1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一.题目背景

21世纪以来，越来越多的高层建筑和桥梁工程，得到了越来越多的应用。因为桩基础有良好的承载力，所以一直是（高层）建筑、桥梁工程等的理想基础形式之一。随着社会对建筑有了更高的要求，随之也就提升了对桩基水平的要求，迫使技术人员创新出不同的桩型来提高桩基承载力，如扩底桩、多级扩径桩、等。于是在这种背景下，技术人员创造出了一种全新的桩，挤扩支盘桩，这种桩型不仅有高承载力的特性，同时还具备低沉降量这一良好的特性，所以也得到了越来越多的重视^[1]。

支盘桩是一种钻孔灌注桩，具有良好的抗压性和抗拔性，它是根据树根的特点和变截面性状来构思出的一种新型桩^[2]。当建筑的地下水位比较高时，建筑物将会承受一定的浮托力，在风荷载和水流作用下，也会承受上拔力，所以有很多工程事故就是因为没有考虑建筑物所承受的浮托力和上拔力。但是国内外对支盘桩抗拔性的研究还比较少，于是本文就对这项性能做一个初步的研究^[3]。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一.光纤应变测试基本原理

1.1 BOTDR测试原理

布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(ν_B)就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1－1所示。

图1－1 BOTDR的应变测量原理图

1.2光纤应变的计算

图1－2是布里渊频移与光纤应变之间的线性关系，线性关系的斜率取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定，即要确定式（2-2）中的和C值。

图1－2 布里渊频移与应变的线性关系

光纤的应变量与布里渊频移可用下式表示：

（1-2）

其中，是应变为时的布里渊频率的漂移量；

是应变为0时的布里渊频率的漂移量；

为比例系数，约为493MHz (/ % strain)；

为光纤的应变量。

本次测试采用的BOTDR监测设备是由日本NTT公司最新研制开发的AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪。表1－1为AQ8603的主要技术性能指标。

表1－1 AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标

测量范围(km)	1，2，5，10，20，40，80
空间采样间隔(m)	1.00，0.50，0.20，0.10，0.05
空间定位精度(m)	#177;(2.0#215;10－5#215;测量范围(m)＋0.2m＋2#215;距离采样间隔(m))
应变测量范围	－1.5％～1.5％（15,000）
脉冲宽度(ns)	10	20	50	100	200
空间分解度(m)	1	2	5	11	22
应变测量精度	#177;0.004％(40 )	#177;0.003％(30 )
重复性	lt;0.04％	lt;0.02％

1.3 桩身光纤应变测试

本次测试是利用光纤传感器测试桩身在每级荷载下其轴向的压应变分布。利用BOTDR仪器对试桩的加卸载进行测试，每级荷载下测试时间选在位移观测判断稳定后进行，采集结束后方可加（卸）下一级荷载。

二.工程概况

赵庄坑口电厂新建工程，一期建设规模2#215;600ＭＷ，安装两台燃煤空冷发电机组并留有扩建余地，工程规划容量按4#215;600ＭＷ考虑。厂址位于赵庄煤矿工业广场东1km处，行政区划属于长子县慈林镇，占地面积约为30公顷。

厂址处于黄土丘陵区，场地较为开阔，起伏较大，自然地面标高为988.0～1009.5m。由于人工造地，地形多呈阶梯状，场地内有数条小冲沟。

根据长子气象站资料，厂址区土壤最大冻结深度为0.63m。

根据试桩区的勘测结果，勘测场地内地基土主要由（1）层黄土（粉土）、（2-2）层黄土(粉质粘土)、（2-3）层黄土(粉质粘土)及（3）层泥岩、砂岩互层组成。（1）层黄土（粉土）力学性质较差，且具湿陷性，可作为一般一般建筑物的天然地基。（2-2）层黄土（粉质粘土）力学性质较好，为附属建（构）筑物天然地基良好持力层。但不满足主要建（构）筑物的天然地基的要求，须根据建筑物的要求选用不同的方法进行处理。（3）层泥岩、砂岩互层、砂岩力学性质较好，为主要建（构）筑物的桩基良好持力层。

三.地形地貌及区域地质概况

3.1 地形地貌

厂址处于黄土丘陵区，场地较为开阔，但起伏较大，自然地面标高为988.0～1009.5m。由于人工造地，地形多呈阶梯状，场地内有数条小冲沟。

根据长子气象站资料，厂址区土壤最大冻结深度为0.63m。

3.2 区域地质概况

3.2.1 区域地层

区域地层有古生界奥陶系（O）、石炭系（C）、二叠系（P）；三叠系；新生界第三系（N）及第四系（Q）地层。奥陶系灰岩本区东侧有零星出露，矿区埋深大于400m；石炭系地层为一套海陆交互相地层，含煤层、铁矿，总厚70-110m左右；二叠系为一套碎屑岩地层，由泥页岩、煤层组成，总厚700m左右；三叠系为一套陆相碎屑岩地层，由砖红色砂岩及紫红色泥岩组成，总厚190m左右；第三系由棕红色粉质粘土及深红色粘土组成，厚8-20m左右，主要分布于边山和丘陵山区黄土塬梁地段；第四系中更新统(Q₂ ^{al pl}) 棕红色黄土（粉质粘土）主要分布于边山、丘陵和近代河谷区，厚度1-25m。第四系上更新统(Q₃^{al pl}) 棕黄色黄土（粉土）主要分布于黄土丘陵及河谷两岸，厚度1-10m。第四系全新统（Q₄^{al pl}）黄土状粉土、粉土和卵石、砾石和砂层，主要分布于近代河谷，厚度10-40m左右。

3.2.2 区域地质构造

从区域地质构造来讲，本区处于太行山隆起带的南段。为沁水向斜的东翼，是沁水煤田的东南部分，地层产状较平缓（10～20ordm;）。区内断层发育有：晋（城）～获（鹿）断裂、兴旺庄正断层、庄头正断层和青仁断裂。对厂址稳定性无影响。

3.2.3 地震活动及厂址稳定性评价

从历史地震记载，晋东南地区1043年以来，大于M≥地震33次，但大部分在沿晋获断裂带北端左权、武乡段发生，长治向南逐渐减弱，地震次数减少，表现为地震频率低、能量小，在拟选厂址区未发生过大于M≥级地震，只是受汾渭地震带和邢台地震带的波及。说明本区未来地震活动不存在发生破坏性地震的构造背景。

纵上所述，厂址无论从地质构造还是从地震地质分析都是稳定的，适宜建厂。

四. 岩土地层构成及特性

4.1 岩土地层构成

根据已有资料，厂区第四系松散层厚度一般小于38.5ｍ。松散层以第四系中上更新统冲洪积沉积为主，岩性多为黄土（粉土、粉质粘土）；下伏基岩为二叠系上统上石盒子组地层，岩性为泥岩、砂岩等。

根据厂区工程地质钻探、井探和原位测试（标贯、波速测试）及室内试验情况，将场地地基土43.6m深度范围内岩土层划分为3个大层5个亚层。各地基土层性质叙述如下：

（1）层，黄土（粉土）(Q₃^{al pl})，褐黄～黄褐色，稍密，稍湿～湿，虫孔及针状孔隙发育，见少量白色钙质菌丝，上部植物根系发育，局部含有少量姜石，土质较均匀。该层分布于整个场地，厚度一般为0.5～9.2m，层底标高981.0～1008.7m。

（2-1）层，黄土（粉质粘土）(Q₂^{al pl})，棕红～棕褐色，稍湿，坚硬～硬塑，偶见针状孔隙，含有铁锰结核，局部含有姜石，土质均匀，呈豆瓣状。该层分布不均，在沟谷底部缺失。层厚一般为1.5～14.7m左右, 层底埋深2.5～15.9m，层底标高985.4～999.8m。

（2-2）层，黄土（粉质粘土）(Q₂^{al pl})，棕红～棕褐色，湿，硬塑～可塑，含有铁锰结核，土质均匀，呈豆瓣状。该层分布不均，在丘陵顶部局部缺失。一般层厚1.4～14.1m, 层底埋深10.0～26.0m，层底标高973.3～995.7m。

（2-3）层，黄土（粉质粘土）(Q₂^{al pl})，棕褐色，湿，硬塑～可塑，含有铁锰结核，土质均匀，呈豆瓣状。局部含有砂岩碎块。该层分布不均，在丘陵顶部局部缺失。一般层厚2.3～25.8m左右, 层底埋深13.0～38.5m，层底标高960.1～992.6m。

（3）层，泥岩、砂岩互层(P₂^s)，黄绿～紫红色，表层全风化，其下为强～中风化，泥质结构，块状构造。该层分布于整个场地。

4.2 岩土地层特性

根据本次勘探结果，结合可研阶段岩土工程勘测资料，勘测场地内地基土可划分为3个大层4个亚层，现将其岩土工程特性叙述如下：

（1）层，黄土（粉土）(Q₃^{al pl})，压缩系数为0.32（MPa）^-1，压缩模量6.62MPa，为中等压缩性土层。具湿陷性，承载力特征值为150kPa, 可作为一般一般建筑物的天然地基。

（2-2）层，黄土（粉质粘土）(Q₂^{al pl})，压缩系数为0.22（MPa）^-1，压缩模量9.57MPa，为中等压缩性土层。承载力特征值为300kPa。不宜作为重要建筑的天然地基持力层，须根据建筑物的要求选用不同的方法进行处理。

（2-3）层，黄土（粉质粘土）(Q₂^{al pl})，压缩系数为0.21（MPa）^-1，压缩模量9.13MPa，为中等压缩性土层。承载力特征值为320kPa。不宜作为重要建筑的天然地基持力层，须根据建筑物的要求选用不同的方法进行处理。

（3）层，泥岩、砂岩互层(P₂^s)，该层分布于整个场地，表层为强风化，其下为中等风化～微风化。主厂房地段顶面埋深19.0～32.0m，相应标高为960.1～978.3m。承载力特征值为450kPa，为主要建（构）筑物桩基的良好持力层。

五.地下水条件

场地内在勘探深度范围内地下水类型为孔隙潜水，地下水位埋深2.6～17.1m之间，相应标高在984.6～999.4m之间，年变幅1.5m左右。地下水对钢筋混凝土无腐蚀性。

六.桩型设计

根据附近场地施工方案的选择和当地经验的判断，本场地主要建（构）物地区采用钻孔灌注桩和支盘灌注桩进行对比试验。

6.1 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩桩端进入（3）层泥岩、砂岩地基下部中等风化～微风化硬质岩体不小于0.8m，桩长约30.5m，桩径800mm。桩身砼强度均为C40，桩身及试桩桩头按有关规范及设计要求进行配筋及加固。有关试锚桩布置及桩间距见A区天然状态试桩布置图。单桩极限承载力值的计算（根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-94）中推荐值）：

Q_uk=Q_sk Q_pkgt;10000kN

6.2 支盘灌注桩

支盘灌注桩桩端位于（2-3）层黄土（粉质粘土），桩长约19m，桩径700mm，三盘（盘径1500mm），桩身砼强度均为C40，桩身及试桩桩头按有关规范及设计要求进行配筋及加固。有关试锚桩布置及桩间距见试验区天然状态试桩布置图。

单桩极限承载力值的估算（根据《火力发电厂支盘灌注桩暂行技术规定》（DLGJ153-2000））：

Q_uk=Q_sk Q_pkgt;6300kN。

七.光纤铺设工艺

本次测试的试桩中进行光纤传感测试。裸露光纤直接铺设入混凝土中很易断裂失去测试功能，本次测试对光纤进行了特殊封装，经实践证明，封装后的光纤在其传感性质未受改变的前提下，其抗拉、抗折、抗冲击及防火花能力大为提高。

光纤铺设以钢筋笼主筋为载体，捆绑于其上，捆绑与下笼同步。为防止在浇灌混凝土过程中混凝土对光纤的直接冲撞，从而沿着主筋的侧边进行铺设，铺设过程中尽量让光纤保持挺直。见图1－3。

为了对桩身在扩径及偏心荷载条件下同一水平不同侧面产生的差异应变进行识别与修正，因此沿着钢筋笼中心对称的两根相对主筋铺设两段光纤传感器，中间相连段沿

图1－3 光纤铺设工艺

着底部加强筋平滑过渡，形成一”U”字形回路，两端都可进行测试，起到对比和备份作用。光纤在出孔口段用金属波纹管保护出口，防止桩头制作及后期埋土过程中折断，波纹管利用设定的标志定位。

八. 基于光纤应变模式下桩身轴力与侧摩阻力计算

8.1 计算原理

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一致，因此桩身混凝土的压应变也为变。则桩身压应力为：

(1)

其中，E为桩身混凝土的弹性模量。

则桩身轴力为：

(2)

其中，A为桩身截面面积。

桩的荷载传递基本微分方程为：

(3)

式中：为桩侧分布摩阻力

为桩身轴向力

为桩身周长

上式可以简化为：

(4)

式中：为某土层内桩身两截面间轴力变化量

为该土层内桩身两截面间深度差

将式（1）、（2）代入（4）中有：

(5)

式中：为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量

根据仪器测试光纤应变分布结果，根据式（1）、（2）、（5）就可得所有测试结果。

对实际测试工程其中首先有两个重要参数要确定：桩身截面面积A和桩身混凝土的弹性模量E。本次测试数据分析桩身截面面积根据其测孔记录来确定，将截面面作为一变量A(Z)来看待。弹性模量E却定可以根据混凝土的标号来确定，如本次试桩所用混凝土标号为C40，由于混凝土配制过程中组分控制不准及后期养护等条件影响，其弹性模量E参考值并不十分可靠，本次测试弹性模量E取值是采用靠近桩头可认为不存在摩阻力存在的桩身在各级荷载下测出的应变反演而出，弹性模量取3#215;10⁴~3.2#215;10⁴MPa，此值较参考值更为可靠。

8.1.1 桩身轴力计算

将测得的各荷载级别下的光纤应变与光纤初始应变之差得出桩身的各级荷载下附加应变值与上述方法得出的桩身混凝土弹性模量相乘等出桩身各截面的应力值，该值再利用测孔得出的桩身截面积来修正出桩身轴力，得出轴力分布。由于桩体在静载过程中存在一定的偏心荷载及挠曲，其桩身表现出对称性的应力应变差异，因此利用同截面两条光纤的应变数据的平均值作为计算值效果更好。

8.1.2 桩身侧摩阻力计算

桩身侧摩阻力按土层进行计算，在同一土层的桩身上取能代表其段内大体趋势的一小段，得到两个横截面，利用以上轴力计算方法得出两截面上的轴力值，轴力值之差与该段内桩周边面积之比就是侧摩阻力，侧摩阻力值并以土层为界限以方波形式表达在图上。

九.桩基数据处理分析

桩基分布式光纤检测中，解调设备为灵敏度很高的光学解调仪，在光电检测或信号转换中，由于外界环境或设备元件中一些随机因素的影响，测试数据信号不可避免的要产生一些噪声。如果不除去这些随机噪声，将影响测试数据的准确分析。另外由于桩身

灌注桩和感测光缆布设质量的影响，也不可避免的影响到桩基的检测结果。

在检测过程中得到的桩身应变测试数据，在经过一系列的分析处理后，可以得到桩身轴力、侧摩阻力、端阻力、弯矩、挠度等分布曲线，能更加直观的反映出桩身变形规律。在桩基检测中，桩基检测数据处理股过程主要分为以下几个步骤：

（1）滤波

测试仪器受自身布里渊信号与以其自身稳定性、光线损伤等因素影响的原因，测得的原始数据有可能会出现较大波动和很多噪点。这些曲线波动性和噪点会掩盖部分真实测试信息，影响我们对桩身的受力情况的准确判断。所以在桩基处理数据过程中，可根据测试得到应变数据好坏情况，判断是否需要进行滤波处理。

（2）差值处理
在桩基试验过程中，随着桩身加载荷载不断增大，桩身应变受自身变形和桩周土体作用也不断变化，。光纤植入桩体沉入地下时，受光纤布设工艺、桩周土体、混凝土浇筑、沉桩休止、桩体自重和初始受荷等原因，植入桩体内部的光纤存在一定程度的初始应变。试验过程中，每级荷载下检测到的应变数据是桩体受荷变形产生的桩体应变与光纤初始应变之和。在进行数据处理时，需要对每级荷载作用下检测到应变与初始应变进行差值处理。

在桩基检测时，一般在桩身实验开始进行初始应变测量。对比前后两次对测定数据吻合情况判断光纤稳定状态，记录为初始零荷载时的初始应变数据。开始逐级加载实验，进行正常桩基试验测试桩身应变情况。
（3）截取平均值
在进行数据处理分析时，需要将测试应变曲线与桩身部位进行对应上，并进行截取有效测试长度数据。在进行级差处理之后，需要对级差数据进行截取，得到对应桩身长度上的有效级差数据；再过滤掉截取后应变数据噪点，进行数据对称平均，得到桩身平均应变级差数据。其中又需要粗定桩头、细定桩头和数据提取平均
（4）修正平滑
在进行桩基分布式光纤检测中，受桩身混凝土材料的不均匀性、钻孔孔径大小不规则性、地层岩土体特性不一、感测光缆布设质量不一等诸多因素影响，测试得到的数据会出现一定程度的波动和异常。因而需要将测试得到的数据进行修正平滑，从而减弱或消除偶然因素的作用，以显示出正确的曲线变化趋势。
（5）数据计算
在完成修正平滑处理之后，得到桩基抗压、抗拔试验的桩身轴力分布曲线和桩基水平静载试验的桩身应变修正曲线。根据相关公式运算，计算得到桩周土体侧摩阻力、桩端阻力、弯矩和挠度等最终检测数据。
在数据处理过程中，可以使用Origin软件并结合MATLAB软件进行建模，从而获得竖向承载力变形图、轴向应变曲线图从而得到桩身变形随着荷载和深度的变化情况。