鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測技術(shù)要求

呂穎釗

(杭州市公路管理局，杭州　310030)

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鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測技術(shù)要求

呂穎釗

(杭州市公路管理局，杭州310030)

摘要：樁基礎(chǔ)承載性能的跟蹤監(jiān)測是一個重要而復(fù)雜的問題。本文根據(jù)樁基礎(chǔ)長期監(jiān)測的技術(shù)特點，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測的基本要求、監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測點布置、監(jiān)測元件安裝與保護(hù)、數(shù)據(jù)量測與分析等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。研究成果簡明扼要、針對性強，以期為橋梁樁基礎(chǔ)承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測項目提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：鉆孔灌注樁；承載性能；現(xiàn)場監(jiān)測；技術(shù)要求

0引言

自20世紀(jì)80年代以來，鉆孔灌注樁的使用逐漸增多，工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)鉆孔灌注樁的承載力在成樁后存在隨時間變化的趨勢，并開展了一些研究和試驗。1982年，美國率先在西雅圖西線公路橋EA-31號墩進(jìn)行了樁基礎(chǔ)承載性能的長期監(jiān)測，歷時長達(dá)20年。我國蘇通大橋較早開展了主墩群樁基礎(chǔ)承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測[1]。近期，錢江通道南接線工程選取了典型樁基進(jìn)行了鉆孔灌注樁施工期和運營期承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測[2,3]。鑒于傳感技術(shù)發(fā)展，錢江通道南接線工程在埋設(shè)弦式鋼筋計和壓力盒的基礎(chǔ)上，還埋設(shè)了光纖光柵傳感器，豐富了監(jiān)測手段。依托工程實際開展樁基礎(chǔ)承載性能的長期監(jiān)測，不僅能促進(jìn)樁基礎(chǔ)評價、養(yǎng)護(hù)方法的提升，也能提高新建橋梁樁基礎(chǔ)設(shè)計和既有橋梁樁基礎(chǔ)評估的針對性和合理性。對深埋在巖土層中的樁基礎(chǔ)承載性能進(jìn)行長期監(jiān)測時，監(jiān)測工作與施工進(jìn)度需緊密結(jié)合，跨越時間包含施工期與運營期，由于施工流程多，監(jiān)測環(huán)境復(fù)雜，受外界環(huán)境影響大，因此，對監(jiān)測傳感器的技術(shù)性能、環(huán)境適應(yīng)性和安裝工藝以及監(jiān)測與施工協(xié)調(diào)同步等要求較高。

本文根據(jù)樁基礎(chǔ)長期監(jiān)測的技術(shù)特點，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測的儀器設(shè)備、測點布置、現(xiàn)場監(jiān)測等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和分析，可為橋梁樁基礎(chǔ)的現(xiàn)場監(jiān)測提供借鑒。

1鉆孔灌注樁現(xiàn)場監(jiān)測基本要求

樁基承載性能長期監(jiān)測工作的實施過程，主要包括技術(shù)資料收集、監(jiān)測范圍選取、監(jiān)測方案編制、監(jiān)測元件安裝與保護(hù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析等內(nèi)容。監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，取決于監(jiān)測過程各階段相關(guān)工作的有效實施。

(1)技術(shù)資料收集

在監(jiān)測方案編制前，對監(jiān)測場地進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究，完整收集需監(jiān)測橋梁的地質(zhì)勘察、設(shè)計、施工、環(huán)境情況等資料。掌握樁基與橋梁上部結(jié)構(gòu)特點、橋梁各部件的施工組織方案，了解監(jiān)測樁基周圍場地和項目的遠(yuǎn)期規(guī)劃。

(2)監(jiān)測范圍選取

根據(jù)監(jiān)測目的、基礎(chǔ)類型等，選取監(jiān)測范圍。一般地，對于單排樁基礎(chǔ)，可選擇同一橋墩中的中樁和邊樁共2根樁基。對于群樁基礎(chǔ)，根據(jù)承臺下樁基分布和數(shù)量進(jìn)行選取，至少包含角樁與中樁。

(3)監(jiān)測方案編制

根據(jù)前期調(diào)查資料，針對場地條件、施工方案等，制定滿足監(jiān)測要求并具有實際操作性的監(jiān)測方案，明確監(jiān)測內(nèi)容、監(jiān)測方法、測點布置、人員分工、實施計劃、需有關(guān)各方配合的工作、監(jiān)測元件保護(hù)注意事項等。

(4)設(shè)備儀器配備

預(yù)埋監(jiān)測傳感器在使用前需通過標(biāo)定，檢驗合格后方可安裝使用。采集測試設(shè)備按要求定期進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，在有效檢定或校準(zhǔn)周期內(nèi)使用。

(5)監(jiān)測元件安裝與保護(hù)

監(jiān)測元件(傳感器、導(dǎo)線)的安裝與保護(hù)是監(jiān)測過程的重要一環(huán)。除了要求各類人員在導(dǎo)線安裝、混凝土澆筑及其他作業(yè)中不能使傳感器和導(dǎo)線損傷外，在傳感器和導(dǎo)線布線時，合理的走線方式也能很好的避免導(dǎo)線的意外損傷。

(6)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

施工期數(shù)據(jù)采集主要與樁基及以上橋梁各部件的施工節(jié)點有關(guān)，運營期采用定期方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每一次數(shù)據(jù)采集應(yīng)同時記錄結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度、荷載狀況、環(huán)境條件等。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應(yīng)分析原因并及時復(fù)測。

2監(jiān)測設(shè)備及性能測試

監(jiān)測設(shè)備包括監(jiān)測傳感器與采集測試設(shè)備。

2.1監(jiān)測傳感器

樁基應(yīng)力監(jiān)測傳感器可采用弦式鋼筋計、電阻式鋼筋計或光纖光柵鋼筋計，對于分布式光纖，由于測試精度受環(huán)境因素、信號分析儀的影響較大，建議配合以上兩種鋼筋計使用。溫度監(jiān)測傳感器可采用埋入混凝土中的光纖式溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器和半導(dǎo)體溫度傳感器。對于應(yīng)力和溫度監(jiān)測傳感器的技術(shù)要求建議如下：

(1)應(yīng)力監(jiān)測的鋼筋計(弦式、電阻式和光纖光柵式)量程至少滿足±150MPa，分辨率應(yīng)達(dá)到0.1MPa。

(2)鋼筋計的接頭規(guī)格與監(jiān)測樁基主筋相匹配，便于安裝。

(3)對于其他種類的應(yīng)力傳感器，在進(jìn)行可靠性、適用性驗證后采用。

(4)溫度傳感器的分辨率應(yīng)達(dá)到0.1℃。

(5)優(yōu)先采用自帶溫度補償或溫度測試的應(yīng)力傳感器。

(6)優(yōu)先采用自帶智能編碼的監(jiān)測傳感器。

(7)優(yōu)先采用長期穩(wěn)定性好的監(jiān)測傳感器。

(8)監(jiān)測傳感器及導(dǎo)線的水密性應(yīng)滿足1MPa水壓不滲水、防潮絕緣的要求。

2.2采集測試設(shè)備

根據(jù)監(jiān)測傳感器類型，采用與其相匹配的采集測試設(shè)備，見表1。

表1　采集設(shè)備選用與要求

2.3傳感器性能測試

混凝土澆筑時，會產(chǎn)生大量的水化熱，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部局部溫度較高。水化熱引起的升溫不僅會引起傳感器密封膠的失效，也會導(dǎo)致傳感部件失真或失效。

現(xiàn)階段的大多數(shù)傳感器，不論是光纖傳感器，還是弦式傳感器，抗老化性能較差時，測試數(shù)據(jù)失真或根本測不到數(shù)據(jù)。根據(jù)對光纖傳感器、弦式傳感器組裝的大量試驗，提出以下傳感部件抗老化性能測試要求。

2.3.1高溫老化試驗

(1)工作內(nèi)容

將光纖光柵傳感器放置于恒溫箱內(nèi)進(jìn)行老化試驗，恒溫箱的溫度設(shè)置為120℃，老化時間為72小時。對于弦式傳感器，也建議按上述要求進(jìn)行測試。

(2)測試內(nèi)容

當(dāng)恒溫箱從室溫升至120℃并維持1小時時，通過解調(diào)儀測試光纖光柵的波長值λ1(弦式傳感器則通過讀數(shù)儀測得初始應(yīng)變讀數(shù)ε1)。待老化試驗結(jié)束后，再測試光纖光柵的波長值λ2(弦式傳感器則通過讀數(shù)儀測得應(yīng)變讀數(shù)ε2)。要求λ1與λ2的偏差小于5pm(弦式傳感器則要求ε1與ε2的偏差小于5με)；若偏差大于5pm(弦式傳感器為偏差大于5με)，則不采用。

2.3.2高低溫循環(huán)老化試驗

(1)工作內(nèi)容

將傳感器放置于高低溫循環(huán)箱內(nèi)進(jìn)行溫度范圍-20℃～80℃的溫度循環(huán)，循環(huán)8次。循環(huán)步驟如下所示：

①以1℃/min的升溫速度，升至80℃；

②在80℃溫度下維持30min；

③以1℃/min的降溫速度，從80℃降至-20℃；

④在-20℃溫度下維持30min；

⑤再以1℃/min的升溫速度，升至80℃，以此循環(huán)。

(2)測試內(nèi)容

對于光纖光柵傳感器，通過解調(diào)儀分別測試傳感器第一次與最后一次穩(wěn)定于80℃的波長值λ1、λ2，傳感器的波長值要求λ1與λ2的偏差小于5pm；若偏差大于5pm，則不采用。

對于弦式傳感器，則要求第一次與最后一次穩(wěn)定于80℃的應(yīng)變值讀數(shù)ε1、ε2的偏差小于5με；若偏差大于5με，則不采用。

2.3.3穩(wěn)定性測試

(1)工作內(nèi)容

將傳感器放置于經(jīng)過計量檢定的標(biāo)定設(shè)備或?qū)Ｓ迷O(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定性測試。

通過標(biāo)定設(shè)備對傳感器進(jìn)行加載，使傳感器處于滿量程狀態(tài)，維持7天。

(2)測試內(nèi)容

定期(間隔1天)對傳感器的波長或應(yīng)變值進(jìn)行測試，要求所有測試數(shù)據(jù)與第一次測試的波長偏差不大于5pm(扣除溫度影響)或應(yīng)變值偏差不大于5με。

3監(jiān)測點布置

3.1監(jiān)測點監(jiān)測項目要求

監(jiān)測點監(jiān)測項目分為樁頂受力監(jiān)測、樁身受力監(jiān)測兩大類。樁頂受力監(jiān)測可采用壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測，樁身軸力監(jiān)測宜采用鋼筋計進(jìn)行監(jiān)測。樁頂受力監(jiān)測和樁身軸力監(jiān)測可不同時進(jìn)行，但開展樁身軸力監(jiān)測的樁基應(yīng)同步開展樁頂受力監(jiān)測。

3.2監(jiān)測斷面

(1)樁頂受力監(jiān)測

對于樁柱式基礎(chǔ)，樁頂受力監(jiān)測可在同一墩位下選取中樁和邊樁進(jìn)行監(jiān)測。

對于群樁基礎(chǔ)，應(yīng)選取中樁、邊樁和角樁進(jìn)行監(jiān)測。

(2)樁身軸力監(jiān)測

對于樁柱式基礎(chǔ)，樁頂受力監(jiān)測可在同一墩位下選取中樁和邊樁進(jìn)行監(jiān)測。

對于群樁基礎(chǔ)，應(yīng)選取中樁、邊樁和角樁進(jìn)行監(jiān)測。

監(jiān)測斷面為不同土層的交界面處，距樁底、樁頂?shù)木嚯x不小于1倍樁徑。對于厚度超過10m的同一土層，等厚度增加監(jiān)測斷面，相鄰兩監(jiān)測斷面不超過5m。

3.3監(jiān)測點數(shù)量

同一監(jiān)測斷面對稱布置2～4個應(yīng)力監(jiān)測傳感器。具體要求如下：

(1)樁徑小于1.0m的樁基，同一監(jiān)測斷面可布置2個。

(2)樁徑為1.0m至1.6m的樁基，同一監(jiān)測斷面宜布置3個。

(3)樁徑大于1.6m的樁基，同一監(jiān)測斷面宜布置4個。

4監(jiān)測元件安裝與保護(hù)

監(jiān)測元件(傳感器、導(dǎo)線)的安裝與保護(hù)是監(jiān)測過程的重要一環(huán)。除了要求各類人員在導(dǎo)線安裝、混凝土澆筑及其他作業(yè)中不能使傳感器和導(dǎo)線損傷外，在傳感器和導(dǎo)線布線時，合理的走線方式也能很好的避免導(dǎo)線的意外損傷。

4.1編制完善監(jiān)測元件安裝圖

監(jiān)測元件現(xiàn)場安裝前，應(yīng)繪制詳細(xì)的傳感器布置圖和導(dǎo)線走線方式。包括：傳感器與每一節(jié)鋼筋籠的相對位置，傳感器與主筋的連接方式、安裝方位，導(dǎo)線綁扎方式、走線方向等。

4.2現(xiàn)場傳感器的檢定

技術(shù)人員對運抵現(xiàn)場的各類傳感器進(jìn)行量測，檢查元件是否完好，否則重新購置。在傳感器安裝前再次進(jìn)行量測，防止使用不好的元件。

4.3編制完善的導(dǎo)線安裝要求

編寫詳細(xì)的導(dǎo)線安裝要求，特別是在導(dǎo)線引出樁頂需要拐彎、穿越其他物體時。導(dǎo)線應(yīng)盡量沿鋼筋安裝，不應(yīng)扭曲。

導(dǎo)線布置應(yīng)清晰，導(dǎo)線引出樁頂后，再次引出承臺等結(jié)構(gòu)物的出口應(yīng)盡量少(避免與施工作業(yè)的交叉干擾)。

(1)對所有鋼筋計進(jìn)行統(tǒng)一編號，詳細(xì)記錄好每個測試點所對應(yīng)的測試元件的編號。

(2)鋼筋計和導(dǎo)線利用鋼筋籠結(jié)構(gòu)特點，鋼筋計與主筋可采用焊接或螺紋對接，焊接時，為避免鋼筋籠下放過程中鋼筋計觸碰孔壁，或?qū)Ч芟路胚^程中碰到鋼筋計，鋼筋計不能安裝在鋼筋籠徑向的主筋兩側(cè)，而應(yīng)安裝在鋼筋籠環(huán)向的主筋兩側(cè)，在焊接的過程中實時對鋼筋計用水進(jìn)行冷卻，避免焊接產(chǎn)生的高溫傳到鋼筋計。同樣，避免監(jiān)測導(dǎo)線在施工過程中出現(xiàn)破壞，監(jiān)測導(dǎo)線沿著鋼筋計所在的主筋側(cè)面綁扎，且導(dǎo)線布置在最外層螺旋筋和加強筋之間。導(dǎo)線成束后的直徑不能大于主筋直徑，若導(dǎo)線較多時，可以分成兩束分別捆綁在主筋的兩個側(cè)面上，確保導(dǎo)線在鋼筋籠下放過程中不受到損傷。

(3)鋼筋籠分節(jié)加工時，布置在每節(jié)鋼筋籠上的測試元件導(dǎo)線均比節(jié)段鋼筋籠長且呈分散分布。同一主筋不同測試斷面的傳感器導(dǎo)線采用膠帶捆綁成一束，便于在鋼筋籠下放時能夠快速由下面一節(jié)鋼筋籠引至上面一節(jié)鋼筋籠，節(jié)省鋼筋籠下放時間，如圖1所示。

圖1　按順序綁扎安放的導(dǎo)線

(4)每節(jié)鋼筋籠加工時長出的導(dǎo)線，捆綁成束，規(guī)則盤卷，固定在該節(jié)鋼筋籠上遠(yuǎn)離起吊點的地方，防止鋼筋籠在轉(zhuǎn)運和起吊時損傷測試元件導(dǎo)線，也可將盤為一卷的導(dǎo)線采用尼龍袋包裝保護(hù)。

(5)用塑料扎絲捆綁導(dǎo)線時，需使導(dǎo)線保持筆直，不得有松散、成堆等現(xiàn)象。若無法避免此類現(xiàn)象產(chǎn)生，需在該位置加焊短鋼筋進(jìn)行保護(hù)。

(6)所有鋼筋籠均下放完成后，將位于同一方向樁基頂部的監(jiān)測傳感器導(dǎo)線均引入到金屬管或PVC管中(最好采用金屬管)，金屬管的管底至少應(yīng)在設(shè)計樁頂以下約1m，露出地面至少1m，長出的導(dǎo)線采用尼龍編織袋包裝后固定在金屬管頂端，金屬管還應(yīng)與鋼筋籠綁扎牢固，在后期開挖和樁頭破除時起到保護(hù)導(dǎo)線的作用。安裝完成后，繪制監(jiān)測傳感器實際位置與布置圖。

(7)開挖和樁頭破除施工時，協(xié)調(diào)施工單位施工作業(yè)時不要破壞金屬管，防止里面的傳感器導(dǎo)線在此階段破壞，影響后期監(jiān)測效果。

(8)承臺鋼筋綁扎時，檢查引出樁頭的金屬管是否破壞，對施工破壞的金屬管進(jìn)一步檢查傳感器導(dǎo)線是否破壞，對破壞的導(dǎo)線進(jìn)行更換并將傳感器導(dǎo)線引出到承臺頂面，引出的位置避開墩身澆筑位置，并能避免后期的墩身和箱梁施工支架、模板的影響，引出的導(dǎo)線仍用金屬管或PVC管保護(hù)，露出承臺頂面約1m，如圖2所示。

圖2　導(dǎo)線引出承臺后采用PVC管保護(hù)

(9)墩身和箱梁施工階段，協(xié)調(diào)施工單位在墩身澆筑和箱梁施工過程中，注意保護(hù)好引出的導(dǎo)線。

5數(shù)據(jù)量測與分析

5.1數(shù)據(jù)量測

施工期數(shù)據(jù)采集主要與樁基及以上橋梁各部件的施工節(jié)點有關(guān)，運營期采用定期方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每一次數(shù)據(jù)采集應(yīng)同時記錄結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度、荷載狀況、環(huán)境條件等。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應(yīng)分析原因并及時復(fù)測。

5.1.1施工期間監(jiān)測頻次。

(1)施工期間每個月至少監(jiān)測1次。

(2)傳感器安裝完成前、后均應(yīng)記錄讀數(shù)。

(3)樁基混凝土澆筑完成24小時后測量讀數(shù)，并以承臺或系梁鋼筋綁扎前的穩(wěn)定讀數(shù)作為初始值。

(4)樁基頂以上每一個橋梁構(gòu)件或部件施工前后測量讀數(shù)。

(5)施工期間，樁基礎(chǔ)以上的荷載發(fā)生明顯變化或進(jìn)行特殊工序施工時，應(yīng)增加監(jiān)測次數(shù)。

5.1.2運營期間監(jiān)測頻次

(1)傳感器存活期間應(yīng)定期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。第1年每3個月監(jiān)測1次，以后每半年監(jiān)測1次。

(2)運營期間，監(jiān)測橋梁遇突發(fā)性事件或樁周環(huán)境發(fā)生明顯變化，增加監(jiān)測頻次。

5.2數(shù)據(jù)分析

(1)數(shù)據(jù)處理分析時，應(yīng)修正溫度影響、系統(tǒng)誤差等。

(2)根據(jù)每一次監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制樁身軸力變化圖和各土層樁側(cè)摩阻力分布圖。

(3)根據(jù)樁基礎(chǔ)以上荷載變化情況，與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。

6結(jié)語

對于橋梁結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)的承載能力是一個重要但復(fù)雜的技術(shù)指標(biāo)，通過對實體工程樁基礎(chǔ)從施工期到運營期進(jìn)行全過程現(xiàn)場監(jiān)測，是獲得切合實際的樁基礎(chǔ)承載性能變化數(shù)據(jù)的有效方法。本文對樁基礎(chǔ)承載性能現(xiàn)場監(jiān)測的實施過程進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，研究成果可為橋梁樁基礎(chǔ)承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測項目提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]張理輕，呂穎釗，楊宇．橋梁施工全過程超長鉆孔灌注樁承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測[J]．浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2014，15(1)：15-20．

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Technical Requirements for Field Monitoring of Drilled Pile’ Bearing Performance

LV Ying-zhao

(Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China)

Abstract：The field monitoring of drilled pile’bearing Performance is an important and complicated problem. According to technical characteristics of drilled pile’long-term monitoring and combined with practical engineering experience, these aspects were expounded in detail such as basic requirements, monitoring equipments, monitoring stations arrangement, monitoring components installation and protection, data measurement and analysis of drilled pile’long-term monitoring. The result is concise and targeted, which can provide guidance to field monitoring of drilled pile’bearing performance.

Key words：drilled pile；bearing performance；field monitoring；technical requirement

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：葉恒梅(1983-)，女，湖北黃石人，講師，碩士，E-mail：187213169@qq.com。

中圖分類號:U443.154?

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.01.004

文章編號：1671-234X(2016)01-0017-05