光纖傳感技術(shù)在樁身內(nèi)力測(cè)試中的應(yīng)用

張明峻

摘要：介紹了布里淵光時(shí)域反射計(jì)的傳感原理，結(jié)合實(shí)例對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，并與振弦式鋼筋計(jì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，使用分布式光纖傳感技術(shù)，可獲得樁身軸力、側(cè)摩阻力及樁端阻力的分布特征，相對(duì)于振弦式鋼筋計(jì)，具有分布式、長(zhǎng)距離、耐久性好、成活率高、抗干擾強(qiáng)和與被測(cè)物協(xié)調(diào)性能好等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種新型的分布式樁基檢測(cè)技術(shù)加以推廣。

關(guān)鍵詞：樁身內(nèi)力；分布式光纖傳感技術(shù)

1 緒論

試樁工程中，為分析確定樁側(cè)地層側(cè)摩阻力及樁端阻力，需進(jìn)行樁身內(nèi)力測(cè)試。目前在樁身內(nèi)里測(cè)試中常用應(yīng)變式、振弦式傳感器，但由于成樁工藝對(duì)傳感器的限制，基本無(wú)法做到高密度布設(shè)，成活率也難以保證。分布式光纖以光纖為傳感和傳輸介質(zhì)，無(wú)需其他傳感器，易于植入鋼筋或混凝土外表，與鋼筋或混凝土協(xié)調(diào)變形性能好，已在成型構(gòu)件監(jiān)測(cè)中得到應(yīng)用。

2 測(cè)試原理

當(dāng)光纖沿線存在溫度變化或者發(fā)生軸向應(yīng)變時(shí)，光纖中的背向布里淵散射光的頻率會(huì)產(chǎn)生漂移，其漂移量與光纖溫度或應(yīng)變的變化呈線性關(guān)系。若要得到光纖分布范圍內(nèi)溫度或應(yīng)變的變化，僅需測(cè)量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量（νB）即可。

3 靜載試驗(yàn)中樁身變形及受力分析

靜載試驗(yàn)中對(duì)每一級(jí)荷載都進(jìn)行測(cè)試，初始應(yīng)變?cè)跊]有加壓前進(jìn)行測(cè)試，每級(jí)荷載穩(wěn)定后采集數(shù)據(jù)，采集結(jié)束后方可加（卸）下一級(jí)荷載。由于光纖是埋入樁身混凝土內(nèi)的，在豎向壓力下，光纖將與混凝土協(xié)調(diào)變形，儀器測(cè)試得到的是光纖的軸向應(yīng)變即為樁身混凝土的軸向應(yīng)變?chǔ)牛╖）。樁身軸力Q（Z）可按下式計(jì)算：

Q（Z）=ε（Z）·Ec·A

其中，Ec為樁身混凝土的彈性模量，A為樁身截面面積。

樁側(cè)摩阻力qs（Z）可按下式計(jì)算

qs（Z）=-A·EcUΔεΔZ

式中：Δε為某土層內(nèi)選定的樁身兩截面間軸向應(yīng)變變化量。

4 實(shí)例分析

以某電廠試樁工程為例，試樁采用單節(jié)15mPHC管樁，樁徑500mm，砼強(qiáng)度等級(jí)為C80。基樁貫穿的地層依次為：（1）層填土、（2）層粉砂、（31）層粉質(zhì)粘土、（32）層粘土、（33）層粉質(zhì)粘土、（4）層細(xì)砂。試驗(yàn)采用堆載法進(jìn)行，加載級(jí)差為250kN。

4.1 光纖埋設(shè)

本次光纖的鋪設(shè)以樁身混凝土為載體。試樁樁材進(jìn)場(chǎng)后，在樁身側(cè)面畫線開槽，槽規(guī)格以滿足光纖可完整埋入為準(zhǔn)。將光纖順直埋入槽內(nèi)，定點(diǎn)固定，然后用高強(qiáng)膠劑封槽。

4.2 各土層側(cè)摩阻力

樁身側(cè)摩阻力按土層進(jìn)行計(jì)算，在同一土層的樁身上取各點(diǎn)間小段，利用上文軸力計(jì)算方法該小段內(nèi)側(cè)摩阻力，然后根據(jù)各土層側(cè)摩阻力區(qū)土層內(nèi)各小段側(cè)摩阻力平均值。從圖1可以看出，隨著荷載的增大，樁側(cè)摩阻力隨著增大，其中（32）層粘土和（4）層細(xì)砂側(cè)摩阻力最大。

4.3 樁端阻力計(jì)算

根據(jù)實(shí)測(cè)樁底的應(yīng)變值計(jì)算出樁的端阻力。由圖2可以看出，在小荷載階段，樁端阻力尚未得到發(fā)揮，此時(shí)施加的荷載全部由樁側(cè)阻力承擔(dān)。當(dāng)荷載增加至1000kN時(shí)，樁端阻力開始發(fā)揮并隨著荷載增加而增大。

5 與振弦式應(yīng)變鋼筋計(jì)檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比

受工藝的限制，振弦式鋼筋計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)在各個(gè)深度截面密集布置，如果在兩個(gè)截面的鋼筋計(jì)之間出現(xiàn)地層突變，樁身軸力圖上將無(wú)法體現(xiàn)出來(lái)，從而導(dǎo)致樁側(cè)阻力的不準(zhǔn)確。光纖傳感器的采樣密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于振弦式鋼筋計(jì)的采樣密度，對(duì)地層突變的敏感性也遠(yuǎn)優(yōu)于振弦式鋼筋計(jì)，可以更加準(zhǔn)確的反應(yīng)樁側(cè)阻力的變化趨勢(shì)。再者，優(yōu)于灌注樁澆筑或預(yù)制樁成型過(guò)程中均存在一定的不確定性因素，如導(dǎo)管剮蹭，焊接強(qiáng)度不夠，鋼筋預(yù)拉等，加之鋼筋計(jì)導(dǎo)線較多，振弦式鋼筋計(jì)在預(yù)埋之后成活率不理想的情況時(shí)有發(fā)生，相對(duì)來(lái)講，光纖傳感器成活率要理想的多。

6 結(jié)語(yǔ)

分布式光纖傳感技術(shù)能夠成功地應(yīng)用于基樁的內(nèi)力檢測(cè)，可測(cè)出樁身的應(yīng)變分布，并可進(jìn)一步計(jì)算出樁身內(nèi)力、樁周摩阻力及樁端阻力。相對(duì)于振弦式鋼筋計(jì)具有長(zhǎng)距離、分布式、成活率高、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種新型的樁基內(nèi)力測(cè)試檢測(cè)技術(shù)加以推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁勇，施斌，崔何亮.光纖傳感網(wǎng)絡(luò)在邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005.

[2]魏廣慶，施斌，賈建勛，等.分布式光纖傳感技術(shù)在預(yù)制樁基樁內(nèi)力測(cè)試中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2009.

[3]樸春德，施斌，魏廣慶，等.分布式光纖傳感技術(shù)在鉆孔灌注樁檢測(cè)中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008.