管桩模型光纤光栅测试过程

1.模型试验目的

管桩是一种地基处理方法及桩基础形式，具有施工工期短、施工方便、工业化生产、对施工场地无污染、经济效益可观及适应性强等优点。但是，管桩在施工过程中常出现桩头破碎、桩身爆裂、桩身难以贯入等问题， 严重影响了工程进度和质量。如商合杭高铁某车站地基采用PHC管桩加固，在施工过程中，遇到桩身难以贯入的问题，为研究PHC管桩难以贯入的问题，需对PHC管桩施工过程进行模型试验，拟用FBG传感技术对PHC管桩击入过程进行模型试验和监测，从而获得击入过程中管桩模型的应变参数，在此基础上对管桩击入过程的桩土相互作用进行分析， 查明PHC管积桩难以贯入的主因，为管桩施工积累经验。

• 模型试验材料与设备

试验所需主要设备及材料见下表：

• 试验过程及方法

3.1模型箱的填装及仪器的埋设

试验采用模型箱净长×宽×高为1500mm×1500mm×2000mm,箱底及箱壁均采用有机玻璃板，模型槽骨架用型钢焊接而成。将模型箱组装完成后，安装箱底及箱壁有机玻璃板，并用密封胶进行密封，防止试验时水渗出。

模型试验用土在实际施工现场取得，根据相似理论，结合实际地层特点，模型槽所填土分布如图1所示。模型箱填土时，应主要控制试验用土的密度、含水率、压实度指标与现场所取天然土所测指标相近。装入模型槽时，分10层装入，每层20cm。控制压实度与实测值相似，装填完成后，用环刀取样，测试装填土的密度、含水率等。

图1.模型槽填土分布图

为了研究PHC管桩锤击沉桩时桩周土体中产生的孔隙水压力大小、分布规律及影响范围，需在模型桩周围布置孔隙水压力计，以监测锤击沉桩过程中孔隙水压力的变化规律。孔隙水压力计的布置如图2所示。

图2.孔隙水压力计布设图

为了研究PHC管桩锤击沉桩时桩周土体中产生的土压力大小、分布规律及影响范围，需在模型桩周围布置土压力计，以监测锤击沉桩过程中土压力的变化规律。土压力计的布置如图3所示。

图3.土压力计布设图

当模型箱填土高度达到图1和图2所示相应位置时，进行孔隙水压力计和土压力计的安装布置，每安装完成一个仪器后，对其进行测试，确定是否可以正常工作。

3.2模型桩分布式光纤的布设

为了研究PHC管桩锤击沉桩时，桩产生的应力应变大小及分布规律，在模型桩周围布置分布式光纤应变计，以动态监测锤击沉桩过程中模型桩周应力应变的变化规律。光纤应变计的布置如图4所示。

布设前对模型桩表面进行打磨擦试干净后，用快速粘结剂将传感光纤固定在模型桩表面上，同时对传感光纤施加一定的预应力，使传感光纤段具有一定的初始应变，以便于检测分析时空间定位。最后在传感光纤部位涂覆粘结剂，将传感光纤完全粘贴于模型桩表面，粘结剂完全固化后对“传感模型桩”进行检测，检测合格后准备打入过程试验。

图4.分布式光纤布设图

3.3打桩模拟试验

打桩模拟试验开始前，用模型桩在模型箱一角进行打击力的确认试验，选定一个合适的打击力，能更好的模拟实际打桩过程。

检查模型桩光纤测试系统、孔隙水压力测试系统及土压力测试系统是否正常。试验开始时，将各传感器、分布式光纤和解调仪相连接，给予个测试系统一个初始值。 以同一高度和同一频率开始锤击， 分布式光纤实时监测，同时记录锤击数。模型桩沉桩到设计高度后，暂停， 分布式光纤开始测量，如此重复，直到模型桩到达指定设计高度或者沉降已经趋于停止。

试验过程中，记录锤击数及模型桩计入长度，当击入50cm、100cm、150cm时，分别测量模型桩内土塞的高度。

模型桩在打入过程中，分别打入不同深度、其间暂停 5 min 内测量击入过程中模型桩的分布式光纤数据。统计分析击入不同深度后应变规律，分析出模型桩沉桩过程中桩身应变变化规律。

模型桩在打入过程中，观测孔隙水压力计和土压力计的数据，统计分析击入不同深度后，各孔隙水压力计和土压力计的变化规律，分析出模型桩沉桩过程中，桩周孔隙水压力及土压力的大小、分布规律及影响范围。

3.4打桩模拟试验主要测试数据统计

3.5测试沉桩完成后随时间延续桩土变化情况

试验拟采用单桩竖向抗压静力载荷试验，如图5所示。为测量每级荷载下桩身不同位置的应变，模型桩桩身应变测试系统的布置同打桩模拟试验，数据的接收及处理系统也和打桩模拟试验相同。

统计分析每级荷载作用下沉降的变化规律，绘制p-s变化曲线图，确定模型桩的竖向抗压极限承载力。当模型桩急剧沉降时，视为模型桩达到极限承载力状态。

对桩身分布式光纤数据进行统计分析，可得出桩身轴力随深度的变化的规律，以及桩侧摩阻力和桩端力的变化规律。

沉桩完成后，随时间延续，对桩周围孔隙水压力统计分析变化规律。

图6.竖向加载装置图

3.6不同桩尖形式的模拟试验

完成开口式模型桩的打桩模拟试验后，统计分析试验所得所以数据，分析各类型数据的变化规律，总结相应的试验结果。按照开口式模型桩的模拟试验过程，进行有桩尖模型桩、闭口式模型桩的打桩模拟试验过程，得出相应的试验结果。最后，总结分析三种不同类型的模型桩在打桩过程中，桩身应变的变化规律、

桩周孔隙水压力和土压力的的大小、分布规律及影响范围的差异，得出相关的试验结果及规律。

• 光纤光栅测点布置

沿管桩圆周每90度布置一条测线，共计2条光纤光栅测线；每条测线沿着150cm管桩长度，每隔20cm布置一出光栅测点，即：自上而下25cm、45 cm、65 cm、85 cm、105 cm、125 cm各布置一个光栅测点。

共计2*6=12个光纤光栅测点。

             管桩横断面                          管桩立面