基于分布式光纖傳感技術的鋼板樁施工全過程演化規(guī)律

劉立新, 任祥瑞，雷志強，毛景權，羅威力

(1.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410000；2.廣州大學)

鋼板樁是橋梁基礎建設中被廣泛應用的支護結構，是橋梁樁基水下承臺建設中最常見的支護形式之一。鋼板樁的優(yōu)點有止水效果好、可回收、施工快、施工成本低等。然而鋼板樁的安全可靠性往往比較低，施工時容易出現(xiàn)安全事故，若圍堰監(jiān)測手段不足或者監(jiān)測精度不滿足要求，很容易出現(xiàn)樁的失穩(wěn)、坍塌，造成生命財產損失。目前，圍堰監(jiān)測的傳統(tǒng)方法采用點式傳感器，如應變計、測斜儀等。此類傳感器具有布點多、路線多、易受環(huán)境的影響、安裝不便、人工成本高等缺點。另外，由于傳統(tǒng)監(jiān)測傳感器需要人工讀數(shù)、記錄等，很難實現(xiàn)長期長距離的實時監(jiān)測。為了克服工程監(jiān)測存在的弊端、消除施工過程的安全隱患、實現(xiàn)信息化施工，探索出一種新的圍堰監(jiān)測方式非常必要。

近年來，分布式光纖傳感技術逐漸被用于工程監(jiān)測中，因為光纖傳感器具有分布式測量、抗電磁干擾、不怕水、耐高溫、耐腐蝕、易安裝、容易實現(xiàn)長距離監(jiān)測等優(yōu)點。光纖傳感監(jiān)測技術廣泛應用于結構健康監(jiān)測中，其在邊坡、樁基、管道、大壩、隧道、基坑、橋梁等結構施工與運行階段中的監(jiān)測都有應用，取得了良好的效果，具有很大的應用前景。但是尚未見有文獻報道應用分布式光纖傳感技術監(jiān)測鋼板樁圍堰施工全過程的變形。

該文提出一種光纖測量鋼板樁受力變形的新方法。在鋼板樁上埋設分布式傳感光纖，使傳感光纖與鋼板樁合為一體，共同變形，此時鋼板樁成為具有感知變形能力的構件，它能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測鋼板樁的應變、彎矩、撓度等數(shù)值，確保圍堰開挖的可靠性與安全性。該方法可分析圍堰內排水與開挖過程支護結構的內力和變形的變化規(guī)律，驗證支護結構的有效性，可作為圍堰施工過程的一項安全指標。通過對廣州花都至東莞高速公路某合同段仙村涌2號大橋鋼板樁圍堰的監(jiān)測實例分析，以驗證該技術在現(xiàn)場適應性、剔除溫度影響、遠程分布式測量等方面的應用效果。

1 分布式光纖監(jiān)測原理

1.1 BOTDA原理

BOTDA是近年來興起的一種新的光纖傳感技術。此技術原理以光纖為介質，通過在光纖兩端發(fā)送脈沖和連續(xù)光波，光纖中的布里淵頻率會產生偏移，從而感知和傳輸外界發(fā)生改變的信號。布里淵頻移量與光纖應變成正比關系。所以，光纖應變可以通過布里淵頻移量由下式求出：

(1)

1.2 工作原理

應用BOTDA對鋼板樁進行分布式檢測。將傳感光纖埋設在鋼板樁的腹板表面上，然后把安裝有分布式傳感光纖的鋼板樁豎直沉入河床地基中，在圍堰抽水和開挖過程中受水平方向上水、土壓力的作用。在此作用下，光纖傳感器和樁身發(fā)生變形協(xié)調，在光纖一端通過分布式光纖解調儀對樁內傳感光纖長度上任一點的應變信息進行檢測，可得到布里淵頻移νB(ε,T)，通過公式εc=νB(ε,T)/K求得鋼板的應變值，式中εc為鋼板樁應變值；K為布里淵頻移的影響系數(shù)，由應變值可以求得鋼板樁相應力學參數(shù)。

2 傳感光纖安裝工藝

為了不削弱鋼板樁的截面面積和保護光纖傳感器在沉樁時不受破壞，該文提出一種新的傳感光纖安裝方法：從樁頂開始到樁底，在鋼板樁腹板中軸線上側焊接2根保護鋼筋，在鋼板樁腹板中軸線下側焊接1根角鋼，將傳感光纖黏結在2根保護鋼筋形成的凹槽以及鋪設在空腹的角鋼上面，鋪設在樁中的傳感光纖呈U字形回路，鋪設在保護鋼筋形成的凹槽上的光纖測量內力產生的應變，鋪設在空腹角鋼上的光纖測量溫度產生的應變。為了在圍堰施工檢測時能夠方便地連接光纖解調儀，在樁頭需要留出一定長度的光纖傳感器。為了防止后期施工時，樁頭處的光纖受到人為破壞或者環(huán)境的影響，在樁頭預留光纖應進行封裝保護，以免影響光纖的使用壽命。傳感光纖的安裝工藝如圖1、2所示。

圖1 光纖測量線路構成示意圖

3 傳感光纖應變標定室內試驗

傳感光纖標定試驗主要考察應變遞增時分布式光纖應變測量系統(tǒng)測得的光纖布里淵頻率變化趨勢，驗證應變變化與系統(tǒng)所測布里淵頻率之間的線性關系，評價系統(tǒng)的應變測試能力。

圖2 鋼板樁測量系統(tǒng)布置側面示意圖

試驗采用的傳感光纖原長度為3 m，對傳感光纖施加軸力，使傳感光纖產生軸向變形，用激光干涉儀測定受拉傳感光纖的伸長量，通過應變量控制數(shù)據(jù)采集點，采集傳感光纖變形時的布里淵頻率變化量。應變每增加0.003%，傳感光纖解調儀采集一次數(shù)據(jù)，直至傳感光纖的伸長量達到9 mm時停止采集，得到光纖應變與布里淵頻率、頻移累計的關系，如表1、圖3所示。

表1 光纖應變與布里淵頻移的關系

由圖3可得：應變變化與布里淵頻移累計呈良好的線性關系，傳感光纖應變對布里淵頻移的影響系數(shù)為：

圖3 光纖應變與布里淵頻移累計的關系

4 數(shù)據(jù)處理方法

BOTDA對鋼板樁的檢測結果是傳感光纖段在每個工況下的應變頻譜，得出的應變頻譜含有噪聲，波動性比較大，難以得出鋼板樁應變變化規(guī)律，所以需要對應變頻譜進行消噪和平滑處理。首先運用小波分析法對應變頻譜進行消噪，再運用移動平均法進行平滑處理，如圖4所示。

圖4 原始、消噪與平滑處理信號

圖4為某工程對長度18 m的鋼板樁圍堰進行施工全過程檢測，運用小波變換對原始數(shù)據(jù)進行降噪處理的信號。從圖4可以看出：降噪后的曲線更加光滑，有效抑制了高頻信號，降噪效果明顯。對降噪后數(shù)據(jù)采用移動平均法進行修勻，可有效消除數(shù)據(jù)的波動性，能消除和減小外界偶然因素的影響，顯示鋼板樁的應變變化趨勢。

由于溫度的變化影響B(tài)OTDA頻移的讀數(shù)。因此，需要進行溫度補償，以減輕溫度對布里淵頻移的影響。該工程通過鋪設專用的溫度補償光纖來進行溫度補償。由式(1)可知：BOTDA的測量值包含了溫度和應變的共同影響，假定BOTDA 的測量值為應變測量值，則該應變測量值由兩個部分組成：

εc=εε+εT

(2)

式中：εc為總應變；εε為真應變；εT為溫度應變。

在同一溫度場內的不同光纖εε可能不相同，但是εT是相同的，因此，εε可由式(2)求得。

根據(jù)鋼板樁的應變，可以計算得到鋼板樁彎矩，其計算公式如下：

(3)

式中：M(x)為樁身彎矩值；I為每根樁的慣性矩；E為彈性模量；Δε為應變改變量。

根據(jù)彎矩計算公式(3)，可計算樁的撓度分布：

(4)

式中：yd為某截面處的撓度；C和D為由邊界條件決定的參數(shù)。

由于該文工程土體條件較軟，在圍堰的抽水與開挖過程中，鋼板樁底部會發(fā)生旋轉。當樁受到水平作用的支撐力時，水平位移受到限制，樁底旋轉值無法測量，因此在得到樁體軸向應變的前提下，需要用全站儀監(jiān)測的樁頂水平位移作為邊界條件，利用這些邊界條件求出樁身撓度。

5 圍堰監(jiān)測應用實例

5.1 工程概況

廣州花都至東莞高速公路某橋墩建于軟巖地層中，水下軟巖強度性質不穩(wěn)定，地基土物理力學性質指標詳見表2。

表2 土層及填土的物理參數(shù)值

圍堰采用鋼板樁(參數(shù)見表3)插打圍合而成，圍堰長×寬×高=17.90 m×12.60 m×18 m，水深4～9 m，開挖深度為水面以下6 m，鋼板樁嵌固深度為5 m，水平方向上設有4道支撐。

表3 拉伸鋼板樁截面參數(shù)

該圍堰采用逆做法施工，先下放第1、2道內支撐系統(tǒng)，再打設鋼板樁圍堰。排水開挖基坑內土層，邊開挖邊支撐?；娱_挖如圖5所示，開挖分6個工況，各工況如下：

圖5 基坑開挖示意圖(單位：cm)

(1)工況1：安裝1、2道支撐，以1、2道內支撐的圍檁為基準線，打設鋼板樁圍堰。

(2)工況2：圍堰內抽水，基坑開挖至第3層支撐下0.5 m。

(3)工況3：安裝支撐3，基坑向下開挖1 m。

(4)工況4：基坑向下開挖至支撐4以下0.5 m。

(5)工況5：安裝支撐4，基坑向下開挖1.5 m。

(6)工況6：基坑開挖到底。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)基坑開挖的6個工況，分布式光纖傳感技術對鋼板樁進行檢測過程是與圍堰基坑開挖同步進行的。在鋼板樁沉樁后對樁身進行初值測試，之后每個工況測一次，直至開挖到底、混凝土墊層施工完成。數(shù)據(jù)處理時把每個工況下所測的變形數(shù)據(jù)減去初始值就是鋼板樁的變形值。

5.3 監(jiān)測結果分析

BOTDA儀器的數(shù)據(jù)采樣間距為0.25 m，根據(jù)式(2)得到樁身隨樁長變化的應變值分布曲線，并對應變分布曲線除噪和平滑處理，結果如圖6所示。

圖6 樁身應變分布圖

根據(jù)式(3)計算得到各工況下鋼板樁的彎矩分布圖，如圖7所示。從圖7可以看出：鋼板樁樁身彎矩值隨著開挖工況的進行而增加，在開挖過程中，最大彎矩約為220 kN·m；在樁長約1、4.5、7、9以及13 m處的基坑底分別出現(xiàn)彎矩轉折點，實際支撐點位置分別為1、4.5、7.5、10 m，基坑底處為13 m，可以判斷彎矩轉折點主要由內支撐和基坑開挖面的土體造成；樁身彎矩峰值隨著開挖的進行逐步下移；符合實際情況。根據(jù)計算鋼板樁的抵抗彎矩為516 kN·m，圍堰施工的最大彎矩小于其抵抗彎矩，滿足施工要求。

圖7 樁身彎矩分布圖

根據(jù)樁身撓度公式(4)計算出樁的撓度，如圖8所示。

圖8 樁身撓度分布圖

從圖8可知：工況6基坑開挖到底，樁身最大撓度約為17 mm；隨著基坑開挖深度逐漸增大，樁身撓度增加；彎矩值越大處，樁身撓度越大；樁身最大撓度處隨著開挖的進行逐步下移。根據(jù)規(guī)范，樁身允許的最大撓度為50 mm，圍堰施工最大位移小于其允許撓度，因此該工程施工過程中撓度滿足施工要求。

從圖7、8可看出：支撐不僅改變了彎矩和撓度的數(shù)值大小，也改變了曲線峰值的位置。隨著圍堰開挖深度的增加，鋼板樁的彎矩和撓度增大；水平支撐能夠有效減小彎矩和撓度的大小，在支撐安裝的位置會出現(xiàn)明顯的突變。

為了驗證分布式光纖對鋼板樁圍堰監(jiān)測的有效性，在鋼板樁附近埋設了一根測斜管，通過測斜儀測量出工況6鋼板樁的水平位移，并與分布式光纖監(jiān)測的樁身撓度比較，結果如圖9所示。

由圖9可知：測斜儀測量出的鋼板樁撓度曲線與分布式光纖監(jiān)測的樁身撓度曲線具有很高的相似度，兩者的誤差較小，兩者之差在2 mm范圍內，說明分布式傳感光纖技術監(jiān)測結果有效且準確，將此技術應用于鋼板樁圍堰監(jiān)測是一種行之有效的方法。

6 結論

(1)將分布式光纖傳感技術應用于圍堰施工過程中鋼板樁試樁的應變、彎矩和撓度等檢測，其具有分布式測量、抗磁干擾、耐高溫、防水、抗腐蝕、便于安裝、容易實現(xiàn)長距離監(jiān)測等優(yōu)點。

(2)傳感光纖在鋼板樁中埋設時工藝十分重要，該文提出一套埋設工藝，既能保護光纖，又不削弱鋼板樁截面，解決了傳感光纖在鋼板上的埋設工藝問題。

(3)在分布式光纖檢測中，考慮了監(jiān)測周期內環(huán)境溫度的變化，專門鋪設了溫度補償光纖，以消除溫度場變化的影響，提高了監(jiān)測精度。

(4)分布式光纖傳感技術是在鋼板樁圍堰施工中的首次嘗試，為基坑開挖全過程提供了有效檢測數(shù)據(jù)。此技術作為一種新型圍堰測試技術，可為今后基坑工程檢測提供一種新的檢測手段。