DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.06.017
基于光纤监测的大直径变截面钢管复合桩承载性状
崔允亮1,王新2,周联英1,王海峰3,周锋3
（1. 浙江大学城市学院 土木工程系，浙江 杭州，310015；
2. 浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州，310058；
3. 浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州，310051）
摘要:为了研究超长大直径变截面钢管复合桩的承载性状，选取鱼山大桥45号桩，以墩身和箱梁自身重力为荷载进行静载试验，利用分布式光纤进行现场监测，并利用ABAQUS进行实际工况建模，通过对比计算结果与实测值以验证建模参数选取的合理性。在有限元模型基础上，通过施加压、弯、剪、扭等复杂荷载及改变桩基自身参数，研究桩身参数对桩基承载性状的影响。研究结果表明：光纤监测能够很好地应用于此类海洋环境下超长大直径变截面钢管复合桩的监测；变截面处桩身轴力有突变，下半段桩身侧摩阻力发挥较好，上半段由于钢管存在对侧摩阻力发挥有一定影响，桩端阻力对桩基承载力贡献显著；桩身轴力模型计算结果与实测结果较接近，说明建模方法及参数选取得当；设置变截面能够改善桩基承载性能，但是变截面位置要适中，钢管越厚、剪力环间距越密，钢管复合桩横向刚度增强现象越明显。
关键词:钢管复合桩；光纤监测；大直径变截面；数值模拟
中图分类号:TU473.1 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)
文章编号:1672-7207（2020）06-1627-10
Bearing behavior of large-diameter variable cross-section steel composite pile based on optical fiber monitoring
CUI Yunliang1, WANG Xin2, ZHOU Lianying1, WANG Haifeng3, ZHOU Feng3
(1. Department of Civil Engineering, Zhejiang University City College, Hangzhou 310015, China；
2. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China；
3. Zhejiang Communications Construction Group Co. Ltd., Hangzhou 310051, China)
Abstract: To study the bearing behavior of super-long and large-diameter variable cross-section steel composite pile, a bearing capacity test was carried out on NO.45 pile of Yushan bridge with load produced by the gravity of the pier and the box beam. The behavior of the pile was monitored by distributed optical fiber. The actual working condition was simulated using ABAQUS. The numerical simulation results were compared with the measured data to verify the rationality of the modeling parameters. Based on the finite element model, complex loads of compression load, bending moment, shear force and torque were applied and the parameters of the pile itself were changed to study the influence of pile parameters on the bearing behavior of the pile foundation. The results show that optical fiber monitoring can be well applied to the monitoring of super-long and large-diameter variable cross-section steel composite pile in marine environment. The axial force of the pile at variable cross-section has a sudden change. The side friction of the lower half of the pile is large. The side friction of the upper part of pile is less because of the existence of steel pipe. Pile tip resistance is an important part of the bearing capacity of pile foundation. The calculated results of pile axial force are close to the measured results, which indicates that the modeling method and parameter selection are suitable. The variable cross-section can improve the bearing capacity of pile foundation, but the position of cross-section should be moderated. The thicker the steel pipe and the denser the distance between the shear rings are, the more obvious the lateral stiffness of the steel composite pile is.
Key words: steel composite pile; optical fiber monitoring; variable cross-section with large-diameter; numerical simulation
目前，我国跨海大桥进入了快速发展时期。海洋环境下施工条件较恶劣，地质条件较复杂以及沉桩较困难，因此需选用合适的桩型，以相对简单的施工方法为工程提供绝对安全可靠的基础。钢管复合桩[1]具有较大的承载力与抗弯刚度，并且其沉桩工艺较简单，因此，在穿越水系的桥梁施工中有着广泛的应用。然而，钢管复合桩理论研究却相对滞后，某些钢管复合桩设计时较保守[2-3]，在实际工程中会造成成本较高、设计不合理、材料使用浪费等问题。目前，国内外学者在钢管复合桩承载性状等方面开展了一系列的研究工作。张敏等[4-6]基于港珠澳大桥建设，开展了5组室内试验，分别研究了剪力环、泥皮及防腐涂层对于钢管复合桩混凝土与钢管之间黏结强度的影响、截面变形规律及试件荷载-变形曲线；讨论了在不同变量的影响下钢管复合桩刚度的计算问题；用分解分析法研究了钢管复合桩的套箍作用对其承载力提升的影响。JOHANSSON等[7-8]以不同加载方式对圆钢管混凝土构件进行了轴心受压实验研究，得到不同加载方式下其荷载-位移变化规律。冯忠居等[9-10]以钢管埋深及桩周土体模量为变量，通过离心模型试验对钢管混凝土复合桩的竖向及轴向承载特性进行研究，得到适用于钢管复合桩的竖向承载力计算公式及横轴向荷载-位移曲线，为实际工程提供了参考。以上研究均利用室内模型进行试验研究，冯忠居等[2,10-11]进行了现场自平衡试验以验证自平衡法在海上桩基中的有效应用，并以此研究了桩的竖向承载性能。由于试验场地及施工条件等的限制，海洋环境下钢管复合桩承载力现场试验开展难度较大，试验风险及成本较高，故传统的静载荷试验难以应用于海洋环境下超长大直径桩基中。且传统的钢筋应力计、应变片等传感元件具有存活率低、稳定性差及点式测量等缺点，不适合长距离的布置[13-14]。而近年兴起的光纤监测技术在钻孔灌注桩及预制桩等桩型中有较多应用。朴春德等[15-16]验证了分布式光纤传感技术在长距离监测方面的优势；该技术与传统的钢筋计、土压力盒等检测技术相比具有分布式监测的特点，结果更加可靠。宋建学等[17]对7根试桩开展荷载试验，分别采用分布光纤和振弦式钢筋应力计进行监测，发现光纤监测能够更加精细地反映桩身轴力变化。光纤监测技术能够较好地应用于桩基监测中，且其相比于传统监测方式具有分布式布设、自动化监测及高精度结果等特点[18]。然而，目前有关在海洋环境下的大直径钢管复合桩静载试验中使用光纤进行监测的研究较少，从其他桩型应用良好的情况来看，光纤监测也能够较好地应用于钢管复合桩的监测。综上所述，钢管复合桩现场监测方面的试验还比较少，尤其是大直径超长变截面钢管复合桩现场承载力监测试验更少。故本文作者选取长为126 m的鱼山大桥项目45号变截面桩基，并利用分布式光纤传感技术进行监测；由于海上场地条件限制等因素，难以通过传统的桩顶加载方式进行承载力监测，故以墩身和桥梁自身重力为外部荷载，并通过ABAQUS数值分析软件按实际情况建模，并将模型计算结果与实测结果进行对比，之后再改变变截面位置、钢管壁厚及剪力环间距等桩身参数，施加压弯剪扭复杂荷载，以分析这些桩身参数改变对钢管复合桩承载特性的影响。
1 工程概况
本项目依托于岱山县鱼山大桥工程，大桥全长为7 781.75 m，设计速度为80 km/h，桥跨布置为(70+140+180+260+180+140+70) m，桥梁总宽度为15.6 m，跨海桥梁通航孔桥主跨跨径为260 m，主跨采用260 m钢-混凝土连续刚构桥，全桥采用大直径变径钻孔灌注桩或钢管复合桩，桩径为0.2~5.0 m，桩长为15.0~148.2 m，均为嵌岩桩。根据设计，单桩钢筋笼最大质量达241.3 t，单桩永久钢管最大质量为297.1 t，单桩混凝土最大灌注方量为1 943.2 m3。45号桩位于岱山侧区域1第11联，采用钢管复合桩，桩长126 m，桩顶标高+2.0 m，桩身为变截面桩，距桩顶62 m以上部分桩径为5.0 m，距桩顶62 m以下部分桩径为3.8 m。钢管壁厚为3.8 cm，内直径为5 m，底部标高-60 m，顶部标高+2 m，桩身示意图如图1所示。根据45号桩所在位置勘察孔ZKS40的勘察，该位置土层参数如表1所示。
图1 桩身示意图
Fig.1 Diagram of pile body
表1 土层参数
Table 1 Parameters of soil
2 现场光纤监测试验
2.1 监测原理
光纤分布式应变监测是一种新型光纤传感技术，可用来对结构体表面或内部的应变进行监测，一般由信号分析仪和传感光纤(光缆) 2部分组成。信号分析仪发出泵浦光和探测光(斯托克斯光)，分别从光纤的两端注入传感光纤中。当2路光的频率差落在布里渊光谱内(10 GHz附近)，光纤中产生受激布里渊效应，能量从泵浦光向探测光发生转移，使探测光受到增益，因泵浦光是脉冲调制的，故类似时域反射原理，背向散射的探测光时域分布反映出光纤各位置点所受布里渊增益的情况；固定泵浦光频率，对探测光频在布里渊光谱进行扫描，即得到光纤各点的布里渊增益谱；增益谱峰处的频移(布里渊频移)与光纤所受应变呈正比关系，故只要测得光纤各点的布里渊频移值，即可由式(1)得到光纤各点所受应变：
(1)
式中：
，
和
分别为光纤的应变、布里渊频移和应变系数。
测试仪器测试得到的是光纤的轴向压应变，由于光纤固定在桩身混凝土内，在静载压力下，光纤轴向变形与桩身混凝土轴向变形一致，因此，桩身混凝土的压应变也为光纤的轴向压应变，则桩身轴力
为
(2)
式中：
和
分别为桩身弹性模量和桩身截面面积。
本文所用光纤采用715-B6，光纤类型为单模，光缆类型为金属铠装，纤芯数量为1根，光缆截面直径为5 mm，拉断力为2 350 N，工作温度为-20~85 ℃。所用分布式光纤应变分析仪型号为YS-BA，空间分辨率为0.1~50 m，测量时间为20~1 800 s，应变量程为±15 000 με，应变精度为5 με。工作环境如下：温度为-10~50 ℃，湿度为0~80%，无凝结。
2.2 光纤的布置与监测
1) 首先进行光缆布置定位，挑选2组相对的主筋，将光缆沿着主筋排布。由于该桩共有13节钢筋笼，故先在钢筋笼预制厂内将第1节钢筋笼光缆布置好，钢筋笼底部U型过弯，其余钢筋笼在下放时边下放边布置光缆。
2) 光缆沿着主筋内壁平顺铺设，每隔50 cm用扎带绑扎固定，并且在固定之前先给光缆施加预拉力，以保证光缆不会在2个接头之间出现弯折，并在每一节钢筋笼布置完毕后将线圈预留好下一节段钢筋笼用量，其余光缆盘绕绑扎好固定于本节钢筋笼顶。
3) 下一节钢筋笼吊起对接之前，先将绳索套在钢筋笼对应位置上，然后起吊对接，将光缆与对应绳索绑接，用绳索将光缆拉到钢筋笼顶，钢筋笼下放时将光缆准确定位，捋顺、拉紧，每隔50 cm用扎带固定到主筋上。
4) 所有钢筋笼下放完毕、光缆绑扎完毕后，桩头处预留测量所用光缆长度，做好保护措施，以便测试时引出接入分布式光纤应变分析仪。
5) 以墩身和箱梁自身重力为外部荷载，监测墩身荷载和箱梁荷载作用下桩身的应力与应变，其中墩身自身重力为6 955.2 kN，箱梁自身重力为26 013.81 kN。
2.3 光纤监测结果
光纤监测结果经平滑处理后得到桩身应变曲线如图2所示。根据图2可知，箱梁荷载作用下桩身应变在桩身变截面位置处产生明显的突变，说明在此处有应力集中现象。
图2 桩身应变曲线
Fig.2 Pile strain curve
3 有限元模拟
根据现场试验情况，采用数值模拟软件ABAQUS建模，将计算结果与现场测试结果进行比对，并利用数值模拟软件研究在复杂荷载作用下变截面位置、钢管厚度及剪力环间距对钢管复合桩承载性能的影响。
3.1 材料的本构关系模型
1) 混凝土本构关系模型。根据工程实际情况，混凝土为C40海工混凝土，选用混凝土塑性损伤模型来模拟[19]，混凝土的弹性模量取3.25×1010 Pa、泊松比取0.2、剪胀角取30°、塑性势能取0.1以及黏性系数取0.000 5。
2) 钢材本构关系模型。钢材为Q345C钢材，钢材的弹塑性性能采用满足Von Mises屈服准则的等向弹塑性模型来模拟，塑性行为通过使用一系列应力-塑性应变的数据点来模拟[20]，弹性模量取为2.06×1011 Pa、泊松比取0.3、极限抗拉强度取3.45×108 Pa。
3) 土体本构模型。桩周及桩底土体选用Mohr-Coulomb屈服准则进行分析，各层土体参数按照表1取值。
3.2 有限元分析模型
建立三维有限元模型，混凝土桩、钢管及土体均为实体模型。混凝土桩桩长为126 m，距桩顶62 m以上桩径为5.0 m，62 m以下桩径为3.8 m。钢管长为62 m，内直径为5.0 m，钢管壁厚为3.8 cm。经过试算后确定土体模型尺寸如下：桩周土体计算范围取25倍桩径即125 m，桩底以下土体计算范围取1.5倍桩长即189 m，各层土体按照实际厚度进行划分，并分层赋予材料属性。模型底部固定，侧面限制水平位移，顶部自由。各接触面之间选择面面接触模型，法向作用选取硬接触，并勾选允许接触后分离；切向作用选择罚函数，混凝土与土层接触面摩擦因数为0.3、钢管与混凝土接触面摩擦因数为0.2、钢管与土层接触面摩擦因数为0.2。模拟实际工况时墩身荷载为6 955.2 kN，箱梁荷载为26 013.81 kN。轴向荷载按照均布荷载的方式布置到桩顶，剪力及弯矩、扭矩是通过在桩顶中心创建1个参考点并进行耦合，然后，将力施加到参考点上。网格划分过程中从桩身往外网格由密到疏，以确保计算结果准确且耗时较少。
3.3 桩身轴力对比分析
提取桩身竖向应力，利用式(2)可以算出桩身轴力，并绘制其桩身轴力分布曲线，如图3所示。由图3可以看出：从桩顶往下，桩身轴力整体呈减小趋势，实测曲线有较多波动，但整体趋势也在减小。在-62 m变截面位置处，桩身轴力有突变，这是因为桩身向下作用时带动变截面位置下土体向下运动，这部分土体的向下运动带动了临近的大截面桩侧土体向下运动，故出现负摩阻力，使得桩身轴力突然变大。而变截面稍往下位置桩身轴力突然减小即出现突变的正摩阻力，这是因为变截面部位下的土体受压加密，故侧摩阻力突然变大。从桩身轴力分布曲线来看，桩身下半段模拟结果与实测结果吻合情况相比上半段稍差。这是由于下半段深度较大，最大监测深度达到-126 m，监测结果误差也会较上半段的大。因此，从实测桩身轴力分布曲线整体变化趋势来看，桩身上半段和下半段桩身轴力衰减速率差异虽然不明显，但参考数值分析所得轴力分布曲线，可认为桩身下半段桩身轴力衰减速度较快。再考虑到桩身为上粗下细的变截面桩，说明桩身下半段侧摩阻力发挥较好。桩身上半段为钢管复合桩，下半段为混凝土桩，上半段由于钢管的存在对桩身侧摩阻力的发挥有一定的削弱作用。同时，从图3可知：桩端阻力对桩基承载力贡献显著。
总体而言，桩身轴力实测曲线与数值模拟曲线有较好的一致性，数值模拟曲线较平滑，而实测曲线有较多波动，但总体来说所呈现的规律一致，说明数值模拟模型方法正确、参数选取合适，能够很好地模拟桩身实际情况。因此，可在此基础上对桩身模型进行调整，以研究桩身某些参数变化对桩承载力的影响。
图3 桩身轴力分布曲线
Fig.3 Axial force distribution curve of pile
4 桩身参数对钢管复合桩承载性能的影响
钢管复合桩桩身参数取值的不同会对钢管复合桩承载性能有一定的影响，桩基在实际应用中也会受到温度应力、风力、汽车制动力、波流力、甚至会受到船撞力等因素的影响，故建立截面位置、钢管壁厚及剪力环间距不同的桩基模型，施加如表2所示的复杂荷载，以研究在复杂荷载作用下桩身参数对桩基承载性状的影响。
表2 模型荷载
Table 2 Model load
4.1 变截面位置的影响
建立总桩长为126 m，上部桩段直径为5.0 m、下部桩段直径为3.8 m，直径为5.0 m段桩与直径为3.8 m段桩长度比分别为1.5:1.0，1:1，1.0:1.5的3种不同位置变截面桩及直径为3.8 m的等截面桩4种工况，分别编号为工况1~4，其余建模参数与45号桩的相同，施加表2中荷载。提取计算结果后绘制不同变截面情况下桩身竖向位移、顺桥向位移及横桥向位移曲线，分别如图4~6所示。
图4 不同变截面位置下桩身竖向位移曲线
Fig.4 Vertical displacement curve of pile at different section positions
图5 不同变截面位置下桩身顺桥向水平位移曲线
Fig.5 Horizontal displacement curve of pile body along bridge at different variable section positions
图6 不同变截面位置下桩身横桥向水平位移曲线
Fig.6 Horizontal displacement curve of pile in transverse direction of bridge at different variable cross-section positions
由图4可知：在相同荷载条件下，等截面桩的竖向位移最大，变截面位置不同时，竖向位移也不相同。变截面桩的桩身竖向位移表现出一致的规律，即变截面以下桩身位移减小速率较变截面以上的快，说明设置变截面之后，变截面处桩身荷载有一部分传递到了周围土体，可以有效地减小桩身下部位移。由图5和图6可知：不论是顺桥向还是横桥向，各桩水平位移曲线呈现的规律一致，均是桩顶处位移较大，越往下位移越小，深部处几乎没有产生水平位移。从图5和图6还可以看出等截面桩水平位移远远大于其他桩水平位移，这是因为等截面桩未设置钢管，而其他模型中变截面以上桩段均设置有钢管，钢管的存在可以增加桩的刚度，能有效减小桩身水平变形。而变截面位置不同、桩身受力后的表现也不同，绘制不同工况下桩顶各向位移散点图并添加趋势线，如图7所示。
图7 不同变截面位置下桩顶位移
Fig.7 Displacement of pile top at different position of variable sections
由图7可知：各向位移均在上、下部段桩长度比为1:1时(工况2)的最小，说明钢管复合桩并不是桩身大直径部分越长越好，变截面位置的合理设置不仅能增强桩基的承载性能，而且也能避免材料的浪费。
4.2 钢管壁厚的影响
在45号桩的基础上，选取钢管壁厚分别为10.0，5.0和3.8 cm及无钢管4种工况(分别编号为工况5~8)进行建模，其余建模参数均与45号桩的一致，施加表2所示复杂荷载。由于钢管壁厚主要对桩基的水平承载特性有影响，对其竖向承载特性影响不大，故提取计算结果后绘制桩身顺桥向及横桥向水平位移曲线，分别如图8和图9所示。
图8 不同钢管厚度下桩身顺桥向水平位移曲线
Fig.8 Horizontal displacement curve of pile body along bridge under different steel tube thicknesses
图9 不同钢管厚度下桩身横桥向水平位移曲线
Fig.9 Horizontal displacement curve of pile in transverse direction of bridge under different steel tube thicknesses
由图8和图9可知：在复杂荷载作用下，不同钢管厚度桩身水平位移表现出一致的规律，即桩顶位移较大，随着桩深的增加，其水平位移减小。无钢管桩较有钢管桩水平位移大，顺桥向和横桥向无钢管桩桩顶水平位移分别达到了2.40 cm和2.63 cm，远大于有钢管桩的位移。这是因为钢管能够增加桩的水平刚度，减小桩身水平方向的变形。钢管壁厚的不同，提供给桩身抵抗变形的能力也不同，绘制不同钢管壁厚情况下桩顶顺桥向及横桥向位移散点图并添加趋势线，如图10所示。
图10 不同钢管壁厚下桩顶位移
Fig.10 Displacement of pile top under different thicknesses of steel pipe
由图10可以看出：不论是顺桥向还是横桥向，均呈现钢管壁厚越大，位移越小的规律。但在现实中，并不是要无限地追求最小位移，还是要根据位移控制标准结合材料用量选择合适的钢管壁厚，在安全的前提下达到最优。
4.3 剪力环间距的影响
在45号桩的基础上，分别选取剪力环间距为2.5，5.0，10.0 m以及无剪力环4种工况(即工况9~12)进行建模，其余建模参数均与45号桩的一致，施加表2所示荷载。由于剪力环间距对桩基的竖向承载特性影响不大，主要影响桩基的水平承载特性，故提取结果后绘制桩身顺桥向水平位移及桩身横桥向水平位移曲线，分别如图11和图12所示。
图11 不同剪力环间距下桩身顺桥向水平位移曲线
Fig.11 Horizontal displacement curve of pile along bridge under different shear ring spacings
图12 不同剪力环间距下桩身横桥向水平位移曲线
Fig.12 Horizontal displacement curve of pilein transverse direction of bridge under different shear ring spacings
由图11及图12可以看出：不论是横桥向还是顺桥向，在不同剪力环间距下，各桩身在荷载作用下位移变化趋势均相同，即在桩顶处水平位移较大，越往下水平位移越小，在桩身下部水平位移接近于0 m。不设置剪力环的桩水平位移则明显大于设置剪力环的桩水平位移，说明剪力环的设置能够增加钢管复合桩横向刚度，减小水平位移。绘制不同剪力环间距下桩顶顺桥向及横桥向位移散点图并添加趋势线，如图13所示。
图13 不同剪力环间距下桩顶位移
Fig.13 Pile top displacement under different shear ring spacings
由图13可知：不论是顺桥向还是横桥向，桩顶水平位移均呈现剪力环间距越密、水平位移越小的规律，说明剪力环间距越密对于钢管约束作用越强，对桩身抗弯刚度增强作用越大。
5 结论
1) 大直径超长变截面钢管复合桩的现场试验可以以桥梁墩身及箱梁自身重力为上部荷载，并应用光纤监测技术进行监测。
2) 变截面处桩身轴力有突变，下半段桩身侧摩阻力发挥较好，上半段由于钢管存在对侧摩阻力发挥有一定影响，桩端阻力对桩基承载力贡献显著。
3) 桩身轴力模型计算结果与实测值较为吻合，说明模型建立方法，参数选取得当。
4) 钢管壁厚越厚、剪力环间距越密，钢管复合桩的横向刚度增加越明显，桩基水平位移越小；变截面位置并不是大直径段占比越大，桩身性能越优，比例得当才能使桩身性能发挥最好。
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（编辑 伍锦花）
收稿日期： 2019 -11 -15; 修回日期： 2020 -01 -15
基金项目(Foundation item)：交通运输行业重点科技项目(2018-MS1-004)；浙江省交通运输厅科研计划项目(2018021) (Project(2018-MS1-004) supported by the Key Science and Technology Program in the Transportation Industry; Project(2018021) supported by the Research Program of Zhejiang Ministry of Transportation)
通信作者：崔允亮，博士，副教授，从事桩基工程试验与理论研究；E-mail：cuiyl@zucc.edu.cn
