0 引言

静压管桩凭借其承载力高、应用范围广、沉桩质量可靠和造价低等优点，在实际工程中得到了广泛应用。由于管桩的空心特性以及测试元件易受现场环境影响等问题，目前对于静压管桩现场试验中桩端阻力全程测试的研究相对较少。国内外学者主要通过室内试验与数值模拟开展对桩端阻力的研究：Nicola等^[1]借助在离心机上进行的一系列模型桩试验，研究了均质砂土中模型桩的受力性能，并根据试验数据得到端部轴承响应的单一曲线；刘清秉等^[2]在多种砂样及不同密实度条件下使用模型锥形探头进行了离心试验，模拟了在砂土中的静力压桩，研究了其桩端阻力与砂粒粒径的关系；李林等^[3]推导出静压桩沉桩阻力的预测公式，并结合离心模型试验的实测数据对预测值进行了验证；李雨浓等^[4]通过在多层软黏土地基中静力压入单桩的室内模型试验，对模型桩在整个沉桩过程中桩动端阻力的变化情况进行了研究，获得了桩在贯入不同土层分界面时阻力的变化规律；马哲等^[5]通过采用PFC(particle flow code)^2D数值分析系统模拟静压桩在砂土中的沉桩过程，重点分析了桩端阻力的变化特性，对其发展规律进行了初步揭示；王浩等^[6]通过模拟试验及颗粒流程序数值模拟，对砂土中桩端阻力随位移发挥的内在机理进行了较为系统的研究；周健等^[7]通过采用室内模型试验及颗粒流数值模拟研究了密实砂中静压桩沉桩过程, 对桩周土体宏细观力学响应进行了分析研究；王常明等^[8]以长春地区建筑工程使用的静压管桩为例，采用数值模拟方法和桩的载荷试验，分析了桩对桩周土的挤压作用以及桩端阻力变化规律。但以上室内试验采用砂土居多，未能考虑到在实际工程中桩多在黏性土中应用的情况。

在现场试验方面：Vesic^[9]在现场厚层砂土中做了静力触探和压桩试验，观测到了桩端阻力的变化，并分析了临界深度的位置；张明义等^[10]在山东东营和青岛两个不同场地进行了两组共5根混凝土预制方桩的静力压桩试验，实测了压桩力和桩端阻力；施峰^[11]在压桩试验的基础上开展了静载试验研究，分析了桩侧摩阻力、桩端阻力的变化；寇海磊等^[12]依托杭州富阳某工地的实际压桩工程，采用了在桩身表面埋入光纤光栅传感器的手段监测了静力压桩过程中桩的应力变化。现有的室外试验获得了一些关于桩端阻力的结论，但其多采用土压力盒或钢筋计等局部截面传感器采集，所获数据精度较低。

本次试验通过在以粉土与粉质黏土为主的层状土地基中，利用轮辐测试技术和FBG(fiber bragg grating，光纤光栅)测试技术连续地采集贯入全过程的桩端阻力，对比研究了两种技术获取的桩端阻力，分析了桩端阻力的变化规律，以期为桩基设计提供依据，为轮辐测试技术在桩基检测中的应用奠定基础。

1 传感器基本原理 1.1 轮辐压力传感器

轮辐压力传感器基本原理是测量剪切应力，也被称为剪切应力传感器，如图 1所示。由于其高度低，也被称为低姿态测压元件，该传感器的优点是高度低、精度高、线性度好、抗偏心载荷强、侧向力强。轮辐压力传感器在桩基检测中的应用鲜有报道。目前，桩端力均采用土压力盒或钢筋计等局部截面传感器采集，但是局部截面采集难免因沉桩过程中出现偏心受压或土层中不均匀介质影响造成所得数据精确度偏低的现象；因此，为避免测试数据出现较大误差，在本次试验中采用轮辐压力传感器。该传感器可用于测量压力和测量张力，且特别适用于测量桩端阻力。其原理示意图如图 2所示。

传感器在受到外力作用的时候会产生形变，引起紧贴在传感器内部壁上的应变片阻抗线性增加或减小，在有外部供电比(如直流5 V)的情况下输出的差分信号也线性增加减小，传感器通过组桥、调零、配平灵敏度、温补等^[13]，可得

式中：Q为输出的差分信号，V；U为供电电压，V；s为灵敏度。

1.2 FBG传感器

FBG传感器的基本原理^[14]为

式中：ε为传感器应变；K为传感器的增减敏系数，K>1时，传感器减敏，K < 1时，传感器增敏，K= ，L_f为光纤光栅的长度，cm，L为夹持支座的距离，cm；ε_f为光纤光栅应变；Δλ_B为光栅中心波长变化量，nm；Κ_ε为传感器应变灵敏度系数，传感器中光纤纤芯为纯石英的中心波长处于1 550 nm波段时，K_ε=1.2×10^-6。

光纤光栅中心波长变化量与应变和温度(T)的关系^[14]为

式中：λ_B为光纤光栅中心波长，nm；Δε为应变变化值；ΔT为温度变化值，℃；p_e为光栅有效弹光系数；α_f为光栅热膨胀系数；ξ为光栅热光系数。

为消除由于外界温度以及热光效应对光纤光栅中心波长的影响，公式(3)可变为

式中：S_ε为应变敏感系数，S_ε=1-p_e；S_T为温度敏感系数，S_T=α+ξ；α₁和α₂分别为外管和内管的热膨胀系数；L₁和L₂分别为外管和内管的长度，cm。

令式(4)中

由式(4)可消除温度的影响，因此光纤光栅的中心波长只受到应变变化的影响。其原理示意图如图 3所示。

FBG传感器灵敏度高，布置形式灵活，能够实现自补偿并进行实时监测，在监测领域中逐渐取代传统的监测元件，并在土木工程中被广泛应用。本次也采用了FBG传感器，以与轮辐传感器所测数据进行对比。

2 试验方案 2.1 工程概况

本次试验场地位于山东省东营市河口区湖滨路以西、河兴路以北的某桩基工程场地内。建设场地为黄河三角洲第四纪冲积平原地貌，表层覆盖0.90~5.30 m厚回填土，场地内主要分布粉质黏土层和粉土层，素填土中的主要成分为粉质黏土。地下水位埋深为0.30~3.00 m。根据三轴试验与CD(排水固结剪)方法，获得了场地土层的有效应力指标，场地①—⑥层地层参数见表 1。夹层厚度在试验位点附近的各钻探孔间略有偏差。

2.2 试验设置

本次试验使用了2根PHC-AB400-95型预应力高强度混凝土管桩作为试验桩，编号分别为P1、P2，均为闭口桩，单节桩长均为12.00 m，弹性模量均为36 GPa，轴向抗压强度均为35.9 kPa。本试验以桩长12.00 m作为终压标准，即最终贯入深度为12.00 m。为避免挤土效应^[15]，将2根试验桩之间的间距设置为2.00 m。试验采用的压桩机械是680 t液压静力压桩机，最大行程为1.8 m。试验过程中，沉桩速度为2.0~3.0 m/min，属于快速贯入^[16]。

为精确测量沉桩过程中的桩端阻力，并对不同测试技术所得数据进行对比分析，在试验桩P1的桩端安装轮辐压力传感器(编号为P₁′)，该传感器的的数据采集频率为10 Hz，准确度为0.1%，量程为100 t；在两根试验桩桩身距桩端200 mm处安装FBG传感器(编号为P₁、P₂)，该传感器的数据采集频率为1 Hz，准确度为1%，应变量程为±1.5×10^-3 ε。传感器安装示意图如图 4所示。

试验之前预加工出与试验桩P1等直径的法兰板与上下压板，并在法兰板与上压板上留出螺栓孔和出线孔，下压板上留出螺栓孔；然后进行安装，安装时将法兰板与桩底端头板焊接，用螺栓将压力传感器与上压板紧固，再用螺栓将安装有压力传感器的上压板与法兰板紧固；之后用螺栓连接下压板与压力传感器；最后将上下两段环形钢板进行侧壁封闭，即两段钢板分别与上下端板焊接，中缝重叠部位使用弹性胶体密封，形成等截面闭口桩。轮辐压力传感器现场安装如图 5所示。

安装传感器时，首先在试验桩的桩身进行划线定位，为避免桩端端头板的影响，将FBG传感器安装在距离桩端200 mm处；然后再用开槽机切割出一个深度为2 cm的浅槽，开槽之后对安装传感器的位置进行找平，目的是使传感器可以紧密地平直安装，以避免在压桩过程中出现偏心受压等问题；之后再将传感器的固定支座用高强度植筋胶固定在浅槽内，待植筋胶产生强度之后再进行FBG传感器的安装，以保证传感器与桩身变形保持一致；最后将FBG传感器的光缆线从桩顶钻孔引出。布置完毕后用植筋胶将浅槽密封并使其与桩身表面齐平，FBG传感器现场安装如图 6所示。

3 现场试验结果分析 3.1 压桩力随深度的变化规律

根据压桩机上油压表的读数可获得整个压桩过程中压桩力的试验数据，绘制得到压桩力随贯入深度的变化曲线，如图 7所示。

由图 7可以看出，随着贯入深度的增加，压桩力整体上呈增大的趋势，其变化规律基本与土层的变化一致。在贯入深度小于5.00 m时，试验桩P1与P2的变化规律基本一致，压桩力增加速率较缓；在桩端贯入到②粉土层时，压桩力迅速增大，P1压桩力由416.24 kN增长到1 159.92 kN，P2压桩力由395.55 kN增长到855.37 kN，压桩力的增幅分别达到了178.0%、162.0%；当桩端贯入到⑤粉质黏土层时，压桩力逐渐减小，P1压桩力由1 159.92 kN减小到778.26 kN，P2压桩力由855.37 kN减小到564.74 kN，压桩力的减幅分别达到了32.9%、21.3%。由此可以看出，土层的软硬程度对压桩力有较大影响，这与寇海磊等^[12]的研究结果相吻合。同时，在压桩机压桩施工过程中会产生较大的负摩阻力，导致桩端阻力增大。本试验条件下，沉桩开始阶段沉桩速度及压桩荷载均较小，桩端阻力变化不大，随着贯入深度的增加，沉桩速度及压桩荷载明显增大，桩端阻力也显著增加；因此，本次试验沉桩过程中，不同的沉桩速度及压桩荷载会影响桩端阻力的变化。

3.2 桩端阻力随深度的变化规律

根据桩身布置的FBG传感器所测数据，由以下公式计算得出桩身轴力，可视为桩端阻力。

式中：σ为桩身应力(kPa)；E为桩身弹性模量(GPa)；N为桩身轴力，kN；A为桩身横截面面积，m²。根据轮辐压力传感器(P₁′)与FBG传感器(P₁、P₂)测得的数据，绘制得到的桩端阻力随贯入深度的变化曲线，如图 8所示。

由图 8可以看出，桩端阻力的增长趋势与压桩力的增长趋势相一致，当桩端从上一土层贯入下一土层时，桩端阻力会发生变化。这是因为不同土层的性质不同，从而导致桩端阻力的不同。当桩端从较软土层进入较硬土层时，桩端阻力呈现持续增大的状态，这是因为桩端位于较硬土层时难以破土贯入，桩端阻力会持续增大。从较硬土层进入较软土层时，桩端阻力会减小，这是因为由较硬土层进入较软土层，桩端土体易于破土贯入，使得桩端阻力明显减小。而在同一土层中，桩端阻力也会存在一些小的波动，这主要是由现场试验中土层的不均匀性所致。可以看出土层的软硬程度对桩端阻力的影响较大，与胡永强等^[17]研究结果相似。毕庆涛等^[18]研究表明，桩端阻力的影响因素有沉桩方式、桩身所穿过土层的剪切或压缩特性、进入持力层深度、桩的尺寸以及加荷速率等。因此，贯入过程中桩端阻力与土层分布及土层的特性密切相关，这也是P₁、P₂桩端阻力相差较大的主要原因。P₁与P₁′桩端阻力的差别，主要是由于轮辐压力传感器(P₁′)安装于桩端，而FBG传感器(P₁)安装于接近桩端的桩身底部，且两者精度不同；因此两者的数据存在一定的差距，并导致两者的曲线存在相交现象。

为了更好地分析桩端贯入到不同土层时桩端阻力的变化情况，根据桩端的轮辐压力传感器(P₁′)和FBG传感器(P₁、P₂)所测得的数据，以贯入不同土层的厚度作为纵坐标，桩端阻力作为横坐标进行数据的整理与分析，可得到各土层的桩端阻力与深度关系曲线(图 9)。

图 9a中土层的素填土的主要成分为粉质黏土，可以看出，在该土层中，桩端阻力都呈现出先增大后减小的趋势。这主要是因为该土层位于地表，其上部存在“硬壳”现象，导致桩端阻力的先增大后减小。刚贯入素填土时，P₁′和P₁上的数值分别为91.27 kN和136.73 kN，数值相差较大；而随着贯入深度的增加，P₁的数值在1.40 m处达到最大值，为241.94 kN；而P₁′上的数值始终小于P₁的数值。这主要是由于轮辐压力传感器位于桩端而FBG传感器位于桩端以上的桩身部分，两者测得的桩端阻力值不同。

从图 9b可以看出：进入粉土层时，P₁与P₂所测数据差值较大，该粉土层厚度较小，导致其与上覆土层存在一定的交互性；随着贯入深度达到3.70 m，桩端阻力渐趋一致；P₁测得的桩端阻力在2.80 m处达到最大值，为194.08 kN。在贯入后期(3.70~4.00 m)P₁所测的值基本保持稳定。

从图 9c可以看出：进入到粉质黏土夹层时，P₁′和P₁测得的数据基本一致，这主要是由于该粉质黏土夹层较薄，而且土质较软，桩端阻力的波动不大。而贯入到图 9d的粉质黏土层后，P₁′和P₁的数据相差较大；原因主要是本次所用FBG传感器的测量频率(1 Hz)要低于轮辐压力传感器的测量频率(10 Hz)，导致了其所测数据精度低，与轮辐压力传感器的数据存在一定差距。

从图 9e可以看出：进入到粉土层后，P₁的桩端阻力均匀减小至200.00 kN左右后，出现大幅增大；在7.00 m处，P₁的数值增大到了641.16 kN，P₁′所测的值达到了477.00 kN。在该粉土层，P₁′与P₁数值上虽然存在一定的差别，但增减趋势一致。该土层的硬度较高，从上一层较软的粉质黏土进入到该土层，桩端阻力会增大，测试结果中，FBG和轮辐压力传感器所测得的桩端阻力均产生了大幅度的增长，与实际情况较为吻合。同时可以看出，P₁和P₂的变化趋势略有不同，这主要是由于不同沉桩位置处的土层分布情况存在一定差异。

从图 9f可以看出：进入到粉质黏土层后，P₁′与P₁测得的桩端阻力小幅增大后开始大幅减小，这主要是由于桩P1由粉土层进入粉质黏土层，是由较硬的土层贯入到较软的土层，桩端阻力逐渐减小；而其上层部分(7.00~7.60 m)的桩端阻力产生的小幅度增大，可能是由于土层的不均匀性所导致的。现场试验中，天然土层存在不均匀性，无法同室内试验所模拟的成层地基土一样均匀，这也是现场试验中不可避免的影响因素。

从图 9g可以看出，进入到粉土层后，在贯入深度约1.00 m(2.5d，d为桩径)的范围内，P₁所测的桩端阻力持续增大。在该土层中，P₁和P₁′桩端阻力的两种测试数据均呈现出波动式增长的趋势。P₁所获得的数据中，在11.20 m和11.60 m处，桩端阻力分别达到了600.80 kN和649.17 kN，其也是桩端阻力在该粉土层中的两个极大值。这主要是由于该土层的厚度较大，土层的不均匀性较为显著。而P₁′所获得的数据中，桩端阻力在10.80 m和11.75 m处达到极大值，分别为501.00 kN和520.00 kN。显然与P₁的极大值位置有一定的差别，这可能是由于轮辐压力传感器与FBG传感器所获得的数据精度不同所导致的，但总体来看，P1桩上的FBG传感器和轮辐压力传感器所获得的桩端阻力的整体趋势上是一致的。

表 2为轮辐压力传感器测得的贯入到各土层桩端阻力的增(减)幅度。可以看出，在贯入到较硬的粉土层时，桩端阻力均产生了较大幅度的增长，最大增幅可达149.7%；而在贯入到较软的粉质黏土层时，桩端阻力逐渐减小，最大减幅为64.4%。其中，在②粉质黏土(夹)层，其桩端阻力增长了49.6%，这可能是该层为②粉土层的夹层，厚度较薄，对桩端阻力影响较小，导致桩端阻力在该土层中持续增大。总体来看，桩端阻力的增减与土层有着密切的关系，而其增减幅度则取决于各土层的特性。

4 土层变化对桩端阻力的影响

总体看来，在桩端进入软硬程度不同的下层土时，桩端阻力的变化存在着一定的规律：1)当桩端由粉土层进入粉质黏土层时(图 9c、f)，桩端阻力在尚未达到粉质黏土层前就开始逐渐减小(图 10a)，这主要是因为桩端可以冲裂下部较薄的粉土层使其逐渐贯入至粉质黏土层；2)当桩端由粉质黏土层进入粉土层时(图 9b、e、g)，桩端阻力在桩端到达粉土层后开始增长(图 10b)，其幅度与各粉土层的具体土层参数有关，但存在快速增长的深度均在3d左右，这与张明义^[19]在层状土地基中对沉桩阻力的研究结果相吻合。其原因之一可能与桩端入土深度增大，截面增大有关；另外，桩端阻力主要与桩端所在土层特性有关。

5 桩端阻力与锥尖阻力比较

在进行压桩前，在P1沉桩桩位附近进行了静力触探。将P1桩轮辐压力传感器(P₁′)测得的桩端阻力的变化曲线与静力触探所测得的锥尖阻力的变化曲线进行对比，如图 11所示。

由图 11可知：在0.00~2.40 m素填土层范围内，桩端阻力值与锥尖阻力值相差较大，这主要是钻孔位置不同和锥尖面积较小导致的；在2.40~7.00 m范围内，两者的变化规律基本一致，但桩端阻力值较锥尖阻力值偏小；在7.00~10.70 m粉质黏土层中，桩端阻力存在着先增大后减小的趋势，而锥尖阻力此规律不明显；在10.70~13.10 m粉土范围内，两者规律吻合较好。

对比分析二者随深度的变化规律，可以发现二者变化规律较为相似，证明轮辐压力传感器所测得的桩端阻力比较准确。另外，静力触探的锥尖阻力整体上数值高于桩端阻力，且表现出更为明显的波动。这主要是由于静力触探试验中的探头截面面积小于桩端面积，因此对于土层与土性的变化更为灵敏。另外，两者的受力状态存在差异，桩端土体存在一定的挤密压缩，而锥尖周围土体的挤密效应显然要低于桩端，导致静力触探的锥尖阻力值高于桩端阻力值。

6 结论

1) 桩端阻力与土层的变化密切相关，桩端所贯入的土层越硬，桩端阻力越大。当桩端从粉质黏土层进入粉土层时，桩端阻力明显增大；而由粉土层进入粉质黏土层时，桩端阻力会逐渐减小。

2) 土层的变化是桩端阻力变化的主要原因，而相同土层的不同力学特性对桩端阻力也有着较大的影响。桩端贯入到粉土层时，桩端阻力均呈增长趋势，但增长幅度不完全相同，这说明土层特性也是桩端阻力的重要影响因素。

3) 桩端由粉质黏土层贯入到粉土层时，桩端阻力快速增长的深度均为桩径的3倍(3d)左右；通过与静力触探所测得的锥尖阻力比较，由轮辐压力传感器测得的桩端阻力与锥尖阻力变化趋势较为相似，静力触探曲线与桩端阻力曲线均在土层交互处产生变化，土层的软硬程度和土层的变化均对桩端阻力有较大的影响。