分布式光纖在PHC試驗樁承載力檢測的應用

林黎陽 牛飛

摘 要：本文采用光纖傳感器結合靜載的試驗方法檢測PHC樁的樁基承載力，介紹了光纖傳感器的技術原理及安裝工藝，通過計算分析可以得到試驗樁的軸力、側摩阻力、端阻力等參數的變化；并可根據樁的受力特點指導樁基施工；亦可為沉樁工藝參數及樁長選擇提供依據。該技術在為獲取詳細承載力參數的試樁階段有較高的應用價值。

關鍵詞：PHC樁 光纖傳感器 靜載

1.前言

近幾年來，隨著我國經濟建設和城市化的高速發展，PHC管樁因其具有承載力高、應用范圍廣、沉樁質量可靠、工程造價便宜等特點而得到了廣泛的應用。為創造最大的技術經濟效益，合理選擇PHC樁基設計方案，充分發揮PHC樁樁土體系的力學性能，在PHC樁全面施打之前，選擇試驗樁進行承載力、軸力、端阻力測試具有重要意義。單樁抗壓靜載試驗是檢測基樁豎向抗壓承載力最直觀、 最可靠的方法，可將光纖技術與靜載試驗相結合，進而獲取試驗樁的軸力、側摩阻力、端阻力分布狀態及變化規律。

基于BOTDR原理的分布式光纖傳感器能夠成功地應用于PHC樁的內力測試，不僅能夠測試樁身的應變分布，還可以計算出樁身內力、樁周側摩阻力及樁端阻力。本文通過測試埋設分布式光纖傳感器的PHC樁在靜載試驗中樁身應變的分布，分析試驗樁側摩阻力的分布規律及發展規律。

2.基本原理及試驗方法

2.1光纖技術原理

2.2數據處理

可通過儀器測得的光纖的軸向壓應變ε（Z），由于測試時光纖固定在樁身混凝土內，樁身受荷過程中，光纖產生的軸向變形與樁身混凝土軸向產生的變形一致，因此樁身混凝土的壓應變與光纖傳感器的應變ε（Z）相同 。由此可計算樁身壓應力σ（Z）、樁身軸力Q（Z）、樁側摩阻力qs（Z）為樁側分布摩阻力。

2.3光纖傳感器的安裝方案

通過在PHC管樁樁身開槽布設光纖傳感器，沿管樁呈中心對稱方式布設兩條U型回路光纖傳感器，光纖布設示意圖如圖2所示。涂抹環氧樹脂膠體填充槽內空隙，待環氧樹脂固化后，光纖傳感器與PHC樁形成一體。對樁頭、樁尾處接樁部位處光纖穿入5mm鎧裝光纖護套進行保護，對土塞不影響的接樁部位，光纖傳感器從樁芯內連接穿過，對土塞能夠影響的接樁部位，光纖傳感器從PHC樁外側連接通過，在其外面纏繞多層涂有環氧樹脂膠的玻璃絲布進行保護。

3.工程實例

3.1工程概況

某在建重力式碼頭工程，該重力式碼頭采用沉箱結構，后方回填中粗砂，回填后采用振沖密實法處理。根據設計方案，在振沖密實后的回填砂地基上施打PHC樁，PHC樁直徑為600mm，壁厚130mm，選擇的試驗樁設計樁長27m，有上下兩節樁拼接而成，上節樁長14m，下節樁長13m。試驗樁貫穿的地層為：中粗砂，中密，層厚22.5m；黏性土混砂，層厚1.0m；中砂，層厚1.7m；強風化變粒巖，粗粒結構裂隙發育，樁端極限阻力標準值9000kPa，巖心呈堅硬土狀～半巖半土狀，主要礦物為石英、云母等，局部含風化巖塊，該層為樁端持力層。

3.2測試成果分析

靜荷載試驗的 Q—s 曲線的線型是樁身材料或樁周土破壞機理和破壞模式的宏觀反映，受工程樁條件的限制，本次試驗未做到樁土體系極限破壞狀態。試驗樁Q-s，s-lgt曲線如圖3所示，試驗加載至5000kN時，最大總沉降量為15.72mm，殘余沉降量為2.71mm，回彈率為82.8%。在整個試驗過程中樁頂沉降量不大，且Q-S曲線平緩，無明顯陡降段，S-lgt曲線平緩規則排列；樁身回彈率很大，說明試驗樁樁頂沉降量主要由樁身彈性變形引起；試驗樁的單樁豎向抗壓靜載極限承載力Qu≥5000kN。

在靜載試驗過程中測得的應變分布隨荷載變化關系如圖4所示，從圖中可以看出：在2號測線上下樁接樁部位光纖熔接光損較大，對2號測線測試數據帶來影響。4條應變曲線總體變化趨勢相同，應變值從樁頂到樁底呈減小趨勢，能夠很好的反映樁身應變情況；4條應變曲線在部分深度位置發生較大起伏，與傳感器樁尾彎曲位置及焊接位置相對應。當樁頂荷載達到最大5000kN時，4條測線樁頂應變約為630με，樁端應變約為300με。比較4條測線測試應變曲線，1號和4號測線樁頭部位測試應變均大于2號和3號測線，且4號測線樁頭應變最大；這主要是進行樁身荷載時，存在向1號和4號測線方向偏心荷載作用，且4號測線荷載相對較大。

3.3PHC樁承載測試分析

通過測試試驗樁在各級荷載下的應變值，計算試驗樁各截面的軸力，試驗樁樁身軸力及側摩阻力分布如圖5所示。從圖中可以看出：隨著試驗荷載增大，樁身軸力曲線整體增大；從樁頂到樁底，樁身軸力受側摩阻力作用，樁身軸力隨深度加深不斷減小。在試樁過程中，中粗砂的側摩阻力穩定發揮，隨著荷載增大，其側摩阻力整體增大。⑤3粘性土混砂和⑤1中砂側摩阻力隨著荷載的增大而不斷增大，變化明顯。當荷載達到5000kN時，所有土層側摩阻力增長幅度均變小；中粗砂層側摩阻力趨于平穩，增長很小，⑤3粘性土混砂和⑤1中砂側摩阻力仍增長明顯。繼續增大荷載，中粗砂層側摩阻力基本不再增大，主要受力土層的側摩阻力得到了充分的發揮，⑤3粘性土混砂和⑤1中砂側摩阻力仍有增大空間。

試驗樁測試得到的樁端阻力大小和變化趨勢見表1和圖6。在第一級荷載（1000kN）作用時，樁端阻力很小，樁身荷載主要由樁身側摩阻力提供。從第二級荷載開始（1500kN），樁端阻力迅速增長，開始發揮樁身荷載持力主要作用。當荷載達到5000 kN，樁端荷載達到總荷載的54%，該樁按受力特點可判定為摩擦端承樁；樁端阻力計算值達到9576.32kN，為樁端極限阻力標準值的106%，樁端阻力已接近樁端極限值，樁端阻力已充分發揮。

4.結論

采用光纖傳感器結合靜載試驗的方法，獲得樁側摩阻力的分布規律及發展規律，可得出以下結論：

（1）4條應變曲線總體變化趨勢相同，應變值從樁頂到樁底呈減小趨勢，能夠很好的反映樁身應變情況；4條應變曲線在部分深度位置發生較大起伏，與傳感器樁尾彎曲位置及焊接位置相對應。通過計算分析獲得樁身軸力、側摩阻力、樁端阻力的分布規律。

（2）當荷載達到最大試驗荷載時，所有土層側摩阻力增長幅度均變小；中粗砂層側摩阻力趨于平穩，增長很小，主要受力土層的側摩阻力得到了充分的發揮。

（3）當荷載達到最大試驗荷載時，樁端荷載達到總荷載的54%，該樁按受力特點可判定為摩擦端承樁；樁端阻力計算值達到9576.32kN，為樁端極限阻力標準值的106%，樁端阻力已接近樁端極限值，樁端阻力已充分發揮。

（4）PHC樁方案經濟合理，當荷載達到最大試驗荷載時，樁的側摩阻力及樁端阻力均得到了充分的發揮，因試驗樁以樁端受力為主，在沉樁過程中應保證樁端進入強風化變粒巖。

參考文獻：

[1]魏廣慶，施斌，賈建勛，等.分布式光纖傳感技術在預制樁基樁內力測試中的應用[J].巖土工程學報，2009，31（6）：911-916.

[2]李睿，高原，周煦，等.分布式光纖感測技術在成都地區旋挖成孔灌注樁樁身內力測試中的應用[J].四川建筑，2017，37（3）：163-166.

[3]劉晶晶，李叢.分布式光纖在樁基靜載試驗中的應用[J].吉林大學學報（地球科學版），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]中華人民共和國交通部.JTS 255-2002，港口工程樁基靜載荷試驗規程.北京：人民交通出版社，2002.