內力測量新技術在灌注樁試驗中的應用研究

楊 雄，何忠意，齊昌廣

(1. 廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663；2.寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

內力測量新技術在灌注樁試驗中的應用研究

楊 雄1，何忠意1，齊昌廣2

(1. 廣東天信電力工程檢測有限公司，廣東 廣州 510663；2.寧波大學 建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

在灌注樁試驗中，引入鉆孔數字測井系統和滑動測微原理相結合的新技術，用于成孔質量檢測和樁基內力測量。在豎向靜載試驗中，根據鉆孔數字測井系統所得的孔徑實測數據，對滑動測微計的應變實測值進行斷面修正，通過進行回歸光滑處理，得到了彈性模量隨應變量級之間的關系，從而能夠計算出每級荷載下的樁身軸力、樁側摩阻力以及樁端阻力；在水平靜載試驗中，以滑動測微計的應變實測值為基礎，通過分析迎力面拉應變曲線和背力面壓應變曲線，求得了最大彎矩點以及極限水平荷載值。

巖土工程；靜載試驗；鉆孔數字測井；滑動測微；內力測量；成孔質量檢測

在常規樁基內力測量技術中，通常借助埋設鋼筋計、電阻應變片、測桿應變計等元件來測出在樁頂荷載作用下的樁身軸力沿樁深的分布，從而計算樁周土側阻力及端阻力。但由于上述測試元件與介質之間無法做到理想匹配以及電測元件零點飄移，且受混凝土凝固硬化的影響較大，因此，所得實測結果誤差較大。即使測量結果較可靠，也只能代表測點處的應變值，兩點之間的變形只能推斷，是一種典型的點法監測。這種點法監測僅僅反映了元件所在點位的應變信息，具有很大的局陷性。另外，對于鉆孔或沖孔灌注樁，樁身成孔孔徑沿軸向分布有很大偏差，常規內力測量并未完全考慮到如何消除孔徑不均勻性和畸點的影響[1-5]。

鑒于此，筆者依托珠海橫琴多聯供燃氣能源站大型樁基試驗，引入滑動測微計線法監測。將鉆孔數字測井系統、線法監測滑動測微法應用到深厚軟土場地大型試驗樁內力測量中。同時借助鉆孔數字測井系統測孔分析深厚軟土場地沖孔灌注樁成孔樁徑-深度變化關系，為內力測量提供孔徑斷面修正數據。通過滑動測微計樁身應變數據，分析彈性模量隨應變量級之間的關系。在豎向靜載試驗中，根據相應測段實測孔徑對實測應變進行斷面修正，計算出軸向力和摩阻力，分析出每級荷載下摩阻力，端阻力等靜力試樁所需的全部參數。在水平靜載試驗中，分析水平靜載試驗時的應變測試數據，根據背力面壓應變曲線和迎力面拉應變曲線，確定最大彎矩點以及極限水平荷載值。

1 內力測量新技術

引入的內力測量新技術是鉆孔數字測井系統和滑動測微技術的結合，特別適用于灌注樁的內力測量中。

1.1 鉆孔數字測井系統

文中所用的測井系統是GZ-2S型灌注樁鉆孔數字測井系統，見圖1。該系統是一種觸探式測試儀[6-7]，由GZ-2S型灌注樁鉆孔數字測井儀、井徑儀、DJ0265型測井絞車等構成。

圖1 鉆孔數字測井系統Fig.1 System of bore-forming digital logging

GZ-2S型灌注樁鉆孔數字測井系統可測孔徑、垂直度及沉渣，孔深測試一般與孔徑測試同時進行。用于孔徑測試的測頭前端有四條測腿，如測腿可在彈簧和外力作用下自動張開、合攏，測頭放入孔底后，張開的測腿以一定的壓力與孔壁接觸，測腿的張開角度隨著孔徑的變化而變化。傘形孔徑儀通過在測頭上安裝的電路將孔徑值轉化為電信號，由電纜將電信號送傳到地面，根據接收、記錄的電信號值計算或直接繪出孔徑。

1.2 滑動測微技術原理

20世紀80年代初，由瑞士聯邦蘇黎世綜合科技大學Kovari教授等人提出線法監測原理及滑動測微技術，并發明了滑動測微計，見圖2[8]。其主體為一個標距1 m、兩端帶有球形測頭的探頭，內裝一個LVDT位移計和一個NTC溫度計。為了測定測線上的應變和溫度分布，沿測線每隔一米安置一個具有精確定位功能的錐形環，環間用HPVC管相連。測試時將滑動測微計探頭放入測管中，即可依次測量相鄰環之間的位移，從而換算成測線方向上的應變。

圖2 滑動測微計構造Fig.2 Structural diagram of sliding micrometer

相比傳統的內力測量方法，滑動測微新技術具有以下特點[9-13]：

1)能連續測定標距為1 m的樁身平均應變，分辨率高(10-3mm)，能夠反映樁身任何部位微小變形。

2)在樁內埋設套管和測環，用一個探頭測量，簡單可靠，不易損壞，而且探頭可以在銦鋼制標定筒內進行標定，筒體溫度系數僅為2×10-6/℃，可有效地修正零點漂移，適用于長期觀測。

3)所用的探頭具有溫度自補償功能，溫度系數小于2×10-6/℃，并且附有一個分辨率為0.1℃的溫度計，可隨時監測測段溫度，可區分溫度應變及應力導致的應變。

4)在每根樁中可以預埋兩根甚至多根測線，可以測定垂直加載時樁身平均應變及水平加載時的應變差，可計算撓度曲線。

2 現場試驗

2.1 工程概況

珠海橫琴多聯供燃氣能源站項目(下稱能源站項目)首期(2×390 MW級)工程場地位于珠江入海口，屬河口三角洲沖積平原邊緣。覆蓋層主要由第四系全新統人工沖填土層、海陸交互相沉積層和殘積層組成。本場地內淤泥、淤泥質土層屬全新統濱海型軟土。全廠區均分布有較厚的淤泥、淤泥質土層厚度大，厚度范圍8.2～42.1 m，平均厚度26.3 m。本項目現場試驗3根沖孔灌注樁(樁號編為S1，S2，S3)，試驗樁基的設計直徑1 000 mm，預估單樁抗壓承載力特征值5 000 kN。試驗設計樁長S1樁46 m、S2樁46.1 m、S3樁40.4 m，混凝土強度等級為C35。

2.2 試驗內容及方法

2.2.1 成孔質量測試

在本試驗中，對S1，S2，S3號樁成孔后均采用GZ-2S型灌注樁鉆孔數字測井系統，對灌注樁鉆孔的深度、垂直度、孔徑等參數進行測量。

2.2.2 豎向抗壓及水平靜載試驗

豎向抗壓靜載試驗加荷方式采用慢速維持荷載法，最大加載量為預估單樁抗壓承載力特征值的2.2倍，即11 000 kN；水平抗壓靜載試驗加荷方式采用單向多循環加載法，試驗不得中間停頓，豎向抗壓及水平靜載試驗的具體操作參照DBJ15-60—2008《建筑地基基礎檢測規范》。

2.2.3 內力測量試驗

每根樁放置鋼筋籠前將2根滑動測微計測管和測環(每隔1 m安裝一個測環)連接好，然后牢固地綁扎在鋼筋籠主筋上，見圖3。將2根測管平行放置在試樁的中心線上，并與水平推力方向一致。待成孔完畢后，將鋼筋籠吊放入鉆孔中(注意擺正測管的位置)，然后澆注混凝土。

圖3 滑動測微計測管和測環的設置Fig.3 Layout of measuring tubes and measuring rings of sliding micrometer

采用滑動測微計測試前后，對探頭采用球錐定位原理來測量測管上的標記和校準，保證其測量精度和穩定性。加載前自上而下及自下而上二次測定每條試管中的初始讀數，以保證測試精度。每級荷載穩定后測定相應讀數，其差值即為各級荷載下每一測段的應變值。

對豎向抗壓靜載試驗時的應變測試數據進行處理，計算相應測段的平均應變。依據各級荷載下的樁頂應變或回歸處理后的零點應變可計算彈性模量隨應變量級的變化規律。繪制彈性模量-應變(E-ε)關系曲線并進行擬合。在計算樁身軸力和樁側摩阻力時采用不同的彈性模量。

在深厚軟土地區，實際沖孔灌注樁由于施工工藝的原因，其截面積往往變化較大。為了消除樁身截面積變化對樁-土體系荷載傳遞特性的影響，將實測試驗樁孔徑的變化歸一化到樁身平均截面積。另外由于樁身應變受混凝土彈性模量、樁身截面積、測管埋設質量以及儀器誤差的影響，會產生一定的測試誤差，不能直接用于摩阻力分析，要對實測曲線進行修正平滑處理。一般采用多項式或者約束樣條擬合法對應變曲線修正。計算出軸向力和摩阻力，繪制樁身軸力-深度關系曲線以及樁側摩阻力-深度關系曲線。

3 試驗結果分析

3.1 成孔孔徑測試結果分析

圖4描述的是采用GZ-2S型灌注樁鉆孔數字測井系統測量的S1～S3試驗樁成孔后孔徑-深度變化關系曲線。

圖4 S1～S3試驗樁孔徑-深度變化關系曲線Fig.4 Relationship curves between bore diameter and depth ofS1～S3 tested piles

由圖4分析可知，由于場地所處區域，軟土層較深厚，S1～S3樁擴徑明顯，各試驗樁的孔徑分析如下：

1)S1樁上部(6～7 m)出現孔徑最大值為1 332 mm；中部較均勻，孔徑約為1 200 mm，27～32 m擴徑明顯，孔徑約為1 300 mm；下部孔徑正常，約為1 150 mm；最小孔徑出現在孔底，為966 mm。整孔平均孔徑為1 178 mm;

2)S2樁上部(10～20 m)擴徑較大，孔徑值約為1 250 mm；中部(20～25 m)孔徑較均勻，孔徑值約為1 130 mm，最小孔徑值為1 119 mm，出現在21 m處；下部(25～36 m)擴徑較大，孔徑值約為1 300 mm；底部(43～45 m)有擴徑，最大孔徑值出現在45 m處，孔徑為1 393 mm。整孔平均孔徑為1 223 mm;

3)S3樁上部(8～18 m)擴徑較大，孔徑值約為1 290 mm；中部(20～25 m)擴徑較小，孔徑值約為1 150 mm；中部(25～31 m)擴徑較大，孔徑值約為1 300 mm，最大孔徑值出現在27 m附近，孔徑為1 340 mm；下部較均勻，孔徑值約為1 200 mm；最小孔徑值為1 044 mm(出現在孔底)。整孔平均孔徑為1 217 mm。

3.2 靜載試驗結果分析

靜載試驗與內力測量結果以S2試驗樁的試驗數據為例,進行分析探討。

3.2.1 豎向抗壓靜載試驗

圖5描述的是S2樁豎向靜載試驗Q-s及logt-s關系曲線。從圖5中可以看出，S2樁豎向靜載試驗過程中，總加載量為11 000 kN，總沉降量為16 mm，殘余沉降量為1 mm，Q-s曲線平緩，無明顯陡降段，logt-s曲線呈平緩規則排列。綜上，該樁極限承載力為Qu≥11 000 kN，承載力特征值為5 500 kN。

圖5 S2樁豎向靜載試驗的 Q-s及 s-t曲線Fig.5 Curves of Q-s and s-t of S2 pile in vertical static load test

3.2.2 水平抗壓靜載試驗

圖6描述的是S2樁水平靜載試驗H-t-Y0曲線及H-ΔY0/ΔH關系曲線。S2試樁水平靜載試驗總加載量為525 kN，最大位移量為46 mm，殘余位移量為25.32 mm，位移量較大；H-ΔY0/ΔH曲線臨界荷載點不明顯，在420 kN荷載作用下，H-ΔY0/ΔH曲線出現極限荷載點。內力測量所得最大彎矩點處鋼筋拉應力曲線臨界荷載點不明顯，在420 kN荷載作用下出現極限荷載點。該樁的水平臨界荷載點不明顯，水平極限承載力Hu=420 kN。

圖6 S2樁水平靜載試驗的H-t-Y0和H-ΔY0/ΔH曲線Fig.6 Curves of H-t-Y0 and H-ΔY0/ΔH of S2 pile in horizontal static load test

3.3 內力測量結果分析

3.3.1 應變的斷面修正

將實測試驗樁孔徑的變化歸一化到樁身平均截面，即采用實測孔徑與平均孔徑之比的平方作為應變修正系數，將此系數乘以相應測得的實測值，其結果即為經過斷面修正的應變[6]。然后采用4次多項式曲線擬合法對應變曲線回歸。圖7為經過斷面修正并回歸后的應變-深度關系曲線，同時由回歸應變曲線得到了零點處的應變，斷面修正與回歸分析能消除樁徑不均勻與畸點影響，使得試驗的應變更有規律。

圖7 S2樁孔徑修正回歸后的應變-深度關系曲線Fig.7 Relationship between strain and depth after bore diameter correction and regression of S2 pile

3.3.2 平均彈性模量

混凝土的應力-應變關系在超過一定的應力水平后呈現出非線性特性，其彈性模量將隨應變或軸力的增加而降低。為了得到符合實際的樁身軸力，應對樁身彈性模量進行校正。利用有限的幾組(Ei，εi)數據得到的平均彈性模量進行計算。根據各級回歸應變曲線，利用樁頂應變可計算不同應變量級下樁身平均彈性模量，由線性回歸，得到Ei=f(εi)的線性方程。利用應變計算樁身軸力及摩阻力時，采用不同應變量級下的E值。平均彈性模量Es可由式(1)給出[9-10]：

(1)

式中：Es為樁身平均彈性模量，GPa；A為樁體平均截面積，m2；εo為樁頂應變，10-6；P為樁頂豎向荷載，kN。

根據回歸處理后的應變曲線，樁頂應變可得到S2樁身平均彈性模量-應變量級的關系曲線，如圖8，擬合后的樁身平均彈性模量可表示為

Ei=(33.29-0.016×εi)

(2)

圖8 S2樁身平均彈性模量-應變量級的關系曲線Fig.8 Relationship between average elastic modulus andstrain magnitude of S2 pile

在計算軸向力時，將按上式結合不同的應變量級選用不同的彈性模量。

3.3.3 樁身軸力與單位摩阻力

任意斷面處樁身軸向力Qi與不同位置處的單位摩阻力fi可分別利用如下公式計算[11]：

Qi=A×Ei×εi

(3)

fi=(Qi-Qi+1)/π/D

(4)

圖9為S2樁身軸力及單位摩阻力-深度的變化關系曲線。可以看出，端阻力隨著荷載的增加而逐漸增大，在最大樁頂荷載11 000 kN作用下，黏土、全風化花崗巖、中等風化花崗巖、強風化花崗巖層側阻力均未達到極限。

圖9 S2樁身軸力及單位摩阻力-深度的變化關系曲線Fig.9 Pile force(S2) and unit friction changing with depth

表1為S2試驗樁豎向抗壓靜載試驗時，通過內力測量所得出的不同荷載下各樁周各土層承擔的平均摩阻力及單位端阻力情況。結合圖9可知，隨著荷載的增加，單位摩阻力隨之增大，且在樁身某一位置出現峰值，樁體上部的側摩阻力有不同程度的降低。各地層的摩阻力自上而下逐漸發展，荷載繼續向下部土層傳遞。樁側摩阻力在7 700 kN時，樁體上部側阻開始出現不同程度的降低，表明粉細砂、淤泥、淤泥質土層的樁側摩阻力已達到極限。另外，隨著樁頂荷載增加，摩阻力承載百分比減少，端阻承載百分比增加，端阻力/摩阻力增加；在最大荷載下，S2試樁的端阻力約占樁頂荷載的37%，樁側摩阻力占總荷載的63%，樁側摩阻力占主導作用。

表1 S2試驗樁樁周各土層承擔的平均單位摩阻力及單位端阻力

3.3.4 臨界荷載、極限荷載與最大彎矩點

圖10(a)和(b)分別為水平靜載時S2樁迎力面拉應變-深度關系曲線和背力面壓應變-深度關系曲線。由圖10可以看出，最大彎矩點距離樁頂約3 m(力作用點距樁頂約為0.5 m)。

圖11中是最大彎矩點處的鋼筋應力-荷載關系曲線。由圖11可以看出，臨界荷載不明顯，極限荷載為385 kN。

圖10 S2樁應變-深度變化曲線Fig.10 Variation curves of strain and depth of S2 pile

圖11 最大彎矩點處鋼筋應力-水平荷載變化曲線Fig.11 Variation curve of reinforcement stress and horizontal load of point of maximum bending moment

4 結 論

筆者針對灌注樁試驗，引入了一種鉆孔數字測井系統和滑動測微原理相結合的新技術，用于灌注樁的成孔質量檢測和其內力測量。該技術通過斷面修正、回歸光滑處理等手段，克服了傳統方法中電測元件匹配差、受混凝土凝固硬化影響大、未考慮孔徑和樁身彈性模量的不均勻等缺陷，并進行了灌注樁現場豎向和水平向靜載試驗，取得了較好的試驗數據。結果分析表明：

1)利用實測孔徑對滑動測微計應變監測值進行斷面修正并回歸處理，很大程度上消除了深厚軟土地區成樁樁徑不均勻與畸點影響，使得試驗所獲取樁側摩阻力及端阻力值更接近實際。

2)在水平靜載試驗中，利用滑動測微計可準確地分析臨界荷載及最大彎矩點。

3)隨著樁頂荷載增加，摩阻力承載百分比減少，端阻承載百分比增加，端阻力/摩阻力增加。

該技術對了解灌注樁承載性狀、樁-土相互作用機理以及工程優化設計起到了重要作用。

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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

國家自然科學基金項目(51508282)

楊 雄(1964—)，男，廣東陽江人，高級工程師，主要從事巖土工程勘察與測試技術方面的研究E-mail:409254812@qq.com。

齊昌廣(1986—)，男，山東濟南人，講師，博士，主要從事巖土工程監測與測試方面的研究。E-mail:qichangguang@163.com。

TU473.1

A

1674-0696(2016)05-085-07