分布式光纖感測技術在成都地區旋挖成孔灌注樁樁身內力測試中的應用

李 睿， 高 原， 周 煦， 顧 嫚， 潘勁昌， 李 旭

(成都市建工科學研究設計院，四川成都 610051)

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分布式光纖感測技術在成都地區旋挖成孔灌注樁樁身內力測試中的應用

李 睿， 高 原， 周 煦， 顧 嫚， 潘勁昌， 李 旭

(成都市建工科學研究設計院，四川成都 610051)

采用布里淵散射光頻域分析的分布式光纖感測技術(BOFDA)在單樁豎向靜載荷試驗的同時對旋挖成孔灌注樁進行樁身內力測試，通過測試得到樁身軸力分布、樁側摩阻力分布及樁端阻力的大小及分布規律，為優化基樁設計和指導基樁施工提供技術依據和建議。文章的研究成果表明，成都地區軟巖中旋挖成孔灌注樁按嵌巖樁設計嚴重低估了側摩阻力的作用，有很大的優化空間。

旋挖成孔灌注樁； 端承樁； 樁身內力測試； 分布式光纖感測技術(BOFDA)

成都地區旋挖成孔灌注樁大量應用于各類工程中，施工技術較為成熟，但其設計是否合理，地勘參數取值是否恰當，特別是以軟質巖作為樁端持力層的旋挖成孔灌注樁按嵌巖樁端承樁進行設計，是否嚴重低估了樁側摩阻力的發揮，都值得研究。本文通過單樁豎向靜載荷試驗時的樁身內力測試，了解樁身軸力發揮機理、樁側摩阻力及樁端阻力的分布規律，分析基樁承載力發揮機理，指導設計單位對基樁進行優化設計，具有十分重要的意義。目前對樁身內力測試的常規做法為采用振弦式鋼筋應力計進行測試，該方法基于應變模式下的點式傳感元件,其測試結果受局部樁身性質及傳感元件布設密度和位置所控制，同時受安裝焊接質量、埋設過程中不易保護等因素影響，測試結果誤差較大。

基于布里淵光頻域分析的分布式感測技術(BOFDA)具有分布式測量、測試距離長、不易損壞且操作簡便等優點,克服了點式測試技術的不足，具有十分明顯的優勢，但由于測試設備較為昂貴，在基樁的應用中偏少。

本文以成都地區某安置房項目旋挖成孔灌注樁分布式光纖感測技術的成功應用為例，介紹基于BOFDA的樁身分布式檢測的方法，分析樁身荷載傳遞規律，具有重要的工程實踐意義。

1 BOFDA光纖感測技術測試樁身內力原理

1.1 BOFDA感測原理

基于布里淵散射光頻域分布式光纖感測技術(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，簡寫BOFDA)是通過測試復雜的基帶傳輸函數來推算布里淵散射光頻移，該基帶函數和沿光纖相向傳輸的泵浦光和斯托克斯光的振幅有關。布里淵散射光頻移同時受應變和溫度的影響，當光纖沿線的溫度發生變化或者存在軸向應變時，光纖中的背向布里淵散射光頻率將發生漂移，頻率的漂移量與光纖應變和溫度的變化呈良好的線性關系，因此通過測量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量就可以得到光纖沿線全程的溫度和應變分布信息。

由光纖的一端向光纖中注入脈沖光，并在同一端用BOTDR接收布里淵背向散射光。因此由某一點返回的布里淵散射光到BOTDR發射端的距離可由下式計算得到：

(1)

式中：c為真空中的光速；n為光纖的折射率；T為發出的脈沖光與接收到的散射光的時間間隔。

圖1是布里淵頻移與光纖應變之間的線性關系，線性關系的斜率取決于探測光的波長和所采用的光纖的類型，試驗前需要對其進行標定。

圖1 光纖應變計算原理

光纖的應變量與布里淵頻移可用下式表示：

(2)

根據上述原理，只要被測基樁中埋設的光纖在荷載作用下和樁身混凝土同步應變，即可實現樁身軸力分布式應變監測。

1.2 樁身應力計算原理

測試得到的是光纖的軸向壓應變ε(Z)，由于光纖固定在樁身混凝土內，在靜載壓力下光纖軸向應變與樁身混凝土軸向應變一致，因此樁身混凝土的壓應變也為應變ε(Z)。

樁身壓應力σ(Z)為：

σ(Z)=ε(Z)·Ec

(3)

式中：Ec為樁身混凝土的彈性模量。

樁身軸力Q(Z)為：

Q(Z)=σ(Z)·A

(4)

式中：A為樁身截面面積。

樁的荷載傳遞基本微分方程為：

(5)

式中：qs(Z)為樁側分布摩阻力；Q(Z)為樁身軸向力；U為樁身周長。

式(5)可以簡化為：

(6)

式中：ΔQ(Z)為某土層內樁身兩截面間軸力變化量；ΔZ為該土層內樁身兩截面間深度差。

將式(3)、式(4)代入式(6)中有：

(7)

式中：Δε為某土層內樁身兩截面間軸向應變變化量。

根據儀器測試光纖應變分布結果和式(3)、式(4)、式(7)就可得所有測試結果。

計算時兩個重要參數要確定：樁身截面面積A和樁身混凝土的彈性模量E。本次測試數據分析樁身截面面積為確定值，彈性模量E確定可以根據混凝土的標號及配筋率查詢相關規范。

2 工程案例

2.1 工程概況

成都市天府新區某安置房項目柱下獨立基礎下布旋挖成孔灌注樁，樁端持力層為中風化粉砂質泥巖，設計要求天然單軸抗壓強度值frk≥4.34 MPa，受檢試樁1和試樁2樁徑均為1.0 m，嵌巖深度為4.0 m，單樁設計承載力特征值為2 500 kN。場地內地層自上而下分布為粉質黏土、強風化粉砂質泥巖、中風化粉砂質泥巖。地基土物理力學性質指標見表1。

表1 地基土物理力學性質指標

2.2 旋挖成孔灌注樁BOFDA應力檢測原理

本次測試的基樁中呈十字對稱方式，布設了5.0 mm的GFRP加筋應變傳感光纖和金屬基索狀光纜。光纖的鋪設以鋼筋為載體，光纖被預先捆綁在鋼筋籠的主筋上。為防止在澆灌混凝土過程中混凝土對光纖的直接沖撞，光纖的布設要沿著鋼筋的側邊進行鋪設，鋪設過程中采用定點捆扎方式讓光纖保持挺直。為能系統了解樁身應變情況，以及保證光纖的成活率和數據的可靠性，采用U型方案鋪設，具體鋪設方式如圖2所示。

BOFDA對基樁的應變監測是與樁的靜載荷試驗同步進行的。在檢測之前先對樁身進行初值測試，之后每加一級荷載穩定后檢測傳感光纖應變值，直至最大荷載。本次內力監測未測試卸載應變值。

圖2 光纖鋪設方式

2.3 檢測結果分析

本次試驗采用單樁豎向抗壓靜載試驗，試驗依據JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術規范》，最大加載量為設計要求的單樁承載力特征值2.0倍，每級荷載沉降穩定后進行光纖應變測試。靜載試驗結果詳細Q～S曲線見圖3。

圖3 試樁Q-S曲線

某級荷載作用下，應變總體趨勢從樁頂到樁底逐漸減小，各條測線應變曲線在部分深度位置發生跳躍起伏。當樁頂荷載達到最大試驗荷載時，4條測線樁頂應變均達到最大，但4條測線樁頂應變大小不一，這主要是由靜載實驗時荷載偏心所致(圖4、圖5)。

表2為試樁1和試樁2試驗樁在各荷載級別下樁身側摩阻力計算表，并根據其表值繪制出試驗樁各級荷載下各土層側摩阻力的發揮值圖(圖6、圖7)。

由圖8和圖9可知，試樁1和試樁2在某級荷載作用下，樁身軸力隨樁體埋深增加而不斷減小。

試樁1和試樁2樁體下部強風化粉質泥巖和中風化粉質泥巖兩層巖體在整個試驗過程中，其側摩阻力起主要的荷載反力作用，為主要持力層。粉質黏土在整個實驗過程中，其側摩阻力完全發揮，分別于4 500 kN荷載和4 000 kN荷載時，開始發揮到最大，最大側摩阻力均約為90 kPa，較該項目巖土工程勘察報告所提建議值75 kPa有所提高，繼續增大荷載，其摩阻力增長較小。繼續增大荷載，強風化粉質泥巖和中風化粉質泥巖，隨著荷載增大其側摩阻力增長較快，側摩阻力尚未發揮完全，若繼續增大實驗荷載，二者側摩阻力將繼續增大。

表2 試驗樁各土層側摩阻力計算 kPa

圖5 試樁2各級荷載下應變分布曲線

圖6 試樁1試驗樁樁身內力分布

圖7 試樁2試驗樁樁身內力分布

圖8 試樁1各土層摩阻力發揮

圖9 試樁2各土層摩阻力發揮

試樁1和試樁2測試得到的樁端阻力大小和變化趨勢見表2和圖10。在前兩級荷載(1 000 kN、1 500 kN)作用下，樁端受力較小和未受力，受樁頂荷載影響很小，樁體受荷反力基本由樁身側摩阻力提供。當荷載達到5 000 kN，試樁1樁端荷載為934.09 kN，樁端荷載為樁頂荷載的18.68 %；試樁2樁端荷載為1 183.06 kN，樁端荷載為樁頂荷載的23.66 %。此時試樁1端阻力為1 189.92 kPa，試樁2端阻力為1 507.08 kPa，兩樁端荷載阻力未達到樁端巖體的破壞極限值，若繼續增大試驗荷載，樁端阻力將繼續增大。本次試驗試樁1和試樁2端阻力較小，均為端承摩擦樁。

圖10 試樁靜載荷樁端阻力變化

3 結論

(1)基于BOFDA的分布式光纖感測技術對旋挖成孔灌注樁樁身內力測試方法是可行的，可以檢測基樁的應變分布、變形規律、樁身軸力分布、樁側摩阻力分布、樁端阻力大小，具有分布式、長距離、抗干擾強、壽命長、與被檢測物同步協調性能好等優勢。

(2)本次試驗中兩樁樁側強風化粉質泥巖和中風化粉質泥巖，其側摩阻力提供反力較大，但均尚未發揮完全，若繼續增大實驗荷載，二者側摩阻力將繼續增大；兩試樁上部粉質黏土段側摩阻力均發揮完全，較該項目巖土工程勘察報告所提建議值75 kPa略有提高。

(3)當試驗荷載達到最大5 000 kN時，試樁1端阻力約為934.09 kN，占總荷載的18.68 %；試樁2端荷載為1 183.06 kN，樁端荷載達到總荷載的23.66 %。本次試驗兩樁均以巖土體側摩阻力為主要反力提供，樁端提供反力相對較少，本次試驗試樁1和試樁2為端承摩擦樁，可見成都地區按嵌巖樁設計的旋挖成孔灌注樁的承載力還有較大提升空間。

[1] 魏廣慶， 施斌， 余小奎， 等. BOTDR分布式檢測技術在復雜地層鉆孔灌注樁測試中的應用研究[J]．工程地質學報，2008，16(6).

[2] 樸春德， 施斌， 魏廣慶， 等. 分布式光纖傳感技術在鉆孔灌注樁檢測中的應用[J].巖土工程學報，2008(7).

[3] 張丹，施斌，吳智深，等. BOTDR分布式光纖傳感器及其在結構健康監測中的應用[J]．土木工程學報，2003，36(11)：83-87.

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《四川建筑》編輯部

李睿(1982～)，男，工程師， 從事巖土工程設計、研究和建筑檢測鑒定工作。

TU473.1+6

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[定稿日期]2017-04-20