分布式光纖傳感技術(shù)在巖溶段樁基檢測中的應(yīng)用研究

姚正斐

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

巖溶在我國分布廣泛且具有明顯的區(qū)域特征[1－2]。由于經(jīng)濟發(fā)展需求，巖溶區(qū)的工程建設(shè)項目越來越多，巖溶地區(qū)興建起大量高層建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)，而這些大型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)選擇形式大多是灌注樁基礎(chǔ)。巖溶溶蝕區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，其形成的空洞或者弱填充、孤石和石筍等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境是巖溶區(qū)工程的薄弱點和工程事故發(fā)生的誘因[3]。當樁基附近存在溶洞時，樁基可能會發(fā)生不均勻沉降，甚至發(fā)生樁基失穩(wěn)的現(xiàn)象。同時，巖溶水的流動會使樁身侵蝕，降低樁基的使用壽命。因此，樁基礎(chǔ)施工后需要對其進行質(zhì)量檢測，以確保巖溶區(qū)灌注樁在使用階段的穩(wěn)定性和安全性。

灌注樁常用的檢測手段是在樁身安裝鋼筋應(yīng)力計、應(yīng)變片等傳感器，但其存在施工不便、成功率低的缺點。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)逐漸被應(yīng)用于樁基檢測中。樸春德等[4]運用光纖傳感技術(shù)對灌注樁承載特性研究并進行了可行性驗證；江宏[5]提出一種基于PPP-BOTDA的新型樁基檢測技術(shù)；羅勇等[6]基于分布式光纖測試技術(shù)分析了大直徑嵌巖樁承載特性；劉波等[7]基于光纖傳感技術(shù)研究了螺旋擠土灌注樁的荷載傳遞規(guī)律及承載特性；王學(xué)敬[8]將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜深基坑智能化監(jiān)測，保證了基坑施工的安全性；肖衡林等[9]將光纖測溫技術(shù)運用于夾泥灌注樁完整性檢測，提出光纖的溫度變化與夾泥灌注樁含泥量有關(guān)；宋建學(xué)等[10]通過現(xiàn)場樁基靜載試驗證明將分布式光纖技術(shù)應(yīng)用于樁基完整性檢測是行之有效的方法。雖然分布式光纖傳感技術(shù)被應(yīng)用于樁基檢測中，但是關(guān)于在巖溶區(qū)灌注樁檢測的研究極少。

本文將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖溶區(qū)灌注樁完整性檢測，研究灌注樁在巖溶區(qū)的荷載傳遞規(guī)律，并分析樁身溶洞存在的位置情況，以確保樁基礎(chǔ)在使用階段的安全性。通過對巖溶區(qū)灌注樁檢測驗證，說明該技術(shù)具有現(xiàn)場適應(yīng)力強、測量精度高、可實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點。

2 分布式光纖檢測原理

2.1 BOTDA原理

BOTDA是近年來被廣泛應(yīng)用于土木工程中的光纖傳感技術(shù)。該技術(shù)以光纖為傳播介質(zhì)，在光纖兩端發(fā)送脈沖和連續(xù)光波，如果光纖傳感器發(fā)生變形或者其溫度發(fā)生變化，光纖中接收的布里淵頻率會產(chǎn)生相應(yīng)的偏移，通過布里淵頻率偏移量從而得出光纖的應(yīng)變，布里淵頻移量與光纖應(yīng)變成正比關(guān)系。光纖的布里淵頻移由式(1)求出:

式中，vB(ε，T)是布里淵頻移；vB(0，T0)是初始布里淵頻移；為溫度系數(shù)；為應(yīng)變系數(shù)，T0為初始環(huán)境溫度；T為測量環(huán)境的溫度；Δε為應(yīng)變變化值；ΔT為溫度變化值。

2.2 工作原理

應(yīng)用BOTDA對巖溶區(qū)灌注樁進行分布式檢測。具體的做法為:將光纖固定在灌注樁的主筋上，并沿著主筋從樁頂?shù)綐兜撞荚O(shè)光纖傳感器，然后把裝有光纖傳感器的鋼筋籠下放樁孔內(nèi)，再灌注混凝土。

在靜載試驗下，灌注樁受到樁頂?shù)暮奢d而產(chǎn)生變形，由于灌注樁和光纖傳感器協(xié)同變形，此時，光纖傳感器的變形即為灌注樁的變形。

通過光纖解調(diào)儀獲取灌注樁樁身的布里淵頻移vB(ε，T)，通過式(2)求得灌注樁的應(yīng)變值。

式中，εC為灌注樁樁身應(yīng)變值；K為布里淵頻移的影響系數(shù)，一般在試驗室內(nèi)進行光纖標定測得。

由應(yīng)變值可以求得巖溶區(qū)灌注樁的軸力與側(cè)摩阻力，以此分析灌注樁附近溶洞的存在位置。

3 光纖傳感器安裝

光纖傳感器的安裝，首先沿著鋼筋籠主筋從樁頂?shù)綐兜装惭b光纖傳感器，每隔一定的距離與主筋采用扎帶固定牢固，光纖傳感器安裝到鋼筋籠底部時，再沿著與其對稱的主筋從樁底到樁頂貼著主筋安裝，安裝完成后的光纖傳感器在樁孔內(nèi)呈U型。在樁頭位置處用PVC套管對光纖傳感器進行保護，光纖傳感器在樁頂部預(yù)留3～5 m長，便于后期測試時將光纖傳感器熔接引出接入光纖解調(diào)儀。光纖傳感器安裝如圖1所示。

圖1 光纖傳感器安裝

4 數(shù)據(jù)處理

光纖解調(diào)儀檢測的數(shù)據(jù)是灌注樁在各荷載級數(shù)下的應(yīng)變頻譜，應(yīng)變頻譜含有噪聲和波動，會對結(jié)果造成一定的干擾，難以得出灌注樁荷載傳遞的規(guī)律，故要對應(yīng)變頻譜進行去噪和平滑處理[11－12]，并將處理前后對比，如圖2所示。

圖2 應(yīng)變頻譜處理前后對比

由圖2可知，經(jīng)過處理后的應(yīng)變頻譜曲線的高頻信號得到了降低，應(yīng)變頻譜曲線更加光滑，消除了數(shù)據(jù)存在的波動性，減小了外界因素的影響，數(shù)據(jù)處理效果明顯。

由式(1)可知，光纖的測量值包含了溫度應(yīng)變和真實應(yīng)變，則測量值由兩個部分組成:

式中，εC為總應(yīng)變值；εε為真實應(yīng)變值；εT為溫度應(yīng)變值。

由于靜載的持續(xù)時間比較短暫，且光纖傳感器埋設(shè)在土層中，土層具有良好的保溫性能，故在加載期間灌注樁樁體的溫度基本不變。本文在靜載試驗開始前進行初始數(shù)據(jù)的采集，過程中按照時間加載的荷載量級進行第n次數(shù)據(jù)的采集。因第n次數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)的溫度應(yīng)變值εnT＝ε0T，根據(jù)式(3)可求得樁身的應(yīng)變值ε:

式中，Qi為樁身第i斷面處軸力；i為第i斷面處對稱分布的光纖應(yīng)變平均值；E為樁身的彈性模量；A為樁身橫截面積。

灌注樁樁身側(cè)摩阻力可由式(6)求出:

式中，qsi為樁第i斷面與i＋1斷面間側(cè)摩阻力；u為樁身周長；li為第i斷面與第i＋1斷面之間的樁長，本試驗數(shù)據(jù)采樣間距為0.25 m，即li＝0.25 m；R為樁半徑。

5 工程實例

5.1 工程概況

選取基礎(chǔ)工程編號為4-34鉆孔灌注樁作為試驗樁，樁徑1 200 mm，主筋采用18根φ20鋼筋，樁長12.59 m，鋼筋籠長13.23 m，其中樁頭外露部分鋼筋長1 m，光纖可檢測有效的長度為12.23 m。

根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭露，該地基巖存在溶洞，見洞率為55%，存在溶溝溶槽，發(fā)育明顯，中風(fēng)化巖面埋深10.80～29.40 m，微風(fēng)化巖埋深10.10～35.00 m，該地區(qū)為巖溶強發(fā)育區(qū)，巖溶類型為深覆蓋型巖溶，溶(土)洞頂板基巖厚度普遍較小，平均厚度僅為3.47 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，距試驗樁最近的土層物理參數(shù)指標詳見表1。

表1 土層物理參數(shù)值

5.2 靜載試驗

本次試驗采用全自動樁基靜載測試分析系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 全自動樁基靜載測試分析系統(tǒng)

樁基靜載試驗方法采用快速維持荷載法，即每隔1 h加載1級荷載，本次試驗加載荷載量級分為10級，第1級荷載量為2 000 kN，以后每級按2 000 kN遞增，加載至20 000 kN時終止加載。

5.3 數(shù)據(jù)采集

靜載試驗加載前，用光纖解調(diào)儀采集樁身的初始數(shù)據(jù)；試驗開始后，按照加載的量級采集數(shù)據(jù)，每加1級荷載采集1次數(shù)據(jù)，本次采集數(shù)據(jù)完成后，繼續(xù)進行下一級荷載的加載，以此類推直至完成10級荷載的全部加載和數(shù)據(jù)采集。

通過分布式光纖解調(diào)儀得到布里淵頻率，將每級采集的數(shù)據(jù)與初始數(shù)據(jù)相減，得到每級加載的布里淵頻移量，從而求出樁身的受力變形規(guī)律，通過樁身的受力變形規(guī)律，進而識別出樁身附近溶洞存在的情況。

5.4 結(jié)果分析

根據(jù)式(4)求得灌注樁樁身在各級荷載作用下的應(yīng)變值分布曲線，經(jīng)過除噪和平滑處理后，如圖4所示。由圖可知，隨著樁頂荷載量級的增加，樁身的應(yīng)變值增大；樁身最大應(yīng)變值出現(xiàn)在樁頂位置，最大微應(yīng)變值為460；樁身最小應(yīng)變值出現(xiàn)在樁底位置。本試驗樁采用C35鋼筋混凝土，其極限微應(yīng)變值約為2 000，樁身最大應(yīng)變值小于其極限應(yīng)變值，說明成樁質(zhì)量良好。在樁身約5 m和10 m位置處樁身的應(yīng)變值突然增大，可能此處存在溶洞。

圖4 樁身應(yīng)變分布

根據(jù)式(5)計算得到樁身軸力分布圖，如圖5所示。由圖可知，隨著荷載量級的增加，樁身的軸力增大；樁身最大軸力出現(xiàn)在樁頂位置，最大軸力為20 000 kN，樁頂?shù)淖畲筝S力與加載的最大荷載相等。樁身3～5 m和7～10 m范圍，樁身軸力隨著樁長的增加而增大；根據(jù)樁身入土的土層物理參數(shù)表，樁身2.8～3.8 m層厚范圍內(nèi)為淤泥質(zhì)土，淤泥質(zhì)土強度低，提供給樁的側(cè)摩阻力小，導(dǎo)致樁身的軸力增加，排除3～5 m范圍內(nèi)存在溶洞的可能性；樁身6.8～10.6 m層厚范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土，與其上中砂層相比，粉質(zhì)黏土具有較高的強度，提供給樁的側(cè)摩阻力更大，樁身的軸力應(yīng)該隨樁長的增加而減小，但在樁身7～10 m范圍，樁身軸力隨著樁長的增加而增大，可以初步判斷在該范圍內(nèi)存在溶洞，溶洞存在的空隙使樁身的軸力增大。

圖5 樁身軸力分布

根據(jù)式(6)計算得到樁身側(cè)摩阻力分布圖，如圖6所示。由圖可知，隨著荷載量級的增大，樁身的側(cè)摩阻力增大，樁身最大軸力出現(xiàn)在樁頂區(qū)域。相同荷載量級條件下，樁身的側(cè)摩阻力先增大后減小再反向增大。在樁身5～7 m和8～10 m的位置，樁身側(cè)摩阻力存在突變的情況，由此可以判斷樁身附近存在溶洞，溶洞的空隙存在使樁身周圍土體與樁身分離，從而導(dǎo)致樁身側(cè)摩阻力減小，減小的樁身側(cè)摩阻力由軸力承擔(dān)，導(dǎo)致樁身軸力增大。

圖6 樁身側(cè)摩阻力分布

綜合樁身的應(yīng)變、軸力和側(cè)摩阻力分布圖，可以準確判斷樁身約在深度為6 m和9 m處存在溶洞。

5.5 結(jié)果驗證

為了驗證光纖對樁基檢測的有效性，本工程在樁身灌注時安裝了5個正弦式鋼筋應(yīng)力計，正弦式鋼筋應(yīng)力計的安裝位置為樁頂以下 2、4、6、8、10 m的位置，在第1級加載條件下，將鋼筋應(yīng)力計與光纖所測得的應(yīng)力進行對比，如圖7所示。

圖7 鋼筋應(yīng)力計與光纖檢測應(yīng)力對比

由圖7可知，鋼筋應(yīng)力計檢測的應(yīng)力分布在光纖的應(yīng)力曲線附近，兩種測試方法變化趨勢基本一致，相對誤差均不超過10%，說明分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖溶區(qū)灌注樁檢測是可行的。

6 結(jié)論

(1)將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖溶區(qū)灌注樁完整性檢測，與傳統(tǒng)檢測手段相比，該技術(shù)具有分布式測量、耐久性好、防水、施工方便等優(yōu)點。

(2)本試驗樁中，分布式光纖傳感技術(shù)測得的樁身最大應(yīng)變小于混凝土的極限應(yīng)變值，樁頂軸力與荷載量級大小基本一致，說明樁身具有良好的完整性，分布式光纖測量的結(jié)果與實際吻合。

(3)在靜載試驗條件下，分布式光纖傳感技術(shù)可實現(xiàn)灌注樁應(yīng)變、軸力和側(cè)摩阻力的測試，并得出其隨地層深度變化的規(guī)律，通過軸力和側(cè)摩阻力的分布規(guī)律可以判斷樁身周圍溶洞的存在位置區(qū)間。

(4)將鋼筋應(yīng)力計測試結(jié)果與分布式光纖測試結(jié)果進行對比，兩者誤差相對較小，說明分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于巖溶區(qū)灌注樁檢測是行之有效的方法，具有重要的推廣價值。