胡 楊，郭通達(dá)，龍萬(wàn)學(xué)，姜 波，何 健

(1.貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550001)

雙排圓形樁[1]是由系梁將前、后排圓形樁連接而成的一種新型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，比單樁[1]有更大的整體剛度，因其結(jié)構(gòu)的空間特性，雙排圓形樁[2-3]能有效解決深基坑、高懸臂、變形要求苛刻等的基坑工程問(wèn)題，是常用的基坑支護(hù)形式，但其受力計(jì)算復(fù)雜[4]，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)能真實(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)雙排圓形樁在基坑支護(hù)中的變形規(guī)律和內(nèi)力分布，這必然會(huì)更加符合工程實(shí)際.

常用的基坑支護(hù)樁監(jiān)測(cè)技術(shù)大多是基于點(diǎn)式監(jiān)測(cè)原理的，如鋼筋計(jì)、應(yīng)變片等，該類監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)誤差、離散性大，僅能測(cè)得有限的幾個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變值，難以計(jì)算樁身彎曲變形，同時(shí)在地下環(huán)境中傳感器難安裝、壽命低、耐久性差，與監(jiān)測(cè)對(duì)象兼容性差，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離及分布式的監(jiān)測(cè)目標(biāo).

分布式光纖傳感技術(shù)是近年來(lái)隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種感知(應(yīng)變、溫度)和傳輸外界信號(hào)的新型傳感技術(shù)，該技術(shù)根據(jù)散射類型可分為瑞利散射(OTDR)、拉曼散射(ROTDR)、布里淵散射(BOTDR、BOTDA、BOFDA)，其中OTDR主要用于變形位移監(jiān)測(cè)，其特點(diǎn)為單端測(cè)試、便攜快速，但測(cè)試時(shí)受干擾因素多且精度低；ROTDR主要用于溫度、水位監(jiān)測(cè)，其特點(diǎn)為測(cè)試距離長(zhǎng)、對(duì)溫度敏感，但空間分辨率低、精度低；BOTDA是受激布里淵散射光時(shí)域分析技術(shù)，可以感測(cè)應(yīng)變、溫度、位移、變形、擾度，可以實(shí)現(xiàn)雙端測(cè)量，具有全分布式、精度高、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)，目前廣泛應(yīng)用于滑坡支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變、隧道圍巖應(yīng)力、樁基測(cè)試、大體積混凝土溫度變化等監(jiān)測(cè)中.

本文以竇官基坑工程為例，結(jié)合BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)和深層位移監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用到雙排圓形樁的樁身變形及應(yīng)變監(jiān)測(cè)中，從安裝到采集基坑開挖過(guò)程中前后排樁不同深度的水平變形和結(jié)構(gòu)微應(yīng)變[5].探討了雙排圓形樁在實(shí)際工程中的變形規(guī)律及結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)，為雙排圓形組合式支護(hù)樁的設(shè)計(jì)和施工提供工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn).

1 基于BOTDA支護(hù)樁受力變形監(jiān)測(cè)

BOTDA是基于受激布里淵光散射的一種分布式光纖傳感技術(shù)，其利用光纖中的布里淵背向散射光的頻移與溫度和應(yīng)變變化間的線性關(guān)系[6-7]實(shí)現(xiàn)感測(cè).當(dāng)光纖受外界因素(如變形、溫度、應(yīng)力等)影響時(shí)，光波在光纖中的傳播過(guò)程中，布里淵頻率發(fā)生漂移，即可通過(guò)頻移量與光纖應(yīng)變和溫度的線性關(guān)系，分布式測(cè)試沿傳感光纖的應(yīng)力應(yīng)變及溫度[8-10]，見(jiàn)式(1).

(1)

式中：υB(0)為應(yīng)變、溫度初始值時(shí)的布里淵頻率；υB(ε,T)為應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟萒的布里淵頻率；dυB(T)/dT和dυB(ε)/dε分別為溫度、應(yīng)變系數(shù)；(T-T0)為溫度變化值；ε為光纖應(yīng)變.

分布式光纖傳感技術(shù)在雙排圓形支護(hù)樁的變形監(jiān)測(cè)示意見(jiàn)圖1.光纖變形受支護(hù)樁自重應(yīng)力影響小，可忽略，因此在支護(hù)樁任意橫截面上的正應(yīng)力δz可認(rèn)為是作用在橫截面上的軸向應(yīng)力[11].根據(jù)歐拉-伯努利梁理論可知，支護(hù)樁在軸向應(yīng)力作用下受彎產(chǎn)生的截面彎矩M(x)如下式.

(2)

支護(hù)樁澆筑受材料的不均一性及施工等因素影響，樁身前后側(cè)光纜位置距離中性面為x1、x2，樁截面見(jiàn)圖3，光纜相對(duì)中性軸的力矩平衡，那么支護(hù)樁在軸向應(yīng)力作用下受彎產(chǎn)生的截面彎矩M(x)可表示為

(3)

剪力Q(x)則可根據(jù)材料力學(xué)對(duì)彎矩求一階導(dǎo).

土抗力F(x)可表示為

F(x)=M(x)″

(4)

傳感光纜固定在樁內(nèi)前后側(cè)的受力主筋上，如圖1、3所示.

圖1 排樁縱斷面-監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.1 Vertical section of row of piles-Schematic diagram of monitoring principle

圖2 竇官基坑平面示意圖Fig.2 Schematic diagram of Douguan foundation pit

圖3 排樁橫截面-監(jiān)測(cè)原理示意圖Fig.3 Cross section of row of piles-Schematic diagram of monitoring principle

在基坑土體壓力的作用下，支護(hù)樁受彎變形，沿支護(hù)樁軸向方向上的點(diǎn)y(z)距相應(yīng)位置的中性面處的一點(diǎn)由彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變?chǔ)舖(z)與曲率半徑ρ(z)之間的關(guān)系見(jiàn)式(5).

(5)

其中，y(z)為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)與彎曲中性軸間的距離，又

(6)

聯(lián)解(5)、(6)式可得出支護(hù)樁撓度值ω(z).

支護(hù)樁樁底嵌于中風(fēng)化灰?guī)r內(nèi)，假定樁底固定，可簡(jiǎn)化為懸臂梁結(jié)構(gòu)，據(jù)邊界條件可知常數(shù)M、N為零，則支護(hù)樁樁身水平位移與應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為

(7)

其中：E為支護(hù)樁彈性模量；Iy為橫截面相對(duì)中性軸的慣性矩；x為監(jiān)測(cè)點(diǎn)距中性軸的距離；z為支護(hù)樁樁身長(zhǎng)度；εx1(z)和εx2(z)為單根支護(hù)樁某一橫截面上對(duì)稱位置的光纜應(yīng)變測(cè)值.將光纜所測(cè)應(yīng)變代入式(7)中進(jìn)行積分計(jì)算，即可求得樁身不同位置處的撓曲變形[12].

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

竇官基坑項(xiàng)目位于貴陽(yáng)市觀山湖區(qū)，長(zhǎng)約440 m，寬約60 m，開挖深度約為9.5～12 m，基坑南側(cè)及西側(cè)緊鄰軌道交通1號(hào)線，AB段為軌道交通1號(hào)線擋墻，BC段有軌道交通1號(hào)線高架橋(如圖2所示).AB段及BC段高架橋墩臺(tái)位置在基坑邊界線外設(shè)置雙排樁，并采用冠梁、連梁進(jìn)行連接，冠梁及連梁寬為1.4 m，冠梁高1 m，連梁高1.2 m，排樁直徑1.4 m；AB段考慮變形控制要求，排樁間距為2.2 m，排距為2.3 m，其余位置排樁間距為2.6 m，排距為2.5 m，排樁樁間采用樁間板進(jìn)行封閉處治，厚度為20 cm，見(jiàn)圖4竇官基坑典型斷面1.

圖4 竇官基坑典型斷面1Fig.4 Typical section of Douguan foundation pit 1

根據(jù)鉆探揭露情況，場(chǎng)地上覆土層主要有第四系雜填土及殘坡積層紅黏土，厚度為11～16 m，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組深灰、灰色，薄～中厚層灰?guī)r，局部含泥質(zhì).

為了準(zhǔn)確地掌握基坑開挖的變形變化特征，在了解基坑地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等基礎(chǔ)上，結(jié)合先進(jìn)的分布式光纖傳感技術(shù)和常規(guī)監(jiān)測(cè)手段，分別對(duì)基坑的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、變形場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而左側(cè)18#墩為軌道路基與橋梁銜接位置，且該位置覆蓋層厚度相對(duì)較大，支護(hù)樁受基坑開挖受力相對(duì)敏感，故選取距軌道橋梁18#墩左側(cè)2.3 m的雙排樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，支護(hù)樁參數(shù)見(jiàn)表1所示.

表1 支護(hù)樁參數(shù)取值Tab.1 Parameter values of supporting pile

2.2 基坑開挖過(guò)程光纖監(jiān)測(cè)

圖5為光纜在雙排支護(hù)樁前、后排樁的布設(shè)圖.光纜在后排樁及前排樁內(nèi)各埋設(shè)U1、U2回路，綁扎在支護(hù)樁受側(cè)向土壓力方向上迎土側(cè)和背土側(cè)的主筋上，U1、U2回路串聯(lián)外接光纖調(diào)制解調(diào)儀.

圖5 支護(hù)樁樁內(nèi)光纜布設(shè)圖Fig.5 Optical cable layout diagram in the supporting pile

支護(hù)樁的混凝土保護(hù)層厚度為5 cm，鋼筋籠半徑為65 cm，故綁扎在單樁前后對(duì)稱主筋上的光纖間距△x為130 cm，U1、U2回路有效測(cè)試長(zhǎng)度為13.5 m，為距樁頂0.5～14 m范圍內(nèi).混凝土澆筑完全凝結(jié)后，應(yīng)變光纜與支護(hù)樁實(shí)現(xiàn)完全耦合、協(xié)調(diào)變形.光纖現(xiàn)場(chǎng)綁扎、熔接及測(cè)試見(jiàn)圖6.

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖Fig.6 Field test diagram

2.3 光纖測(cè)試結(jié)果分析

基坑雙排圓形支護(hù)樁澆筑完成后，至2020年12月30日，共對(duì)支護(hù)樁的樁身應(yīng)變有效監(jiān)測(cè)7次，通過(guò)光纖調(diào)制解調(diào)儀分別讀取樁身的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)式(1)換算整理得樁身應(yīng)變曲線，圖7為后排樁身應(yīng)變曲線，圖8為前排樁樁身應(yīng)變曲線.

圖7 后排樁應(yīng)變分布曲線Fig.7 Strain distribution curve of the rear piles

圖8 前排樁應(yīng)變分布曲線Fig.8 Strain distribution curve of front row piles

(1)后排樁光纖測(cè)試

在整個(gè)基坑開挖階段，樁身在土壓力作用下，受彎變形，軸向上產(chǎn)生較大的拉應(yīng)變，2019年12月初基坑開挖全部見(jiàn)底，后排樁最大應(yīng)變量達(dá)156×10-6，且趨于穩(wěn)定.

(2)前排樁測(cè)試光纖

在基坑開挖初期，前排樁受后排樁通過(guò)連系梁傳遞的力的作用，受壓變形，隨著基坑的開挖，前排樁懸臂長(zhǎng)度增加，逐漸受樁間土壓力作用，受彎變形，拉應(yīng)變?cè)龃?，最大拉?yīng)變達(dá)100×10-6.

(3)對(duì)比分析前后排樁的應(yīng)變分布曲線，基坑開挖初期，后排支護(hù)樁直接承受基坑側(cè)向土壓力，通過(guò)系梁，前排支護(hù)樁間接分擔(dān)少部分土壓力，后排樁身應(yīng)變大于前排樁身應(yīng)變，而隨基坑挖至基底，前后排樁存在樁間土，前排樁逐漸分擔(dān)后排樁所受土壓力，前排樁應(yīng)變?cè)龃?，而后排樁?yīng)變趨于平穩(wěn).

在該過(guò)程中，樁土應(yīng)力在不斷地重分布，至基坑開挖完成后，前后樁變形基本穩(wěn)定，表明了雙排圓形支護(hù)樁起到了很好的基坑支護(hù)效果.

2.4 基坑開挖過(guò)程深層位移監(jiān)測(cè)

根據(jù)基坑特點(diǎn)，支護(hù)樁中測(cè)斜孔重點(diǎn)選擇了A97雙排支護(hù)樁，布置了JCK1在前排樁內(nèi)，監(jiān)測(cè)孔深14.5 m，位置如上圖4所示，主要是用以觀測(cè)基坑開挖過(guò)程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及變形位移量與時(shí)間關(guān)系，分析基坑開挖變形是否收斂及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[14].

據(jù)深層位移監(jiān)測(cè)曲線—時(shí)間曲線，見(jiàn)圖9.基坑支護(hù)樁等結(jié)構(gòu)施工完成后，基坑AC側(cè)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：2019年3月受基坑初期開挖降水影響，支護(hù)樁樁頂位移緩慢增大；2019年3月至5月，隨著基坑進(jìn)一步開挖，支護(hù)樁樁頂變形速率增大；截止至2019年12月，基坑開挖已全部見(jiàn)底，變形趨于平穩(wěn)，支護(hù)樁累計(jì)位移為2.3 mm，整體變形較小，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài).樁內(nèi)測(cè)斜管的變形主要出現(xiàn)在樁身0～9 m范圍內(nèi)，該段位置相對(duì)變形較明顯，該區(qū)域?yàn)槭芎啥危?～14.5 m范圍內(nèi)樁身變形趨于零，該區(qū)域?yàn)殄^固段未發(fā)生明顯變形.

通過(guò)對(duì)比分析前排樁的深層位移監(jiān)測(cè)曲線與由分布式光纖監(jiān)測(cè)樁身應(yīng)變推算(式10)的樁身側(cè)向位移曲線可知：兩者曲線分布規(guī)律及數(shù)值大小基本一致，表明了光纖在基坑支護(hù)樁受力應(yīng)變的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中是有一定的可靠性和準(zhǔn)確性的如圖10.

根據(jù)基坑施工過(guò)程的深層位移監(jiān)測(cè)，可知AC側(cè)基坑開挖變形到變形收斂的一個(gè)完整過(guò)程，基本上掌握了其變形規(guī)律，如變形位置、位移大小、速率及方向及穩(wěn)定狀況等，觀測(cè)成果可以作為基坑安全監(jiān)控的重要依據(jù).

圖9 深層位移監(jiān)測(cè)曲線Fig.9 Monitoring curve of deep-seated displacement

圖10 光纖測(cè)試側(cè)向位移曲線Fig.10 Lateral displacement curve of fiber test

3 光纖測(cè)試內(nèi)力成果分析

3.1 樁身彎矩剪力

根據(jù)前、后排樁的樁身-應(yīng)變曲線，通過(guò)式(2)～(4)得基坑穩(wěn)定時(shí)雙排樁的內(nèi)力分布情況，建立樁身內(nèi)力-樁身長(zhǎng)度關(guān)系曲線，成果見(jiàn)圖11和圖12.

根據(jù)分布式光纖監(jiān)測(cè)成果可知：

(1)從圖11曲線可以看出，后排樁受土壓力作用，發(fā)生彎曲變形，在基坑底面以下約2 m位置，彎矩最大為1 430 kN·m；后排樁通過(guò)系梁及樁間土將力傳遞至前排樁及穩(wěn)定地基，產(chǎn)生抗力，系梁連接處及錨固段為負(fù)彎矩，最大負(fù)彎矩為680 kN·m；前排樁樁身11.5 m位置彎矩最大，為845 kN·m.

(2)從圖12樁身剪力分布曲線可知，前后排樁在8.6 m(基坑底部)區(qū)域的剪力最大，后排樁的最大剪力值為570 kN，前排樁為290 kN，前后排樁在11～14 m區(qū)域的剪力為負(fù)，剪力方向與土壓力方向相反，表明排樁在該位置受巖土抗力起到抗滑作用.

(3)對(duì)比分析前后排樁受側(cè)向土壓力作用產(chǎn)生的彎矩可知，后排樁最大彎矩大于前排樁的，最大彎矩比值約1.7，前后排樁設(shè)計(jì)參數(shù)一致的情況下，可認(rèn)為后排樁所分擔(dān)的荷載[15]大于前排樁的.

圖11 樁身彎矩分布曲線Fig.11 The bending moment distribution curve of the pile

圖12 樁身剪力分布曲線Fig.12 Shear force distribution curve of pile

3.2 土壓力

通過(guò)式(6)反推出得基坑穩(wěn)定時(shí)雙排樁的土壓力分布情況，成果見(jiàn)圖13.

從圖13曲線可知，在基坑開挖完成后，雙排樁所受實(shí)際土壓力值明顯小于經(jīng)典法理論計(jì)算值，且土壓力的分布形式呈“上下小，中部大”的特征，與理論上的存在一定差別，其主要是受基坑開挖和前排樁反力的作用影響.從上述研究以及本文的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值來(lái)看，經(jīng)典理論計(jì)算結(jié)果往往偏大.

圖13 開挖完成后土壓力實(shí)測(cè)值與理論值的對(duì)比Fig.13 Comparison between measured value and theoretical value of earth pressure after excavation

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

4.1 模型建立

采用Midas GTS有限元軟件在考慮基坑實(shí)際地層狀況的基礎(chǔ)上對(duì)基坑南側(cè)(軌道1號(hào)線)進(jìn)行建模分析見(jiàn)圖14.

圖14 Midas數(shù)值分析模型Fig.14 Midas numerical analysis model

計(jì)算荷載主要有土體自重、軌面荷載，其中作用于軌面荷載總值22.4 kPa包含恒載與活載.

據(jù)鉆探揭露，基坑土體為第四系崩坡積及殘破積層，下伏基巖為三疊系大冶組灰?guī)r，詳見(jiàn)表2.

表2 土層力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of soil layer

支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及單元類型見(jiàn)表3.

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及單元類型Tab.3 Supporting structure parameters and unit types

4.2 計(jì)算分析

據(jù)支護(hù)方案，基坑開挖計(jì)算分析步見(jiàn)表4.

表4 數(shù)值分析計(jì)算步Tab. 4 Numerical analysis calculation step

選取與分布式光纖相對(duì)應(yīng)的支護(hù)樁進(jìn)行內(nèi)力對(duì)比分析，圖15、16分別為18#橋墩位置處支護(hù)樁彎矩剪力實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比分析曲線.

圖15 樁身彎矩分布曲線Fig.15 Distribution curve of pile bending moment

由此可知，在基坑開挖完成后，雙排樁實(shí)測(cè)彎矩剪力值明顯小于模擬值，彎矩剪力的實(shí)測(cè)值與模擬值分布規(guī)律不一致，其主要是實(shí)際土壓力相對(duì)設(shè)計(jì)土壓力偏小且分布形式不同造成的.

圖16 樁身剪力分布曲線Fig.16 Shear force distribution curve of pile body

5 結(jié)論

本文以處治竇官基坑的雙排圓形支護(hù)樁為研究對(duì)象，利用BOTDA技術(shù)結(jié)合深層位移監(jiān)測(cè)，反推了雙排支護(hù)樁的內(nèi)力分布及變形特性，得出以下結(jié)論：

(1)BOTDA光纖傳感技術(shù)能準(zhǔn)確地獲取雙排圓形支護(hù)樁不同位置和深度的應(yīng)變，可推算出更加符合工程實(shí)際的雙排圓形支護(hù)樁的內(nèi)力和擾度分布情況，經(jīng)深層位移監(jiān)測(cè)對(duì)比驗(yàn)證，該技術(shù)可靠性高，是目前新型組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)受力機(jī)理研究可靠的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)手段之一；

(2)測(cè)試結(jié)果表明，在前、后排樁上的系梁連接點(diǎn)及基坑底部以下約2 m位置的彎矩相對(duì)最大；后排樁的樁身內(nèi)力顯然是大于前排樁的，最大比值約1.7，其所分擔(dān)的荷載相應(yīng)地大于前排樁，類似工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)后排樁，優(yōu)化前排樁；

(3)排樁上作用的土壓力由開挖前的靜止土壓力漸變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力，基坑開挖完成后，坑底以上土壓力的分布形式呈現(xiàn)“上下部小，中部大”的中凸特征.雙排支護(hù)樁上作用的土壓力值小于經(jīng)典土壓力理論計(jì)算值；

(4)對(duì)比支護(hù)樁內(nèi)力的有限元分析模擬值和光纖實(shí)測(cè)值可知，雙排樁內(nèi)力實(shí)測(cè)值明顯小于模擬值，分布規(guī)律也不一致，這是由于設(shè)計(jì)土壓力偏大且分布形式與實(shí)際存在差別.

本研究利用BOTDA技術(shù)的高抗干擾、高空間分辨率、高精度、分布式的優(yōu)勢(shì)，提高了深基坑監(jiān)測(cè)的精度，使監(jiān)測(cè)值貼近實(shí)際工程，改進(jìn)了基坑支護(hù)工程原有的監(jiān)測(cè)體系.