DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.03.028

基于BOTDA光纤传感技术的螺旋挤土灌注桩承载特性现场试验

刘波^{1, 2}，席培胜³，郭杨⁴，章定文^{1, 2}

(1. 东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京，210096；

2. 江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室，江苏 南京，210096；

3. 建筑健康监测与灾害预防技术国家地方联合工程实验室，安徽 合肥，230601；

4. 安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥，230031)

摘要：为了研究螺旋挤土灌注桩(SDS桩)的荷载传递规律及承载特性，将基于布里渊光时域分析(BOTDA)原理的光纤传感技术用于螺旋挤土灌注桩桩基检测，在某工地进行现场试验，测得试桩加载过程中的桩身应变，进而得出桩身轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力，并与同一场地内长螺旋灌注桩(CFA桩)的测试结果进行对比分析。研究结果表明：分布式光纤测量可以方便地获取桩体的荷载传递规律；同一桩顶荷载等级下，SDS桩桩端阻力比CFA桩的小，达到极限荷载时，桩端阻力约占总荷载的8%，设计时SDS桩可按摩擦桩或端承摩擦桩考虑；相同桩体参数和地层条件下，与CFA桩相比，SDS桩的极限承载力提高了约67%，相同桩顶荷载作用下，桩体沉降也比CFA桩的小；SDS桩成桩过程中通过桩周土体的物理挤密和应力状态的改变促进了侧摩阻力的大幅提高，从而承载力得到显著提升。

关键词：螺旋挤土灌注桩；分布式光纤；布里渊光时域分析；荷载传递；承载力

中图分类号：TU473         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)03-0779-08

Field test study of soil displacement screw pile using distributed optical fiber based on BOTDA technique

LIU Bo^{1, 2}, XI Peisheng³, GUO Yang⁴, ZHANG Dingwen^{1, 2}

(1. Institute of geotechnical engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China;

2. Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Nanjing, 210096, China;

3. State and Local Joint Engineering Laboratory of Structure Health Monitoring and Disaster prevention,

Hefei 230601, China;

4. Anhui Institute of Building Research & Design, Hefei 230031, China)

Abstract: In order to investigate the load transfer mechanisms and bearing behavior of soil displacement screw (SDS) pile, a field full-scale test was carried out by BOTDA-based optical fiber sensing technique through embedding optical fiber in piles to detect the pile strain distribution under loading. Then the axial force, the side friction and the tip resistance of SDS pile were also analyzed. The bearing behavior of SDS pile was also compared with that of continuous flight auger (CFA) pile constructed in the same test field. The results indicate that distributed optical fiber monitoring can conveniently obtain load transfer mechanisms of piles. The tip resistance of SDS pile is smaller than that of CFA pile under the same load applied on the pile top, and the tip resistance of SDS pile accounts for about 8% of the whole load when reaching the ultimate bearing capacity, which implies that SDS pile can be considered as friction pile or end bearing friction pile in the design. The ultimate bearing capacity of SDS pile can be increased by 67% compared with that of CFA pile with the same pile parameters and soil conditions. The positive soil compacting effect induced by drilling construction leads to the increase of stress level, which promotes the side friction and therefore improves the bearing capacity of SDS pile.

Key words: soil displacement screw pile; distributed optical fiber; BOTDA; load transfer; bearing capacity

螺旋挤土灌注桩(soil displacement screw，SDS)是一种新型完全挤土型桩^[1-2]。施工时，通过钻机给螺旋挤扩钻头施加扭矩和压力，使钻头在下旋过程中将桩孔中的土体完全挤入桩周，然后通过中空钻杆向桩孔中灌注混凝土，最终形成圆柱形桩体^[3]。由于该桩型兼具技术、经济、环保等优势，目前已在我国推广运用^[4-6]。研发人员先后就螺旋挤土灌注桩的钻头设计、成孔原理、钻机研制等方面进行了一系列室内模型试验^[7-10]、数值仿真分析^[11-13]和现场试验^[14-16]。就现场试验而言，为了研究桩身荷载传递规律，常规方法均是在桩内钢筋笼上埋设钢筋应力计，或者在PVC测管上粘贴电阻应变片，待灌浆结束后立即插入桩身中，后期通过人工采集数据。然而，这些常规的电测试传感器由于寿命短、成活率低、稳定性差、点式测量、破坏结构完整性等缺点，难以满足全尺度精确测量的需要^[17-18]。目前，桩基工程检测技术正从传统点式传感器检测向分布式、自动化、高精度检测发展^[19-20]。近年来兴起的分布式光纤传感技术因具有体积小、质量轻、灵敏度高、测试距离长、抗电磁干扰、防水、耐腐蚀等诸多优点，目前已在建筑、桥梁、桩基础、隧道等监测中得到了广泛运用^[21-24]。本文作者在介绍布里渊光时域分析技术(brillouin optical time domain analysis，BOTDA)测试原理的基础上，依托某实际工程，运用分布式光纤代替钢筋应力计和电阻应变片，测得SDS桩加载过程中的桩身应变，进而得出桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力，研究其荷载传递规律和承载特性，并与同一场地内的长螺旋灌注桩(continuous flight auger，CFA)测试结果进行对比分析，为促进SDS桩推广运用及后期规程制定积累了经验。

1  测试原理与室内试验验证

1.1  BOTDA测试原理

光在光纤中传播时，由于光纤材料不均匀等因素，一部分光将偏离原来的传播方向而产生散射现象，其中瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射是主要的3种。布里渊散射引起的布里渊频移与散射媒介声速成比例关系：

                  (1)

式中：n为光纤折射率；为光的波长。声速与光纤密度直接有关，而光纤密度取决于温度和应变。因此，布里渊频移取决于光纤局部温度和应变，其测量结果也就反映了光纤的温度和应变信息。

通过测量光纤中布里渊散射光的频移即可得到光纤沿线温度和应变信息^[25-26]，布里渊频移与光纤温度和应变的关系为

      (2)

式中：T为光纤温度；为光纤应变为、温度为T时的布里渊频移；为光纤初始应变为0，初始温度为T ₀时的布里渊频移；为应变影响系数，；为温度影响系数， ，为光纤应变。

由式(2)可求得光纤的应变：

     (3)

由于光纤固定在桩身混凝土内，认为桩顶压力作用下光纤与桩身混凝土变形一致，即认为由式(3)求得的应变就是桩身应变。此时，桩身轴力和侧摩阻力可分别由式(4)和式(5)求得：

               (4)

            (5)

式中：为桩身第i截面轴力；为桩身第i截面处的应变；E_ij为在j级桩顶荷载下第i截面弹性模量；A为桩身截面积；为桩身第i截面与第i+1截面间的侧摩阻力；U为桩身截面周长；L_i为第i截面与第i+1截面间距。

应用BOTDA技术对SDS桩进行分布式检测的工作原理就是先将光纤平顺地布设在钢筋笼两侧的主筋上，待灌浆结束后立即把钢筋笼沉入桩孔中，静载荷试验时，利用光纤和周围钢筋混凝土的协调变形，用BOTDA检测系统对分布在桩长范围内的光纤应变信息进行检测，进而根据上述相关公式求得桩身轴力、侧摩阻力和端阻力等。

1.2  可行性室内试验验证

为了验证光纤传感技术在桩基检测中的适用性，现场测试前在室内进行了拉伸试验。试验选取一根钢管，在钢管一侧粘贴分布式光纤，在另一侧粘贴电阻应变片，然后对比拉力作用下这2种方式测得的应变。

钢管拉伸应变测试值如图1所示。由图1可见：分布式光纤与电阻应变片测得的应变基本吻合，由于应变片是点式测量，所测得的数值波动性略大于光纤；由于光纤外包层使内部纤芯不能直接与钢管接触，钢管变形与纤芯的变形不能同步^[27]，因此光纤测得的应变略小于同级拉力下应变片测得的应变。但测桩时，光纤全部埋设于桩体内，与桩体的协调变形较好，且桩体轴向加载远大于实验室内加载，这种影响基本可以忽略。试验结果证明，用分布式光纤代替应变片进行桩基检测是可行的。

图1  钢管拉伸应变测试值

Fig. 1  Measured strain of steel pile

2  光纤铺设与系统参数

2.1  光纤铺设工艺

光纤既是传感元件又是传输介质，它的铺设好坏直接影响测试结果。在参考传统钻孔灌注桩光纤布设工艺^[28]的基础上，考虑SDS桩施工特点，采用如下铺设工艺：光纤选取上，考虑SDS桩是先灌浆后沉入钢筋笼，为了避免沉入钢筋笼时桩孔中的混凝土刮擦光纤及下沉阻力造成光纤损坏，本次试验采用外径5.0 mm的金属基索状应变传感光纤，如图2所示；从桩顶到桩底，在钢筋笼对称的2根主筋上以每隔50 cm的间距，用绑扎带将光纤定点固定在钢筋上，在桩底附近进行局部加密；为了确保光纤平顺、铅直埋入桩体中，固定时给光纤施加一定的拉力；由于BOTDA技术要求光纤形成闭合回路，故铺设在钢筋笼上的光纤呈U字形，U字形底部通过在钢筋笼左右两根主筋间焊接一个钢筋圆环，光纤沿钢筋圆环弯拐180°后由桩底返回桩顶，并用软塑料套管对U字形底部光纤进行保护；在桩顶预留一定长度光纤以便测试时接入BOTDA检测设备，为了防止后期桩头处理对光纤造成损坏，也用软塑料套管对桩顶预留的光纤进行了保护。最终形成的BOTDA分布式光纤量测系统如图3所示。需要指出的是，由于U字形底部光纤离钢筋笼底还有一段距离，故实测桩长略小于设计桩长。

图2  光纤结构示意图

Fig. 2  Structure diagram of optical fiber

图3  BOTDA分布式光纤量测系统示意图

Fig. 3  Diagram of optical fiber measurement system

2.2  系统参数

本次试验采用的检测设备是瑞士Omnisens公司生产的DITEST STA-R系统，最大测量值为50 km，布里渊频移范围10~13 GHz，分辨率0.3 MHz；应变测量范围-3%~3%(-30 000 με~30 000 με)，分辨率2 με；根据光线材质的不同，温度测量范围-273~700 ℃，分辨率0.1 ℃；仪器采样间距0.1 m。

3  现场试验概况

3.1  场地条件

试验场地为某安置房工程建设工地，宏观地貌单元为冲积平原，微地貌单元为河漫滩，场地上部为新近回填及堆积层，下部由第四纪冲积物堆积构成，场地内土层主要物理力学参数见表1。桩长范围内的地下水主要为潜水，分布于粉土层中，埋深于自然地面下2.3~3.3 m，通过大气降水和地表径流补给，由大气蒸发排泄，随季节性变化较大。

表1  土体物理力学参数

Table 1  Parameters of soil in test filed

根据不同建筑功能，场地范围内拟采用预应力混凝土管桩(PHC桩)、长螺旋钻孔灌注桩(CFA桩)和双向螺旋挤土灌注桩(SDS桩)3种桩型。为掌握该场地内SDS桩荷载传递规律、承载特性及后期桩型比选，分别对SDS桩和CFA桩进行现场静载荷试验，并用分布式光纤测得了试桩加载过程中的桩身应变，进而得到桩身轴力、桩侧摩阻力和端阻力等，分析了2种桩型之间的异同。

用于试验的SDS桩和CFA桩桩径均为400 mm，桩长均为9 m，桩体混凝土等级均为C35，桩端进入粉质黏土层。

3.2  测试方法

BOTDA分布式光纤对桩的检测过程与桩的静载荷试验同步进行。加载前先对桩身进行初值测量获得初始值，之后每加一级荷载稳定后、下一级荷载施加前，对传感光纤检测2次，以降低测量误差，如此往复直至加载结束。

数据处理时，取每级荷载下2次检测的平均值作为该级荷载下最终检测值，该值与初始值之差再经一系列换算后即为该级荷载下的桩身实际应变。

4  试验结果分析与讨论

4.1  桩身应变

通过预埋的分布式光纤测得的SDS桩和CFA桩桩身应变分布曲线如图4和图5所示。可见：桩体内光纤应变分布特征明显区别于桩体外自然状态下光纤应变特征，桩体内部两侧光纤大致呈对称分布，且随着荷载等级的增加光纤压应变逐渐增大，桩体外光纤的应变在0左右波动。可能由于SDS桩静载试验时千斤顶合力中心未与桩的横截面形心重合，即存在偏心问题，造成桩身一侧的光纤应变大于另一侧。信号噪声和桩身材料的不均匀也使曲线不是完全平顺，呈现锯齿形波动。为了降低这些影响，在计算桩身轴力、桩侧摩阻力及端阻力前采用相邻平均法对曲线进行平滑处理。

图4  SDS桩桩身应变测试曲线

Fig. 4  Measured strain curves of SDS pile

图5  CFA桩桩身应变测试曲线

Fig. 5  Measured strain curves of CFA pile

4.2  荷载传递规律

图6和图7所示分别为SDS桩和CFA桩桩身轴力和侧摩阻力分布图，其中侧摩阻力以土层上、下分界面之间的平均侧摩阻力表示。由图6和图7可见：SDS桩和CFA桩桩身轴力随着桩顶荷载等级的增大而增大，在同一级荷载下，轴力从上向下传递，轴力随桩体埋深的增加逐渐降低。桩侧摩阻力的发挥与土层性质密切相关，标贯击数越大，土层越致密，所提供的侧摩阻力越大。分析SDS桩侧摩阻力图，随着荷载等级的增加，侧摩阻力逐渐增大，当荷载等级增加至840 kN时，尚未达到极限侧摩阻力；而对于CFA桩，除5.5~8.5 m段出现异常外，当桩顶荷载等级达到560 kN时，桩侧摩阻力不再增加反而有所减小，即此时侧摩阻力已达到了极限值。可见，对于同一性质的土层，SDS桩可以提供比CFA桩更大的侧摩阻力。

图6  SDS桩桩身轴力与侧摩阻力分布图

Fig. 6  Diagram of axial force and side friction of SDS pile

图7  CFA桩桩身轴力与侧摩阻力分布图

Fig. 7  Diagram of axial force and side friction of CFA pile

表2和表3所示分别为不同荷载等级时SDS桩和CFA桩的桩端阻力。可见：随着桩顶荷载增加，桩端阻力随之上升；同级荷载下，SDS桩的桩端阻力及其所占总荷载比例均比CFA桩的小，这说明SDS桩的侧阻力发挥的比CFA桩要多。桩顶荷载等级为840 kN时，SDS桩端阻力达532.83 kPa(69.27 kN)，占总荷载比例为8.25%，桩顶荷载主要由侧摩阻力承担，因此SDS桩为端承摩擦桩。

4.3  极限承载力

现场静载荷试验采用慢速维持荷载法逐级加载，分级荷载为140 kN，第1级荷载为280 kN。图8和图9所示分别为现场测得的SDS桩和CFA桩的载荷Q-沉降s曲线及s-曲线。可见：SDS桩的Q-s曲线为缓变型，CFA桩的Q-s曲线为陡变型，当桩顶荷载同为280 kN时，SDS桩和CFA桩桩顶沉降分别为2.54 mm和3.60 mm，SDS桩桩顶沉降减小约42%；当桩顶荷载同为420 kN时，SDS桩和CFA桩桩顶沉降分别为4.48 mm和8.5 mm，SDS桩桩顶沉降降低了约90%；当桩顶荷载同为560 kN时，SDS桩桩顶沉降为8 mm，而CFA桩桩顶沉降突然增加至31.48 mm。根据JGJ 106—2014“建筑基桩技术检测规范”的规定，结合s-曲线可以判断，SDS桩的极限承载力为700 kN，CFA桩的极限承载力为420 kN，SDS桩的承载力比CFA桩的承载力提高了约67%。

表2  SDS桩桩端阻力

Table 2  Tip resistance of SDS pile

表3  CFA桩桩端阻力

Table 3  Tip resistance of CFA pile

图8  SDS桩Q-s曲线和s-曲线

Fig.8  Q-s and s- curves of SDS pile

图9  CFA桩Q-s曲线和s-曲线

Fig.9  Q-s and s-curves of SDS pile

4.4  讨论

与SDS桩相比，CFA桩表现出的技术优势可从其成桩工艺上进行解释。SDS桩施工时，螺旋挤扩钻头下旋成孔，孔中原有的土体被挤到桩孔周围而很少从地表排出，使桩周土体被大大挤密，由静止土压力(K₀)状态向被动土压力状态转化，径向水平应力大幅跃升，因此桩侧摩阻力显著提高。而CFA桩施工时，钻孔出土卸荷使桩孔侧壁土体产生应力松弛，由K₀状态向主动土压力状态转变，土体密度减小，摩阻力降低。桩侧摩阻力的大幅提高是SDS桩比CFA桩获得更高承载力的主要原因。

5  结论

1) 基于BOTDA原理的光纤传感技术具有分布式、长距离、高精度等优点，用于SDS桩检测可以方便地获取桩身应变、桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端阻力，从而掌握荷载传递规律。

2) SDS桩主要由桩侧摩阻力承担上部荷载，达到极限荷载时，桩端承担的荷载约为总荷载的8%，设计时可视为摩擦桩或端承摩擦桩。

3) SDS桩的承载性能相比CFA桩有很大改善，同一直径、同一桩长、同一地层条件下的SDS桩比CFA桩极限承载能力可提高约67%。

4) SDS桩成桩过程中的挤土正效应促进了桩周土体物理力学性能的改善和应力水平的提高，从而使桩侧摩阻力得到显著提升，这是SDS桩承载变形性能优于CFA桩的主要原因。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2016-03-21；修回日期：2016-06-29

基金项目(Foundation item)：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2242014R30020)；江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师培养对象资助项目(2014) (Project(2242014R30020) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project(2014) supported by Personnel Training Fund for Outstanding Young Teacher of Qinglan Project of Higher Education in Jiangsu Province)

通信作者：章定文，博士，教授，博士生导师，从事交通岩土工程和环境岩土工程研究；E-mail: zhangdw@seu.edu.cn