分布式傳感光纖技術(shù)在樁基工程中的應(yīng)用

何 進(jìn)，郭震山

（1.山西路恒交通勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，山西 太原 030006；2.山西省交通科學(xué)研究院 巖土與地下工程山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展，一大批橋梁工程、基坑工程和邊坡工程應(yīng)運(yùn)而生。在這些工程的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，常在工程重要部位及節(jié)點(diǎn)位置布設(shè)相關(guān)監(jiān)測(cè)器件來(lái)監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變形，以評(píng)估工程當(dāng)前所處的安全穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)測(cè)未來(lái)變形發(fā)展趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)工程潛在的安全隱患，并進(jìn)行及時(shí)處治，進(jìn)而確保工程在建設(shè)期及運(yùn)營(yíng)期的正常安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段多為單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的形式，如鋼筋應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變計(jì)、土壓力盒等，其監(jiān)測(cè)示意圖如圖1a所示。這種監(jiān)測(cè)手段比較成熟，監(jiān)測(cè)精度較高，因而被廣泛采用。然而這種監(jiān)測(cè)手段也存在一定的弊端，如只能獲取某些關(guān)鍵點(diǎn)的位移信息，對(duì)整體變形發(fā)展趨勢(shì)多采取經(jīng)驗(yàn)推斷，人為因素較大，有時(shí)單通過(guò)幾個(gè)點(diǎn)的位移不能很好地反映整體變形發(fā)展情況；同時(shí)傳統(tǒng)點(diǎn)測(cè)傳感器費(fèi)用較高、成活率低、線路復(fù)雜等缺點(diǎn)，制約了其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。隨著光纖傳感技術(shù)的逐漸成熟[1-3]，基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)手段應(yīng)運(yùn)而生，如圖1b所示。分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)具有可連續(xù)監(jiān)測(cè)、線路簡(jiǎn)單、傳輸距離長(zhǎng)、精度高以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)中[4-5]。

圖1 兩種監(jiān)測(cè)方式示意圖

分布式傳感光纖可以應(yīng)用于樁基監(jiān)測(cè)工程中[6-7]，如圖2所示，將傳感光纖對(duì)稱布設(shè)在樁基主筋上，通過(guò)監(jiān)測(cè)光纖自身變形便可推算出樁基的受力變形情況。本文基于分布式傳感光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以山西省內(nèi)某在建橋梁樁基工程為依托，通過(guò)在樁基上布設(shè)分布式傳感光纖，監(jiān)測(cè)橋梁樁基在施工過(guò)程中的變形和受力變化情況，同時(shí)將其測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)點(diǎn)測(cè)式測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證分布式傳感光纖測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 光纖在樁基監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)樁基試驗(yàn)位置如圖3所示，依托工程現(xiàn)場(chǎng)地層主要為黃土，褐黃色，稍密，稍濕，具有Ⅲ級(jí)自重濕陷性，并夾薄層粉質(zhì)黏土。樁基持力層主要為中風(fēng)化灰?guī)r，褐灰色，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，巖芯呈短柱狀。該處橋梁樁基采用人工鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)30 m，樁徑1.2 m。鋼筋籠采用4段拼接而成，每段長(zhǎng)度8 m，分段下放。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地

現(xiàn)場(chǎng)光纖布設(shè)主要步驟為：a）將光纖對(duì)稱布設(shè)于第一段待下放鋼筋籠主筋上，在樁底邊角位置套上PVC管做成圓角，并在兩端預(yù)留足夠的長(zhǎng)度；b）在鋼筋籠緩慢下放過(guò)程中，依次將光纖綁扎在主筋上，光纖應(yīng)保持平直，避免折角，直至完成整個(gè)鋼筋籠長(zhǎng)度的綁扎；c）待破除承臺(tái)樁頭后，將光纖接頭引出，進(jìn)行光纖熔接；d）建立光纖測(cè)量站，以便后期監(jiān)測(cè)讀數(shù)工作的開展。

監(jiān)測(cè)頻率采用每半月一次，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)度適當(dāng)加密監(jiān)測(cè)頻率。本文選取具有代表性的3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中2016年8月3日樁基灌注完成；2016年10月7日橋墩施做完成；2017年1月14日橋面鋪裝完成，通過(guò)提取此3次監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析樁身受力變形特性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 光纖應(yīng)變

圖4為3次不同測(cè)量時(shí)間下的光纖應(yīng)變曲線，從圖中可看出樁身應(yīng)變大致為關(guān)于樁底的兩側(cè)不對(duì)稱曲線，均表現(xiàn)為壓應(yīng)變（應(yīng)變值為負(fù)值）。這是由于邊坡上的樁基一般同時(shí)承受豎向和橫向的雙向組合荷載作用，在豎向荷載作用下，樁基均勻下沉，此時(shí)樁身兩側(cè)應(yīng)變均為壓應(yīng)變；在橫向荷載作用下，樁基一側(cè)受壓，一側(cè)受拉，因而在組合荷載作用下，對(duì)稱布設(shè)于鋼筋籠主筋上的光纖應(yīng)變?yōu)殛P(guān)于樁底的兩側(cè)不對(duì)稱。此外，從圖中還可看出，部分區(qū)段的應(yīng)變曲線存在一定程度的不均勻波動(dòng)，這主要是由于樁身材料的不均勻性造成的，可認(rèn)為樁身存在一定的施工缺陷。

圖4 光纖應(yīng)變曲線

2.2 樁身軸力

圖5為不同測(cè)量時(shí)間下的樁身軸力變化曲線，從圖中可以看出，樁頂處軸力最大，3次監(jiān)測(cè)的樁頂軸力依次為170.3 kPa、394.1 kPa和566.9 kPa，自樁頂向下樁身軸力逐漸減小。不同監(jiān)測(cè)時(shí)間下，樁身受力段長(zhǎng)度不同，隨監(jiān)測(cè)時(shí)間的推移，樁身受力段逐漸增長(zhǎng)，3次監(jiān)測(cè)時(shí)間下，樁身軸力減小到零的位置分別在樁頂以下22.9 m、25.8 m和30 m，說(shuō)明第三次監(jiān)測(cè)時(shí)，樁體已完全發(fā)揮作用。

圖5 樁身軸力變化曲線

2.3 樁側(cè)摩阻力

圖6為樁側(cè)摩阻力變化曲線，從圖中可看出，樁身側(cè)摩阻力則沿樁身自上而下先增大后減小。3次監(jiān)測(cè)時(shí)間下的樁身最大側(cè)摩阻力分別為14.2 kPa、24.6 kPa和33.9 kPa。當(dāng)上覆荷載較小時(shí)，樁身上部側(cè)摩阻力先發(fā)揮作用，隨著荷載增加，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng)，直到樁底。

圖6 樁側(cè)摩阻力曲線

2.4 結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證分布式傳感光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在樁頂下0 m、2 m、4 m、6 m和8 m位置處同時(shí)布設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，用以監(jiān)測(cè)樁身軸力變化。兩種監(jiān)測(cè)手段監(jiān)測(cè)結(jié)果列于表1，從表中可以看出，兩種監(jiān)測(cè)手段的監(jiān)測(cè)結(jié)果比較相近，具有較好的一致性，說(shuō)明分布式傳感光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表1 兩種監(jiān)測(cè)手段結(jié)果對(duì)比 kN

3 結(jié)論

本文通過(guò)采用分布式傳感光纖技術(shù)，對(duì)某邊坡橋梁樁基在施工過(guò)程中的受力變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將其監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行比較，研究表明分布式傳感光纖與傳統(tǒng)方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較好的一致性，說(shuō)明將分布式傳感光纖應(yīng)用于樁基監(jiān)測(cè)中是可行的，并可作為新興監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行推廣。