分布式光纖測(cè)試灌注樁內(nèi)力的光纖植入技術(shù)研究*

張 龍，鄭建國(guó)，劉爭(zhēng)宏，黃曉維，陳小三，陳鐵飛

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043；2.陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

0 引言

目前，樁基內(nèi)力測(cè)試的方法可分為點(diǎn)測(cè)法和線測(cè)法兩類。點(diǎn)測(cè)法在樁身內(nèi)間隔一定深度埋設(shè)傳感器獲得樁身變形，其特點(diǎn)在于測(cè)得的應(yīng)變是間斷、非連續(xù)的。線測(cè)法在樁身內(nèi)連續(xù)埋設(shè)用于測(cè)試應(yīng)變的介質(zhì)，其特點(diǎn)在于測(cè)得的應(yīng)變是連續(xù)、不間斷的。點(diǎn)測(cè)法測(cè)點(diǎn)少，局部傳感器出現(xiàn)問題的影響大，數(shù)據(jù)分析時(shí)也常常受到混凝土不均質(zhì)所帶來的問題困擾。而線測(cè)法內(nèi)力測(cè)試得到連續(xù)變化的應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)多，局部問題不足以影響整體，數(shù)據(jù)處理過程中的應(yīng)變擬合環(huán)節(jié)可部分消除混凝土不均質(zhì)帶來的測(cè)試誤差，提高測(cè)試結(jié)果精度。

分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于灌注樁內(nèi)力測(cè)試是近年來發(fā)展起來的一種線測(cè)方法。該方法中的光纖既為傳輸器又為傳感器，利用光纖中光的散射，理論上可以連續(xù)監(jiān)測(cè)光纖上每一點(diǎn)的變形情況。利用分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn)，將光纖植入灌注樁體并與灌注樁體發(fā)生協(xié)同變形便可實(shí)現(xiàn)對(duì)灌注樁樁身連續(xù)變形的測(cè)定，進(jìn)而達(dá)到對(duì)灌注樁樁基內(nèi)力測(cè)試的目的。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者在灌注樁內(nèi)力測(cè)試中進(jìn)行了應(yīng)用，積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[1-7]。

在實(shí)際工程中，光纖植入樁體是利用分布式光纖測(cè)試樁基內(nèi)力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光纖的植入常常在灌注樁吊裝過程中進(jìn)行，除首節(jié)鋼筋籠光纖植入在地面完成外，其余均在鋼筋籠下放樁孔的過程中進(jìn)行，其間還要與鋼筋籠的焊接、吊放等工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，施工時(shí)間較長(zhǎng)。這種光纖的植入方式與灌注樁施工交叉影響嚴(yán)重，大大增加了樁基從成孔到灌注混凝土的間隔時(shí)間，增加了樁孔縮徑和坍塌的可能性，尤其在軟土地區(qū)，給樁基施工帶來了風(fēng)險(xiǎn)。此外，在澆筑混凝土過程中，混凝土的沖擊及導(dǎo)管的擺動(dòng)對(duì)光纖的完好構(gòu)成威脅，給光纖植入質(zhì)量帶來不確定性，另外，制作試樁樁頭過程中需要先破除樁頂浮漿至堅(jiān)硬面，然后將光纖從樁側(cè)引出并接樁，在破除浮漿的過程中光纖也極易受到破除設(shè)備及其產(chǎn)生的振動(dòng)破壞。針對(duì)以上問題，本文提出了一種灌注樁工后的光纖植入方法，在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用，并驗(yàn)證了其測(cè)試效果。

1 分布式光纖灌注樁內(nèi)力測(cè)試技術(shù)

1.1 分布式光纖測(cè)試原理

目前，基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)被應(yīng)用于樁基內(nèi)力測(cè)試，根據(jù)應(yīng)變傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及解調(diào)過程的不同分為自發(fā)布里淵時(shí)域反射技術(shù)[8](BOTDR)、受激布里淵時(shí)域分析技術(shù)[9](BOTDA)和受激布里淵頻域分析技術(shù)[10-11](BOFDA)，都是利用光纖中的布里淵背向散射光的頻移與溫度和應(yīng)變變化間的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)感測(cè)的。由于樁基位于地下且試樁時(shí)間較短，一般不考慮溫度變化的影響，因此布里淵散射光的頻移漂移與光纖應(yīng)變呈線性關(guān)系：

(1)

式中：νB(ε)為光纖受到ε應(yīng)變時(shí)的布里淵頻移漂移量；νB0為在測(cè)試環(huán)境溫度不變的條件下，光纖自由狀態(tài)時(shí)的布里淵頻移漂移量；dνB/dε為光纖的應(yīng)變系數(shù)；ε為光纖的實(shí)際發(fā)生應(yīng)變量。

由光纖一端向光纖中注入脈沖光時(shí)，入射的脈沖光與光纖中的聲學(xué)聲子發(fā)生相互作用后產(chǎn)生布里淵散射，其中的背向布里淵散射光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，因此某一點(diǎn)返回至光纖解調(diào)儀的距離Z為：

(2)

式中：c為真空中的光速：Δt為發(fā)出脈沖光至接收到散射光的時(shí)間間隔：n為光纖的折射率。

由于獲取布里淵散射光頻移原理的差異，導(dǎo)致其測(cè)試方法有所不同。BOTDR可實(shí)現(xiàn)單端測(cè)量，不需形成閉合回路；BOTDA和BOFDA為雙端測(cè)量，必須形成閉合回路，光纖一般呈U形布設(shè)于樁體。

1.2 分布式光纖植入技術(shù)

目前，光纖植入在灌注樁的施工過程中進(jìn)行，由于鋼筋籠一般分為多節(jié)進(jìn)行吊放拼接，因此光纖的植入過程分多個(gè)階段進(jìn)行，后期的破樁和接樁還要進(jìn)行光纖的側(cè)向引出。光纖一般呈U形回路布設(shè)在樁體中，其所處的施工環(huán)境比較惡劣，為了保證光纖成活率，常采用的光纖類型為帶鋼絞線加筋的金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜，該種光纖有鋼絞線纏繞保護(hù)并且最外側(cè)有較厚皮套保護(hù)，植入主要過程如下。

1)首節(jié)鋼筋籠光纖布設(shè)

根據(jù)總樁長(zhǎng)計(jì)算好光纜長(zhǎng)度后，將傳感光纜以U形回路的方式對(duì)稱布設(shè)在首節(jié)鋼筋籠上。其中，U形轉(zhuǎn)彎位置位于鋼筋籠的近底端并穿PU管進(jìn)行保護(hù)，U形兩翼的光纜進(jìn)行預(yù)拉、順直，對(duì)稱綁扎在鋼筋籠的主筋上。冗余的光纜整理好，綁扎固定在首節(jié)鋼筋籠的頂端，以待下一節(jié)鋼筋籠的光纖布設(shè)。

2)其余鋼筋籠光纖布設(shè)

吊車將首節(jié)鋼筋籠豎向吊起，緩慢放入樁孔至首節(jié)鋼筋籠頂部接近孔口，將孔內(nèi)鋼筋籠懸吊，解下頂部冗余光纖，然后起吊第2節(jié)鋼筋籠至與首節(jié)鋼筋籠搭接處，進(jìn)行搭接處主筋及螺旋筋的焊接施工，然后緩慢下放鋼筋籠，同時(shí)將光纖沿與下部鋼筋籠的同一根主筋向上布設(shè)并扎緊，按照此種方法完成后續(xù)鋼筋籠中光纖的布設(shè)。

3)樁頭光纖保護(hù)

在光纖布設(shè)至樁頂部時(shí)，將樁頂上下一定范圍的光纖套設(shè)保護(hù)管(鋼管或塑料管)，并將多余的光纖放入保護(hù)管，并在保護(hù)管兩端進(jìn)行封堵，防止混凝土漿液進(jìn)入。隨后便可進(jìn)行灌注樁混凝土的澆筑。

4)光纖樁頭引出

在混凝土強(qiáng)度達(dá)到一定值后進(jìn)行樁頭浮漿的破除及試樁樁頭的施工，當(dāng)破樁至樁頂以下的堅(jiān)硬面后，將光纖從保護(hù)管中取出并從樁側(cè)引出，然后澆筑試樁樁頭。

以上光纖植入過程在鋼筋籠節(jié)數(shù)較少(1～2節(jié))的短樁中應(yīng)用效果較好，但在較長(zhǎng)灌注樁中應(yīng)用則過于繁瑣。植入過程中除首節(jié)鋼筋籠光纖植入在地面完成外，其余均在鋼筋籠下放樁孔的過程中進(jìn)行，其間還要與鋼筋籠的焊接、吊放等工作進(jìn)行協(xié)調(diào)，施工時(shí)間較長(zhǎng)，與灌注樁施工交叉影響嚴(yán)重。據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)施工統(tǒng)計(jì)，完成1根樁長(zhǎng)60m的鋼筋籠吊放需要6～8h，大大增加了樁基從成孔到灌注混凝土的間隔時(shí)間，增加了樁孔縮徑和坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。此外，在澆筑混凝土過程中，混凝土的沖擊及導(dǎo)管的擺動(dòng)對(duì)光纖的完好構(gòu)成威脅，樁底和樁側(cè)后壓漿給光纖的植入質(zhì)量帶來不確定性，另外，制作試樁樁頭過程中需要先破除樁頂浮漿至堅(jiān)硬面，然后將光纖從樁側(cè)引出并接樁，在破除浮漿的過程中光纖也極易受到破除設(shè)備及其產(chǎn)生的振動(dòng)破壞。

2 灌注樁光纖植入新方法

目前，為了在施工完成后檢測(cè)樁基的完整性，很多大直徑灌注樁中常常設(shè)置有聲測(cè)管，聲測(cè)管沿樁身通長(zhǎng)布設(shè)，在檢測(cè)完樁基完整性后即注漿回填，可見，聲測(cè)管是進(jìn)行灌注樁光纖植入的完美通道，在樁基完整性檢測(cè)完成后進(jìn)行光纖的植入不僅避免了與樁基施工的交叉影響，而且避免了澆筑混凝土和破樁過程可能對(duì)光纖造成的損壞。

為了實(shí)現(xiàn)在聲測(cè)管中植入光纖，設(shè)計(jì)了如圖1a所示的光纖植入器，包括探頭、光纖回轉(zhuǎn)段、光纖導(dǎo)向槽、吊環(huán)、鋼絲繩等。植入器長(zhǎng)度30cm，直徑4cm，通過將光纖U形段固定于光纖植入器的光纖回轉(zhuǎn)段，然后利用尾部鋼絲繩的提拉及光纖植入器的質(zhì)量將光纖布設(shè)于剛注滿漿的聲測(cè)管內(nèi)，沿聲測(cè)管通長(zhǎng)布滿光纖。光纖植入在樁基完整性檢測(cè)后進(jìn)行，具體植入過程如下。

圖1 光纖植入裝置示意

1)施工準(zhǔn)備

按照樁長(zhǎng)截取適宜長(zhǎng)度的鋼絲繩并將鋼絲繩纏繞在卷線器上，鋼絲繩出頭端用鋼絲繩卡固定于光纖植入器的吊環(huán)。按照樁長(zhǎng)的2倍截取適宜長(zhǎng)度的光纖，并在光纖中部做上記號(hào)，光纖的兩頭分別纏繞于卷線器，2個(gè)卷線器纏繞的光纖長(zhǎng)度盡量相等。

2)光纖回轉(zhuǎn)段安裝

將做好標(biāo)記的光纖中部呈U形固定于光纖植入器的光纖回轉(zhuǎn)段，兩翼布設(shè)于光纖導(dǎo)向槽并用防水膠帶進(jìn)行纏繞固定，如圖1b所示。將伸出光纖導(dǎo)向槽兩翼的光纖逐漸聚攏在一起并在鋼絲繩卡上方與鋼絲繩一起用防水膠帶固定。

3)聲測(cè)管注漿

將注漿管下伸至聲測(cè)管底部，然后對(duì)聲測(cè)管進(jìn)行注漿，直至聲測(cè)管口有連續(xù)均勻的漿液冒出即停止，然后拔出注漿管，并對(duì)未注滿漿的聲測(cè)管進(jìn)行補(bǔ)注漿。

4)光纖植入聲測(cè)管

將安裝好光纖的光纖植入器放入剛注滿漿液的聲測(cè)管，并通過卷線器逐漸下放鋼絲繩和光纖，每隔2～3m用防水膠帶將鋼絲繩與光纖進(jìn)行纏繞固定，下放光纖的過程中應(yīng)保證鋼絲繩受力，光纖只需保持拉直但不受力，同時(shí)應(yīng)保證吊放口處鋼絲繩和光纖不與聲測(cè)管端口摩擦，下放過程如圖2所示。

圖2 光纖植入過程示意

5)光纖布設(shè)完成

當(dāng)鋼絲繩的上拉力明顯減小并有松弛現(xiàn)象時(shí)表明光纖植入器已下放至聲測(cè)管底部。這時(shí)，將鋼絲繩上拉10～20cm保證光纖植入器處于懸浮狀態(tài)，在孔口處將鋼絲繩截?cái)嗖业酰缘却暅y(cè)管中的漿液凝固。

6)光纖保護(hù)

將剩余的光纖從卷線器上拆下并整理，塞入塑料筒并套在聲測(cè)管上進(jìn)行保護(hù)，待聲測(cè)管中的漿液凝固即完成灌注樁的光纖植入工作。

3 工程應(yīng)用及測(cè)試效果檢驗(yàn)

3.1 工程概況

為了檢驗(yàn)上述方法的植入效果，本次選取了西安市南郊的某超高層試樁工地的1根灌注樁進(jìn)行試驗(yàn)，工程場(chǎng)地地基土自上而下主要由填土、第四紀(jì)全新世沖積黃土狀土、中細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂、晚更新世沖積粉質(zhì)黏土及中更新世沖積粉質(zhì)黏土等組成。試樁樁端位于⑨粉質(zhì)黏土層中。試驗(yàn)場(chǎng)地原始地面標(biāo)高在412.000m左右，樁基所在地層情況如圖3所示。樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C55，采用4根錨樁提供靜載反力，設(shè)計(jì)要求的單樁豎向抗壓承載力極限值為18 600kN，樁頂以上做擴(kuò)大頭，用4個(gè)千斤頂提供樁頂反力。試樁的樁頂標(biāo)高395.300m，測(cè)孔檢測(cè)樁頂以下的有效樁長(zhǎng)65.99m，平均孔徑0.94m。

3.2 測(cè)試效果檢驗(yàn)方法

本次測(cè)試使用的數(shù)據(jù)采集設(shè)備為BOFDA型雙端高精分布式光纖應(yīng)變解調(diào)儀(NZS-DSS-AD01)。該設(shè)備的最高采樣分辨率可達(dá)0.05m，應(yīng)變測(cè)試精度±2με，具有卓越的應(yīng)變解析精度和空間分辨能力。

為了對(duì)新方法的植入效果進(jìn)行檢驗(yàn)，同時(shí)按常規(guī)方法在鋼筋籠上布設(shè)了金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜，以形成對(duì)比。需要指出的是，本次新方法植入的光纜為薄護(hù)套應(yīng)變感測(cè)光纜，直徑僅0.9mm，相比金屬基索狀應(yīng)變感測(cè)光纜應(yīng)變傳遞能力更強(qiáng)。光纖有效檢測(cè)長(zhǎng)度65m。

3.3 測(cè)試結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)荷載最大加至20 600kN，未發(fā)生破壞，樁頂最大沉降量29.43mm。樁頂在各級(jí)荷載作用下沉降曲線如圖4所示。

根據(jù)聲測(cè)管和鋼筋籠植入的樁身應(yīng)變分布情況可知，隨著荷載的增大，樁身應(yīng)變逐漸向下傳遞，各級(jí)荷載下的樁身應(yīng)變分布均呈現(xiàn)隨著深度增大先增大后減小至0的規(guī)律，上部應(yīng)變隨深度增大與樁身混凝土模量不均勻有關(guān)。在最大荷載下，樁身應(yīng)變均未傳遞至樁底，最大傳遞深度為樁頂面以下45m左右。

為了更直觀地進(jìn)行對(duì)比，選取13 020kN和20 600kN樁頂荷載下兩種植入方式的樁身應(yīng)變分布情況如圖5所示。由圖5可知，兩種光纖植入方式測(cè)得樁身應(yīng)變分布規(guī)律基本相同。在樁頂一定范圍聲測(cè)管光纖測(cè)試值大于鋼筋籠光纖，這與鋼筋籠光纖在樁頂部埋設(shè)的保護(hù)管有關(guān)，保護(hù)管段應(yīng)變無法傳遞，因此測(cè)試值突降為0。聲測(cè)管植入法測(cè)得的應(yīng)變突變點(diǎn)較多，個(gè)別點(diǎn)突變值較大，但不影響整體規(guī)律，這與選用的光纖較脆弱有關(guān)，保護(hù)套較薄，彎折碰撞易受損，局部產(chǎn)生損傷較大。

圖5 兩種植入方式樁身應(yīng)變分布情況對(duì)比

總體來看，聲測(cè)管植入光纖的測(cè)試效果較為理想，與鋼筋籠植入光纖樁身應(yīng)變的測(cè)試規(guī)律和數(shù)值都較吻合，聲測(cè)管的局部突變可在數(shù)據(jù)后期處理消除。但該植入技術(shù)在光纖保護(hù)方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)，選用保護(hù)效果更可靠的其他光纖種類可能會(huì)取得更好的測(cè)試效果。

4 結(jié)語

1)利用分布式光纖測(cè)試灌注樁內(nèi)力具有優(yōu)勢(shì)，提出的利用聲測(cè)管進(jìn)行灌注樁內(nèi)力測(cè)試用光纖植入的方法實(shí)現(xiàn)了灌注樁光纖的工后植入，避免了與樁基施工的交叉影響。

2)與已有光纖植入技術(shù)的測(cè)試效果進(jìn)行了對(duì)比，表明利用聲測(cè)管進(jìn)行灌注樁內(nèi)力測(cè)試用光纖植入的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)樁基內(nèi)力的測(cè)試，測(cè)試效果與已有技術(shù)相當(dāng)，能夠滿足樁基內(nèi)力測(cè)試的要求。