利用分布式光纤测量试桩桩身应变,将测得的桩身应变值进行换算得出桩身轴力,并根据桩身轴力沿桩长的变化绘制出桩侧摩阻力曲线,如图16[91]所示。

从图16[91]可以看出,在桩顶荷载较小情况下,随着深度的增加,桩侧摩阻力呈现先上升后下降的趋势,曲线最终与坐标轴相交,呈现向右凸起状。当荷载增大时,桩侧摩阻力峰值越大,曲线向右凸起幅度增加且与坐标轴交点位置不断下移;随着荷载持续增加,摩阻力曲线下部不再与坐标轴相交,表明桩端附近摩阻力逐渐发挥,桩体上半部分摩阻力发挥至极限。

目前,FBG传感技术大多应用于预制桩测试,在钻孔灌注桩中应用较少,高鲁超等[92]对大直径灌注桩中FBG传感器和传统钢筋计测试数据进行对比,分析其应变及桩侧摩阻力变化规律。图17[92]为深度10.70、20.11、29.51 m处灌注桩截面应变值,可以看出,两种测试传感器得到的应变曲线走势一致,但钢筋计测得的应变数值均大于FBG传感器测量数值且两者误差较大。究其原因,传统钢筋计受初期混凝土水化热影响;FBG传感器中含有高强度光敏性材料,提高了其在复杂环境下的工作精度。图18[92]为0～20.11 m区间桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线,可以看出,两种测试元件所得桩侧摩阻力差异较大。原因认为是传统钢筋计在复杂土层、地下水影响下,测量准确性降低,而FBG传感器凭借其在复杂土层中工作精度高、抗腐蚀性强等优点可较准确的测出试桩桩侧摩阻力。

图17 桩身截面应变对比曲线[92]Fig.17 Pile section strain contrast curve[92]

光频域反射技术(optical frequency domain reflection,OFDR)是近年来一种新兴的空间分辨率很高的分布式光纤技术,其空间分辨率可达1 mm,应变测试精度为±1×10-6。由于现阶段OFDR数据采集设备价格昂贵,主要应用于室内模型试验,鲜有讲该技术应用到实际工程中的案例。OFDR技术原理图如图19[93]所示。

高磊等[93]基于灌注桩桩身变形监测现场试验,探究该技术在灌注桩桩身监测中的可行性,试验结果表明如图20[93]所示,在加卸载阶段,试桩桩身轴力与桩顶荷载保持同步增减趋势;对比加卸载过程曲线(图20[93]),卸载阶段轴力分布曲线相比加载阶段波动幅度较大,考虑是加载过程对土体产生扰动所导致;对比相同荷载下加载与卸载时桩身轴力的变化规律如图21[93]所示,在卸载状态下,桩身的轴向应力比在相同载荷作用下加载状态的轴向应力要大,而这一微小的轴力差异在普通点式测量法中很容易被忽视,因此OFDR技术能够准确地检测出桩的变形。

图20 桩身轴力分布曲线[93]Fig.20 Distribution curves of pile force[93]

图21 相同荷载下桩身轴力加载与卸载对比[93]Fig.21 Comparison of pile forces under loading and unloading conditions at the same load[93]

随着光纤技术的不断发展,大量检测数据随之产生,在进行数据分析前,应去除数据中掺杂的周期性或不规则的随机噪声[94]。苗鹏勇等[88]针对桩基分布式光纤技术的特点,提出了一种特征点压缩算法,能够在不丢失数据特征趋势的同时对大量的监测数据进行平滑降噪处理。对比实测工程数据常规降噪效果,验证了该方法的可行性,也证明了其在分布式光纤桩基检测中具有广阔的应用前景。

5 不足与展望

实际工程中对桩基完整性和承载特性检测是确保工程安全的重要措施,对现有的测试方法和测试仪器进行改进和开发能适应复杂工程环境的测试技术是目前所面临的重要难题。在对目前研究现状梳理和总结的基础之上,针对各种技术亟需解决的关键问题,提出以下几点建议。

(1)基于各种测试方法的优缺点,每一种测试方法在适用范围、经济等方面都存在一定的局限性,在灌注桩检测时应按照实际工程地质情况,综合运用各种检测方法,做到灵活、准确、高效检测。在对大直径灌注桩检测时,应采用低应变法和钻孔取芯法相结合;对于一些重大工程或较特殊的桩,建议进行动测试验与静载试验对比分析的方案。

(2)随着灌注桩承载特性测试技术的不断发展,除了要做到综合运用各测试手段,还需对相应的理论展开深入研究。目前振动理论中桩-土模型过于简单化,不能真实反映界面处的桩-土相互作用机理,得到的结论与实际情况存在偏颇;在动测模型的波动方程中,没有考虑桩与岩土介质间的阻尼效应。在今后的理论研究中可以引入新的模型,如土的(黏)弹塑性模型以及有限元的分析方法。

(3)桩、土以及周围的环境是灌注桩检测的基础,如此复杂的受力体系,其随机性会对测试的准确性造成影响。理清灌注桩的受力机理,并将先进的数学算法引入其中,如神经网络、遗传算法等。在实践中检验其对桩基问题的适应性,为将来解决桩基测试问题提供一种新的研究思路。

(4)灌注桩承载特性测试是一项多学科交叉技术,测试设备较为复杂且精密,对测试人员的专业素质也有一定要求,正确地操作仪器,对测试数据做出精准的判断和分析,将减少因误判带来的不必要损失。

6 结论

21世纪是地下空间开发利用的新世纪,对桩基安全性的需求也随之提高,这对桩基测试技术也提出了更高的要求。对目前常用的几种灌注桩完整性、承载特性测试技术做了详细的介绍并阐述了其优缺点及研究进展。

(1)测试灌注桩桩身完整性方面,低应变法测试简便,成本低,但准确性差,易受外界干扰,桩身存在多个缺陷时不易接收到缺陷反射信号,对深部的缺陷检测不灵敏;声波透射法准确性高,能检测出缺陷及其位置,不受桩长、桩径的影响,但需要预埋声测管、费用较高。

(2)测试灌注桩承载特性方面,静载试验法准确度高,但测试周期长,费用高,需要的场地条件高。高应变能较准确的检测桩基承载力,但设备价格高并且会对基桩的完整性会造成破坏。

(3)基于电阻式测试技术、分布式光纤传感技术,对灌注桩桩端阻力、桩侧摩阻力以及桩身内力变化规律进行归纳总结。灌注桩桩端后压浆技术可有效提高桩基承载力并减小桩端沉降量;桩侧摩阻力分布受土层深度等因素影响;对比分析了灌注桩在加卸载阶段桩身变形及轴力分布特征,加载阶段桩身应变随荷载逐级增加,卸载阶段随荷载逐级减小,并且在卸载过程中荷载传递存在时间效应。

(4)相较于传统钢筋应力计、电阻应变片不防水、易破坏等缺点,分布式光纤传感技术更适用于灌注桩服役于复杂的工程环境。对于研究灌注桩关键部位承载性能的演化规律,应优先考虑采用分布式光纤传感技术。