硬粘性土地区PHC桩施工中断桩问题的测试研究

1、硬粘性土地区PHC桩施工中断桩问题的测试研究摘 要：本文针对田集电厂桩基施工过程中的断桩现象，选择4根试验桩进行了施打过程中分布式光纤传感测试和应变应力动态测试，根据测试数据，分析得到硬粘性土地区PHC桩在施打过程中桩身内力的分布与变化情况，为田集电厂PHC桩施打破坏机理分析提供实测依据，得出了在硬粘性土地基条件下，PHC管桩施打过程中因土塞效应产生的环向张力是造成桩身损伤的主要因素。为今后硬粘性土地区电厂建设中PHC桩的设计与施工提供重要的参考依据，具有重要的现实意义。关 键 词：传感光纤；分布式光纤测试；动态测试； PHC管桩1 前 言一期工程场地分布地基土主要为可塑硬塑粉质粘土、粉土、砂

2、土。主厂房、烟囱等主要建(构)筑物地基采用600×110AB型PHC管桩，桩长约28m。在前期烟囱基桩施打过程中，先打入的58根桩，其中25根进行了高应变测试，根据高应变测试结果，13根桩在桩身入土至1724m深度时，距桩尖36m处桩身发生破坏，取芯后发现该段桩身混凝土破碎且钢筋断裂。一般情况下，桩基施工过程中出现断桩的原因大致可归纳为以下5类：(1) 桩身材质的缺陷；(2) 桩靴型式不符合地质条件；(3) 打桩过程中产生的拉应力作用；(4) 打桩过程中产生的压应力作用；(5) 土塞效应引起的环向张力。针对田集电厂工程情况，通过二次试打，基本排除了桩身材质缺陷和桩靴型式影响造成断桩的

3、原因，认为土塞效应引起的环向张力及拉、压应力作用是造成断桩的主要原因。但以何种应力为主尚不清楚。在工程中通过现场试打，采取增加管桩的壁厚、控制锤击能量和锤击应力、加强桩身强度、减少土塞影响等措施基本解决了断桩问题。为了充分弄清桩身破坏机理，为后续类似的工程设计和施工提供指导，我院上海华东电力设计岩土工程有限公司自筹资金针对此工程中遇到的问题进行了淮南地区PHC桩桩身破坏机理测试研究专题研究，拟通过PHC桩施打过程中桩身应力动态测试找出桩身破坏的主导原因。经过技术咨询和论证，与南京大学光电传感工程监测中心合作， 确定了采用动态信号测试系统与电阻应变片及应变式钢筋计进行测试的技术方案；同时，还采用

4、该中心所拥有的先进技术-分布式光纤传感技术(BOTDR) 对施打过程中桩入土不同深度时的桩身残余变形进行分布式测量，据此找出施打过程中各阶段桩身应力和变形分布情况，从而与动态测试结果互相对比，综合分析得到桩身破坏的最终原因。为此我们分别选择2根桩采用分布式光纤传感技术(BOTDR) 和应变应力动态测试技术测试成桩阶段桩身残余变形分布和施打过程中的应变应力分布，同时采用高应变跟踪监测4根试验桩在打桩过程中的桩身完整性、锤击应力和动土阻力情况。2 工程场地岩土工程条件田集电厂工程场址位于淮北冲积平原上，地势相对平坦，地貌类型属冲积平原。地势平坦地面高程一般在22.4m左右。根据勘测资料，地基土分布

5、情况自上而下为：粉质粘土：灰黄色，湿，可塑，上部约20cm左右为耕土，含植物根茎，层厚1.37m(平均值，以下同)。粉质粘土：褐黄色，稍湿，硬塑，下部偶夹可塑的粉质粘土，局部夹少量薄层粉土，层顶埋深1.37m，层厚6.48m。粉土：褐黄色，饱和，稍密，夹粉质粘土，该层厚度不稳定，在水平方向和垂直方向上的变化比较大。层顶埋深7.84m，层厚2.71m。粉质粘土：褐黄色，湿稍湿，可塑硬塑，含姜结石，夹少量薄层粉土。层顶埋深10.55m，层厚5.80m。粉土：褐黄色，饱和，中密，含姜结石与粉质粘土。层顶埋深16.36m，层厚3.38m。粉质粘土：褐黄色，稍湿，硬塑，局部夹粉土。层顶埋深19.74m，

6、层厚3.72m。粉土：深灰色，饱和，中密，下部夹软塑的粉质粘土，局部夹粉砂。局部上部为褐黄色粉土。层顶埋深23.46m，层厚6.29m。细砂：青青灰色，饱和，密实，偶含姜结石，局部上部为褐黄色细砂，下部为青灰色细砂夹硬塑的粉质粘土、粉土。层顶埋深29.75m，层厚7.59m。粉质粘土，青灰褐黄色，稍湿，硬塑，夹细砂、粉土厚层。层顶埋深43.26m，层厚9.50m。细中砂：灰黄黄绿色，饱和，密实，含云母，本次勘察未见底。各土层主要物理力学性质指标见表2，代表性的地层柱状图及与桩长的关系见图2。表2 各土层物理力学性质指标建议值一览表压缩模量Es0.10.2(MPa)压缩模量Es p0p0+0.2

7、 (MPa)(MPa)粉质粘土1.3719.027.30.7720.166.01.1130粉质粘土6.4819.524.90.6940.0710.0112.6250粉土2.7119.329.60.8239.0124.0150粉质粘土5.8019.329.40.820.58.8102.0200粉土3.3819.528.50.78812.0176.0230粉质粘土3.7219.6280.7830.3811.0142.9300粉土6.2919.6270.74215.5198.0290细砂7.5919.721.70.67932.04819.0370粉质粘土9.5019.726.60.7430.4216

8、.035细中砂/19.925.30.72538.050图2 桩的入土深度与地基土层的相关图3 高应变测试4根试验桩编号分别为光1、光2、动1、动2。打桩过程中在进行分布式光纤传感测试桩身残余变形分布和动态测试桩身应变应力分布时，同时进行高应变测试桩身完整性、锤击应力和动土阻力情况的桩身完整性、锤击应力和动土阻力情况。桩身完整性测试结果见表3，各桩不同入土深度时的实测力和速度波形曲线见图3-1图3-3。表3 4根试验桩高应变检测桩身完整性一览表桩号桩 型桩 长桩身完整性光1PHC600-110 AB28.0m入土25.3m时，桩端以上4.7m处桩身断裂光2PHC600-110 AB28.0m完整

9、动1PHC600-110 AB28.0m完整动2PHC600-110 AB28.0m入土26m时，桩端以上3.3m处桩身断裂 入土20m 入土25.3m图3-1 光1号桩不同入土深度时的实测力和速度波形曲线光2号桩 动1号桩图3-2 光2号桩、动1号桩入土26m深度时的实测力和速度波形曲线 入土20m 入土26m图3-3 动2号桩不同入土深度时的实测力和速度波形曲线4 分布式光纤传感测试基于假设的破坏原因，在施打过程中接近破坏时，PHC桩因土塞效应引起的环向张力会产生较大的环向变形或因桩身压应力或拉应力产生较大的轴向变形，因此，通过测试施打PHC桩过程中各入土深度下桩身的环向与轴向的残余变形，

10、就能够找出引起破坏的主导因素。采用分布式光纤传感技术，将单模紧套光纤同时用作应变传感与测试信号传输，可以实现光纤沿线桩身变形的分布式测量。在施打过程中一旦桩身产生损伤而引起较大变形，就能够通过分布式传感光纤的测量数据准确定位；另外，沿桩身环向的残余变形，采用分布式传感光纤也能够实现测量。而采用传统点式的电阻应变计或钢弦式传感器这些都是难以实现的。2根试验桩(光1号桩、光2号桩)分布式传感光纤布设见图4-1。图4-1 试验桩桩身分布式传感光纤布设示意图1号桩测试时间为2005年6月18日，2号桩测试时间为2005年9月2日。其中1号桩在贯入过程中，桩尖入土深度约26m时，大应变测试结果表明桩身发

11、生了破坏。2号桩顺利贯入，大应变测试结果表明桩身完好未出现明显损伤。1号桩测试结果：图3(a) A桩桩身轴向应变1 图3(b) A桩桩身轴向应变2图4-2 1号桩A桩桩身轴向应变分布图4-2为1号桩A桩(下节桩，以下同)的桩身轴向应变分布，图中(a) 与(b) 分别是互成180°的两条光纤测试所得，两者形态基本对称，因此，相对于桩尖入土15m这一工况，以后各工况桩身轴向有一定的弯曲变形，当桩尖入土达到26m时，桩身在距桩尖45m左右位置发生破坏，传感光纤也在该处破坏。 图4-3 1号桩环向应变分布图4-3为1 号桩入土深度分别为16m、18m、20m、22m与24m时，与入土深度为1

12、5 m工况相比较，1号桩各环向应变的分布情况。易见后4个工况下距桩尖1m位置的环向应变增幅较大，说明土塞作用明显；入土深度为24m的工况下，桩尖距4m位置出现2200微应变的环向应变，桩身可能在该位置已出现损伤。2号桩测试结果：图5(a) 1号光纤沿线桩身轴向应变 图5(b) 2号光纤沿线桩身轴向应变图4-4 2号桩桩身轴向应变分布图4-4为2号桩A桩的桩身轴向应变分布，图中(a) 与(b) 分别是互成90°的两条光纤测试所得，易见相对于桩尖入土15m这一工况，以后各工况桩身轴向也产生了弯曲变形，但由于两根光纤不在同一个弯曲平面上，因此其基本形态存在一定差异。但可以基本判定，桩身产生

13、一定的弯曲变形，直到入土28m，桩身光纤应变分布未出现明显异常。 图4-5 2号桩环向应变分布图4-5为入土深度分别为16m、18m、20m、22m、24m、26m与28m时，与入土深度为15m工况相比较，2号桩各处环向应变的分布情况。易见后5个工况下桩尖距36m位置的环向应变增幅明显，说明土塞作用主要表现在该段，但微应变<1500，桩身未破坏。1、2号桩随入土深度增大，土塞所引起的环向应变较明显。特别是发生损伤破坏的1号桩，在桩尖入土深度至18m时，距桩尖1m位置桩身产生了明显的环向应变，且在后续的入土过程中，保持该环向应变，这说明此时距桩尖1m位置混凝土发生了明显的环向损伤。因此可以

14、判定，土塞作用是造成桩身损伤的主要因素。5 打桩过程中桩身应力动态测试为了满足测试要求，我们选择了动态响应好的电阻应变式传感器(钢筋计、应变片)和动态信号采集系统，采集系统采用时分自动数据采集模块，其通道总数为42，总采集信号频率210kHz，即每个通道的采集频率为5000Hz，所有通道均以全桥方式连接应变式传感器。仪器的测量范围为±3000微应变，精度是±4微应变。2根试验桩传感器布置见图5-1，传感器均布置在下节桩内。(1) 箍筋表面安装电阻应变片，(2) 主筋表面安装电阻应变片与钢筋计。由于PHC桩特殊的成桩工艺，为保证传感器的成活率，必须应用特殊的保护措施。比如，在

15、选用传感器以及导线的时候，要考虑他们的环境适应性和耐久性，以确保传感器的最大成活率；选用不同材质的粘结剂来确保传感器的有效粘结，并在选取粘结剂时，也要充分考虑到粘结剂的环境适应性(高温高压适应性，张拉适应性等等) 。2根桩原计划分别布置42只传感器，测试前实际成活传感器：动1号桩20只，动2号桩29只。为了减少存储数据量和数据处理工作量，在桩施打过程中每贯入1.0m采集约10秒数据，在贯入至桩身可能损坏深度时，每贯入0.5m采集一次。图5-1 PHC测试结果及分析：由于测试数据较多，这里仅给出桩代表性入土深度时的测试结果。动1号桩箍筋应力(kN) 图5-2 桩尖入土15m 图5-3 桩尖入土2

16、0m图5-4 桩尖入土24m 图5-5 桩尖入土26m纵筋钢筋计应力(kN) 图5-6 桩尖入土15m 图5-7 桩尖入土20m图5-8 桩尖入土24m 图5-9 桩尖入土26m纵筋应变片应力(kN) 图5-10 桩尖入土15m 图5-11 桩尖入土20m图5-12 桩尖入土24m 图5-13 桩尖入土26m测试结果分析(1) 箍筋桩尖入土8m桩尖入土14m，在每下锤击作用下，箍筋均产生拉应力增量峰值；而随桩尖入土深度的变化，无锤击时箍筋的应力值基本规律为：随桩尖距由1m增至6m，箍筋应力由压应力逐步转为拉应力；并且随着桩尖入土深度的增大。桩尖入土15m进行接桩，在每下锤击作用下，箍筋仍产生拉

17、应力增量峰值；但无锤击时随桩尖距由1m增至6m，箍筋应力普遍转为拉应力，且拉应力值与桩尖距反相关。 桩尖入土18m26m，每下锤击下箍筋应力增量与无锤击下箍筋应力规律与桩尖入土15m相同，唯一的变化为，随桩尖逐步进入持力层，每下锤击作用下箍筋应力增量由原来0.02kN左右增至0.05kN左右。(2) 纵筋桩尖入土8m26m，总体规律为，每下锤击作用下纵筋产生压应力增量峰值，应力增量峰值随入土深度而略有增大；无锤击作用下纵筋应力逐步由压应力转为拉应力。根据测试结果，在整个基桩锤击入土的过程中，随桩尖入土深度的增大，箍筋拉应力峰值与纵筋压应力峰值均未出现明显异常变化，因此可以认为动1号试验桩未发生

18、损伤动2号桩箍筋应力(kN) 图5-14 桩尖入土15m 图5-15 桩尖入土19m图5-16 桩尖入土19.5m 图5-17 桩尖入土20m图5-18 桩尖入土23.5m 图5-19 桩尖入土25m纵筋钢筋计应力(kN) 图5-20 桩尖入土15m 图5-21 桩尖入土19m图5-22 桩尖入土19.5m 图5-23 桩尖入土20m图5-24 桩尖入土23.5m 图5-25 桩尖入土25m纵筋应变片应力(kN) 图5-26 桩尖入土15m 图5-27 桩尖入土19m图5-28 桩尖入土19.5m 图5-29 桩尖入土20m图5-30 桩尖入土23.5m 图5-31 桩尖入土25m测试结果分析

19、(1) 箍筋桩尖入土1519m时，锤击作用下桩尖距不同的箍筋均产生拉应变增量峰值；无锤击作用时，箍筋的应变值变化规律为随桩尖距的增大，逐渐由拉应变转为压应变。至19.5m时桩尖距1m处箍筋应力出现明显异常，在第3下锤击时发生了应力的突然增大，应力突然增大10倍，此后每下锤击作用下应力都发生陡增；此外，桩尖距2m处箍筋应力也出现了异常增大。这说明该位置桩身发生了突然损伤，箍筋发生了屈服，且在锤击作用下变形不断增大。桩尖入土2023m时，桩尖距1m位置部分箍筋信号无振动波形出现，说明该处应变片已失效；桩尖距1m与2m位置与其它位置相比，差异较大，但绝对值均小于桩尖入土19.5m时的情况，且无锤击时

20、桩尖距2m位置的箍筋应变值大于桩尖距1m位置的箍筋应变值。桩尖入土24m时，桩尖距4m位置箍筋出现明显异常，随锤击而受拉屈服。桩尖入土24m时，桩尖距3m位置箍筋发生了受拉屈服；而桩尖入土25m时，而桩尖距2m位置箍筋发生了压曲。(2) 纵筋桩尖入土1519m时，锤击作用下纵筋产生压应变增量峰值；无锤击作用时，纵筋应力值变化规律为随桩尖距的增大，压应力增大。至19.5m时桩尖距1m与2m位置纵筋的应力发生异常，且与箍筋发生异常的时刻完全相同，1m处纵筋的在第3下锤击时突然发生了永久的压应力增量，而2m处纵筋从第3下锤击开始逐步产生永久的拉应力增量。这说明桩身在桩尖距1m附近产生了环向损伤。桩尖入土2023m时，桩尖距1m与3m位置钢筋计信号无变化，说明这两个传感器受压失效；桩尖距2