基于自動化綜合測試系統的基樁內力監測與分析

陳港，馮德安，任毅，張由，周偉

（1 重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016；2 重慶中土勘測設計有限公司，重慶 404100）

0 引言

基樁內力試驗研究分為模型試驗和現場原位試驗， 模型試驗需建立大量的假設條件，而現場原位試驗則更加直接、可靠[1-3]。傳統的現場測試效率較低，費時費力，而自動化綜合測試系統作為一種高精度、高效率的監測手段，特別適用于應力應變測試，是一種功能強大的分布式全自動靜態網絡數據采集系統，由上位機、采集模塊（MCU）、系統軟件及相關配件組成。

本文基于自動化綜合測試系統在工程現場中的實際應用， 通過系統對基樁內力數據進行實時監測，基于此，對基樁內力規律及承載性狀進行分析[4]，以期為類似工程實踐提供一定的參考。

1 工程背景

某工程為高層住宅建筑，地上32 層，地下局部1 層，結構形式為剪力墻結構，建筑結構安全等級為二級。 所在地區抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第一組，建筑抗震設防類別為標準設防類（丙類）。

根據工程地勘報告，擬建場地屬巖溶侵蝕剝蝕丘陵地貌，場地上覆土層為素填土和紅黏土，下伏基巖為白云灰巖1、白云質灰巖2，白云質灰巖2 為場地軟弱層，巖體較破碎。

根據工程特點、工作條件及相關規范選取一根基樁進行內力監測，所監測基樁為機械鉆孔灌注樁，樁徑為1800mm，樁長共16.6m，其中進入紅黏土深度為4.2m，進入巖層深度為12.4m。

2 監測方案

本次測試與工程施工同步，至工程竣工截止，主要測試樁身的應力、應變，采用鋼弦計進行測量，采取全自動監測系統。 系統的測量靈敏度為0.001mm，可集成鋼弦式應變計，達到視線遠程即時采集數據目的。 儀器設備如表1 所示，系統照片如圖1 所示。

圖1 自動化綜合測試系統

表1 儀器設備明細表

本次測試沿受試樁深度方向大約每2.5m 設置一個測試斷面，每個斷面埋設兩個鋼弦計，設點位于圓周兩等分點處(直徑)。

3 數據分析

3.1 樁身初始應變數據分析

如圖2 所示，根據基樁混凝土澆筑完成后不同時間內樁身應變分布可知：

圖2 樁身應變隨時間應變分布圖

（1） 樁身應變均隨著混凝土的凝固成型成為拉應變，且在一定時間內隨著齡期增長，拉應變不斷變大，在達到28d 齡期后呈穩定狀態；

（2） 混凝土齡期達到28d 后，樁身應變最大拉應變為93με，最小拉應變為63με；

（3） 樁身拉應變最大值均出現在樁身中段，其余部位樁身應變較為接近。

分析原因可知，由于混凝土在齡期增長、強度增強階段出現收縮變形，樁身各段均為拉應變；因樁身拉應變最大值均出現在樁身中段，其余部位樁身應變較為接近，由此說明基樁在此工況下樁身自重基本已由側摩阻力消化，拉應變也基本沿樁深度平均分布。

3.2 施工過程中樁身內力數據分析

根據現場施工進程，將上部荷載大致分為九個加載階段[5-7]，各階段相關信息如表2 所示。

表2 加載階段信息表

3.2.1 軸力分析

根據自動化綜合測試系統在施工過程中采集的數據，進行整理后，基樁各階段軸力分布圖見圖3。

圖3 基樁各階段軸力分布圖

根據數據采集結果及分布圖可知：

（1） 在上部荷載不斷增加的過程中，基樁樁身軸力也不斷增大，荷載由開始的樁頂不斷向下傳遞，由于側摩阻力的產生，整個樁身的軸力由上至下不斷減小，樁底軸力甚至為零。 由此可見基樁在上部荷載不夠大時，樁底基本不受力；

（2） 在上部所加荷載比較小時，荷載主要由基樁上半部分產生的側摩阻力承擔；隨著荷載不斷增大，基樁樁身荷載及變形不斷向下傳播，樁身下半部分開始參與工作，樁身周邊巖體也開始產生側摩阻力；

（3） 由基樁分布圖可知，其橫坐標為軸力，縱坐標為樁深，分布曲線的斜率與樁周巖土體產生的負摩阻力相關；由于基樁上部土層相較于下部巖層負摩阻力小，分布曲線較陡，斜率相應較大，反之亦然。 故樁身分布曲線的斜率與巖層側摩阻力呈反比。

3.2.2 側摩阻力分析

樁身側摩阻力是樁身相鄰截面軸力差值與樁側表面積之比，對自動化綜合測試系統在施工過程中采集的數據進行整理后，基樁各階段側摩阻力分布圖見圖4。

圖4 基樁各階段側摩阻力分布圖

根據數據采集結果及側摩阻力分布圖可知：

（1） 基樁側摩阻力沿樁深度分布不均，由于樁身位移連續，樁身側摩阻力隨著荷載增大引起的樁土沉降差變化而出現變化，當上部荷載比較小時，樁身上半部分產生的側摩阻力較大；隨著荷載不斷增大， 基樁樁身下半部分產生的側摩阻力開始不斷變大；

（2） 樁身側摩阻力隨著不同加載階段變化出現兩個峰值，第一次峰值出現在4.0m 處，第二次峰值出現在6.5m 處。 對比各樁位地質剖面圖可知，當上部荷載比較小時，側摩阻力峰值出現在上部土層中，當上部荷載不斷增大，土層側摩阻力不足以抵消時，巖層側摩阻力開始發揮作用并超過土層側摩阻力，最終上部巖層側摩阻力首先達到峰值；

（3） 由于樁基承載力設計特征值遠大于現有荷載水平，土層側摩阻力基本呈增長趨勢，而巖層側摩阻力基本呈遞減趨勢。

4 結語

自動化綜合測試系統在工程現場應力應變監測中體現出了高精度與高效率的特點，通過測試系統對基樁內力數據進行實時監測，得到工程基樁澆筑后及施工過程中基樁內力分布主要規律如下：

（1） 樁基內力初始狀態因混凝土在澆筑后的一段時間內呈流塑狀態， 使得此時基樁上半部分為拉應變， 下半部分為壓應變。 因混凝土在齡期增長、強度增強階段出現收縮變形，樁身各段應變均變為拉應變；

（2） 在上部荷載不斷增加的過程中，基樁樁身軸力也不斷增大，荷載由開始的樁頂不斷向下傳遞，整個樁身的軸力由上至下不斷減??；樁身側摩阻力隨著不同加載階段變化出現兩個峰值，第一次峰值出現在4.0m 處，第二次峰值出現在6.5m 處；當上部荷載比較小時，側摩阻力峰值出現在上部土層中，當上部荷載不斷增大，巖層側摩阻力開始發揮作用并超過土層側摩阻力， 最終側摩阻力峰值出現在上部巖層。