樁基靜載試驗中光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的應(yīng)用

李衛(wèi)保

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

1 概述

鋼筋混凝土灌注工程樁施工前，必須進行試樁，為工程樁設(shè)計提供理論依據(jù)。普通的靜載試驗，僅能反映設(shè)計樁的單樁軸向力。但是，對于整個樁身范圍內(nèi)，不同深度、不同地質(zhì)條件下樁的受力情況無法了解，這就使得設(shè)計時盲目的加大樁長、加大樁徑來滿足承載力，造成極大浪費。光纖應(yīng)變傳感技術(shù)在試樁試驗中的應(yīng)用，有效的解決了這種盲目設(shè)計的問題，為工程樁的合理選型、樁基設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟分析提供了更完善的資料，并明確工程樁施工中可能存在的技術(shù)問題，優(yōu)化樁基設(shè)計，為施工提供更多依據(jù)。

光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術(shù)，具有分布式、長距離、耐久性好、抗干擾強及與被測物協(xié)調(diào)性能好等優(yōu)點。

2 特點

1)傳統(tǒng)測試僅能反映出樁軸力與樁沉降量關(guān)系曲線。本技術(shù)在原基礎(chǔ)上，還能反映出樁任何深度的軸力及側(cè)摩阻力，對樁的承載力反映更加完整、準確、直觀;2)該施工技術(shù)的推廣應(yīng)用，為樁基設(shè)計提供了可靠依據(jù)，優(yōu)化樁基設(shè)計，節(jié)約社會資源;3)光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的應(yīng)用，為樁基技術(shù)經(jīng)濟分析提供了依據(jù)，可預(yù)知施工中可能存在的技術(shù)問題，為施工提供了依據(jù);4)光纖應(yīng)變測試報告，為樁基研究提供了更詳細的資料;5)本施工技術(shù)與靜載試驗同步，操作方便，全自動化。

3 適用范圍

適用于鉆孔灌注樁等樁基試驗檢測。

4 原理

光纖應(yīng)變測量基于布里淵光時域反射技術(shù)BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)，利用分析光纖中后向散射光的方法測試光纖傳輸損耗和各種結(jié)構(gòu)缺陷引起的結(jié)構(gòu)性損耗，通過顯示損耗(散射)與長度的關(guān)系來測量外界信號場分布于光纖上的擾動信息。

測試儀器測試得到的數(shù)據(jù)是光纖的軸向壓應(yīng)變值，由于光纖固定在樁身混凝土內(nèi)，在靜載壓力下，光纖軸向變形與樁身混凝土一致。

光纖傳感技術(shù)在樁基靜載試驗的應(yīng)用，就是在樁基施工中，預(yù)先將傳感光纖沿鋼筋籠主筋的側(cè)邊進行鋪設(shè)，鋪設(shè)時盡量保持光纖挺直，澆筑混凝土后光纖與樁成為一體。隨著靜載試驗進行，光纖應(yīng)變分析儀檢測樁身范圍內(nèi)傳感光纖的應(yīng)力應(yīng)變分布，采集不同深度、不同地質(zhì)條件下樁身的受力狀況，從而得到樁身軸力和側(cè)摩阻力，并評價樁的承載力。

BOTDR的應(yīng)變測試原理見圖1。

圖1 BOTDR的應(yīng)變測試原理

5 工藝流程及操作要點

5．1 工藝流程

工藝流程見圖2。

圖2 樁基靜載試驗光纖應(yīng)變測試工藝流程

5．2 操作要點

1)鉆機成孔。施工場地平整處理，保證鉆機底座場地應(yīng)平整、夯實，避免在鉆進過程中鉆機產(chǎn)生沉陷。根據(jù)現(xiàn)場確定的測量樁位，在開挖前以樁位標志為中心，四周釘下十字樁，校正護筒定位，鉆進施工。

2)光纖鋪設(shè)。裸露光纖直接鋪設(shè)于樁表面容易斷裂，失去測試功能。測試時對光纖進行了特殊處理(即采用GFRP型光纜)，經(jīng)實踐證明，處理后的光纖在傳感性質(zhì)未受影響的前提下，其抗拉、抗折、抗沖擊及防火花能力大為提高。光纖的鋪設(shè)以鋼筋籠主筋為載體，捆綁于其上，捆綁與吊放鋼筋籠同步。為了更好地利用光纖應(yīng)變檢測技術(shù)反映基樁在荷載作用下的變形，需要將傳感光纖與基樁緊密連接，使得兩者的變形盡可能保持一致。因此，在鋪設(shè)傳感光纖時，鋪設(shè)過程中保持光纖挺直，并沿著鋼筋籠的對稱主軸呈U字形鋪設(shè)，而后隨著后期灌注混凝土埋設(shè)在樁基中。為防止在澆灌混凝土過程中混凝土對光纖的直接沖撞，鋪設(shè)的位置盡量靠近鋼筋籠主筋的側(cè)面，鋪設(shè)過程中盡量讓光纖保持挺直。鋪設(shè)的傳感光纖在樁頭預(yù)留，以備后期檢測時引出并接入光纖應(yīng)變分析儀。為了防止后期樁頭處理和養(yǎng)護過程中對傳感光纖的破壞，在樁頭處預(yù)留的傳感光纖應(yīng)進行特殊保護。傳感光纖的鋪設(shè)如圖3，圖4所示。

圖3 光纖鋪設(shè)示意圖

圖4 現(xiàn)場光纖鋪設(shè)

3)應(yīng)變測試。光纖應(yīng)變測試對鉆孔灌注樁的檢測過程是與樁的靜載試驗同步進行的。在檢測之前先對樁身進行初值測試，之后每加一級荷載穩(wěn)定后對傳感光纖檢測一次，直至最大荷載。卸載時，每隔1 h在卸下一級荷載之前讀取上一級荷載的數(shù)據(jù)，直到試驗結(jié)束后3 h讀取最后一次數(shù)據(jù)。最后數(shù)據(jù)處理時把每級荷載下所測的變形數(shù)據(jù)減去初始值就是樁基的變形值。

4)計算原理。測試儀器測試得到的數(shù)據(jù)是光纖的軸向壓應(yīng)變值，由于光纖固定在樁身混凝土內(nèi)，在靜載壓力下，光纖軸向變形與樁身混凝土一致。因此，樁身混凝土的壓應(yīng)變也不變。則樁身壓力σ(Z)為:

其中，E為樁身混凝土的彈性模量。則:

其中，A為樁身截面面積。

樁的荷載傳遞基本方程為:

其中，qs(Z)為樁側(cè)分布摩阻力;Q(Z)為樁身軸向力;U為樁身周長。式(3)可簡化為:

其中，Q(Z)為某土層內(nèi)樁身兩截面間軸力變化量;ΔZ為該土層內(nèi)樁身兩截面間的深度值。

將式(1)，式(2)代入式(4)中，得:

其中，Δε為某土層內(nèi)樁身兩截面間軸向應(yīng)變變化量。

根據(jù)儀器測試光纖應(yīng)變結(jié)果，由式(1)，式(2)，式(5)就可得所有測試結(jié)果。

5)測試數(shù)據(jù)分析。a．樁身軸力計算。光纖應(yīng)變測試提供樁側(cè)摩阻力的分布狀況，樁端阻力值及荷載與變形的相關(guān)關(guān)系。將測得的各荷載級別下的光纖應(yīng)變與光纖初始應(yīng)變之差得出樁身的各級荷載下附加應(yīng)變值，與上述方法得出的樁身混凝土彈性模量相乘，計算出樁身各個截面的應(yīng)力值，該值再利用測孔得出的樁身截面積來修正出樁身軸力，得出軸力分布。由于樁體在靜載過程中存在一定的偏心荷載及撓曲，其樁身表現(xiàn)出對稱性的應(yīng)力應(yīng)變差異，因此利用同截面兩條光纖的應(yīng)變數(shù)據(jù)的平均值作為計算值效果更好。b．樁身側(cè)摩阻力計算。樁身側(cè)摩阻力按土層進行計算，在同一土層的樁身上取能代表其段內(nèi)大體趨勢的一小段，得到兩個橫截面，利用以上軸力計算方法得出兩截面上的軸力值，軸力值之差與該段內(nèi)樁周邊面積之比就是側(cè)摩阻力。

圖5 BOTDR檢測設(shè)備

6 材料與設(shè)備

6．1 材料

光纜，本施工技術(shù)對光纖進行了特殊處理(即采用GFRP型光纜)，經(jīng)實踐證明，處理后的光纖在傳感性質(zhì)未受影響的前提下，其抗拉、抗折、抗沖擊及防火花能力大為提高。

6．2 設(shè)備

1)本施工技術(shù)采用的BOTDR檢測設(shè)備是日本NTT公司研制開發(fā)的AQ8603型BOTDR光纖應(yīng)變分析儀(見圖5)。技術(shù)性能指標見表1。

2)樁基靜載荷測分析儀。

3)其他設(shè)備:計算機、沉降傳感器、光纖傳感器、液壓千斤頂?shù)取?/p>

7 應(yīng)用實例

1)工程概況。山西省電力勘測設(shè)計院綜合業(yè)務(wù)樓樁基工程，共有工程樁187根，其中抗壓樁147根，樁徑為0．75 m;抗拔樁40根，直徑0．70 m?？箟簶稑堕L36 m，抗拔樁樁長30 m，樁基施工工期3個月。從上至下地質(zhì)為:雜填土、素填土、粉質(zhì)粘土、中砂、粉土、中細砂、粉土、卵石。

表1 AQ8603主要技術(shù)性能指標

2)施工應(yīng)用效果。針對試錨樁采用光纖傳感技術(shù)，完整、準確測試出樁基在不同深度、不同土層，樁基軸向力及側(cè)摩阻力。通過光纖檢測報告，設(shè)計單位在滿足基樁承載力的前提下，修訂了樁的有效長度。該樁基工程經(jīng)測試，樁身承載力滿足設(shè)計要求。光纖傳感技術(shù)在樁基靜載試驗中的應(yīng)用，取得了較好的社會經(jīng)濟效益，獲得了業(yè)主、監(jiān)理和設(shè)計單位的一致好評。