基于光电测试技术桩土界面受力特性模型试验

0　引　言

预制桩静压法施工具有噪音低、承载力高、对桩身破坏性小、环境友好等优点在工程建设中的比重越来越大[1]。目前国内外学者对压桩过程中引起的桩身应力及桩周土压力和孔隙水压力开展了大量现场试验研究，贯入过程中，预制桩因应力测试元件埋设困难等原因，尤其是预应力高强混凝土管桩，与灌注桩相比，采用钢筋应力计测试桩身应力比较困难。通过预埋钢筋应力计的方法研究了预制桩的荷载传递机理和承载性能，并对测试存在问题进行探讨[2-3]。近年来，随着光纤测试技术迅速发展，众多学者将光纤传感测试技术应用于桩基工程[4-7]。唐世栋等[8]、张忠苗等[9]基于软土和淤泥与粉质互层土，在沉桩过程中测试了桩周土压力，探讨了土压力沿桩周的变化规律和影响范围。Roy等[10]、唐世栋等[11]在沉桩过程中测试了灵敏性黏土和软土地基中桩周土的超孔隙水压力，研究了超孔隙水压力大小及分布规律，并与理论解进行了对比。然而，目前的研究和应用都是测试距桩边缘一定范围内的水土压力，鲜有直接测试桩—土界面土压力和孔隙水压力的报道，李杰[12]通过测试静压管桩沉桩和静载过程桩身外壁的竖向和径向压力，研究了桩—土界面侧压力和摩阻力的动态变化规律，发现压桩过程和静载时桩—土界面土压力存在差异。现场试验工作量和费用都较大，容易受施工条件的影响，传感器数据采集也存在误差。鉴于此，本文采用室内模型试验来研究沉桩过程的贯入机制，首次尝试在模型桩桩身表面开槽封装温度自补偿微型光纤光栅应变传感器、微型硅压阻式土压力及孔隙水压力传感器，探讨桩身应力、桩侧土压力和孔隙水压力在沉桩过程中的变化规律，并分析它们各自对桩身轴力的影响。

1　试　验

1.1　试验设计

沉桩模型试验在800 mm×1 200 mm的模型桶内进行。根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)[13]的要求，将取自青岛高新区的粉质黏土土样经过烘干、破碎和过0.075 mm的筛三道工序后，通过控制干密度和含水量的方法重塑地基土，预配好后加压固结，为验证重塑地基土的均匀性，在不同深度处取4组土样测定其物性参数，如表1所示。模型桩选用尼龙棒，具有刚度大、开槽便捷等优势，模型桩的主要参数见表2。

表1　模型地基土物性参数
Tab.1　Physical properties of model foundation soil

表2　模型桩参数
Tab.2　Parameters of model pile

1.2　模型桩传感器安装及试验过程

沉桩过程主要测试模型桩桩身轴力和桩身有效侧压力，有效侧压力为土压力与孔隙水压力的差值。在模型桩桩身表面各1/3处开3个通槽，槽内放置传感器，微型FBG应变传感器间距300 mm，从上到下分别是a-a、b-b、c-c截面，微型硅压阻式土压力及孔隙水压力传感器间距均为150 mm，测头与桩表面保持齐平。模型桩传感器安装如图1所示，实物见图2。压桩力通过固定在加载装置上的高频压力传感器测得，试验采用的动态数据采集系统可实现对测试数据实时、同步采集。试验装置如图3所示。

(a) 自补偿微型应变FBG传感器

(b) 微型硅压阻式土压力传感器和孔隙水压力传感器

图1　传感器安装示意图
Fig.1　Schematic diagram of sensor installment

图2　模型桩实物图
Fig.2　Photo of model pile

图3　试验装置
Fig.3　Test device

2　试验结果及分析

2.1　桩身轴力分布规律

随着桩贯入深度增加，桩身轴力的变化如图4所示。从图4可见，虽然随桩贯入深度的增加，3个不同截面的桩身轴力都呈增大趋势，但具体变化趋势却不尽相同，当贯入深度在0～30 cm时，相对于截面a-a和b-b，截面c-c斜率较大，且其增长速率较a-a、b-b截面较快；当贯入深度在30～70 cm时，截面a-a、b-b斜率变大，而截面c-c斜率反而降低，此时，截面a-a与b-b截面桩身轴力增长速率大于截面c-c的桩身轴力增长速率。对于整个沉桩贯入过程，桩身上部的截面桩身轴力始终大于桩身下部截面的桩身轴力，轴力自上而下逐步传递发挥。

2.2　孔隙水压力分布规律

孔隙水压力随贯入深度变化见图5。由图5可知，贯入深度0～35 cm内，桩土界面处孔隙水压力随着贯入深度增加而增加，但贯入深度0～15 cm内增长斜率明显较大，贯入深度15～35 cm内增长斜率减小，当贯入深度大于35 cm时，桩土界面孔隙水压力随着贯入深度增加而减小，这与文献[14]试验结果相似。

图4　桩身轴力与贯入深度关系
Fig.4　Relationship between pile axial force and penetration depth

图5　孔隙水压力与贯入深度关系曲线
Fig.5　Relationship between pore water stress and penetration depth

2.3　侧压力分布规律

侧压力随贯入深度变化见图6，有效侧压力随贯入深度变化见图7。由图6和图7可知，侧压力和有效侧压力均随着贯入深度增加而增加，但同一土层深度处，侧压力和有效侧压力随着模型桩入土深度的增加反而减小。分析原因，当模型桩刚压入粉质黏土层时，土体受到强烈挤压而被压缩，侧压力很大，随着模型桩入土深度增加，土体发生剪缩变形，土颗粒重新排列，导致侧压力减小，这与文献[15]研究结果一致。

图6　侧压力与贯入深度关系
Fig.6　Relationship between horizontal stress and penetration depth

图7　有效侧压力与贯入深度关系曲线
Fig.7　Relationship between horizontal effective stress and penetration depth

2.4　侧压力对桩身轴力的影响

侧压力对桩身轴力影响见图8，由图8可见，在侧压力影响下，贯入深度在0～55 cm内，截面b-b、c-c随贯入深度增加而增大，贯入深度在55～70 cm内，截面b-b、c-c桩身轴力随贯入深度增加反而减小。截面a-a桩身轴力随贯入深度的增加呈增大趋势，但贯入深度在45～55 cm内，截面a-a桩身轴力变化不大。侧压力对桩身轴力影响值约为1～2倍，最大可达2.7倍。每个沉桩行程结束后，难免在桩身内产生残余应力[16-19]，残余应力存在与否及其能否得到准确估计或量测对桩基承载性状具有重要影响，因此，在研究桩身残余应力时不能忽略侧压力的影响。

图8　侧压力对桩身轴力的影响
Fig.8　Influence of lateral pressure on axial force

3　结　论

① 温度自补偿微型光纤光栅应变传感器性能稳定，可实时监控桩身轴力变化，微型硅压阻式(土压力和孔隙水压力)传感器成活率高，成功测得了桩—土界面土压力和孔隙水压力。

② 在贯入过程中，随着桩身贯入深度的增加，各截面桩身轴力逐渐增大，但不同截面桩身轴力沿深度的变化趋势不同，即靠近桩桩顶位置的轴力始终大于远离桩顶部位的轴力。

③ 静压桩贯入到桩身长度的一半左右时，桩土界面孔隙水压力达到最大值，孔隙水压力对有效侧压力大小起到了关键作用，实际工程中应该得到重视。

④ 侧压力随着贯入深度增加而增加，但同一土层深度处，侧压力随着模型桩入土深度的增加反而减小。本试验条件下，侧压力对桩身轴力影响值约为1～2倍，最大可达2.7倍，在研究桩身残余应力时，不能忽视桩侧压力的影响。