光纖傳感技術在樁基內力監測中的應用研究★

沈國根

(揚州市市政建設處，江蘇 揚州 225002)

混凝土樁基結構是重要地下結構設施，也是典型的隱蔽結構，發現質量問題難，事故處理更難。因此，通過檢測/監測等技術手段，了解樁基的內部狀況，判斷其安全情況尤為重要[1]。目前，樁基結構檢測/監測方法主要有低應變法[2]、高應變法[3]、聲波透射法[4]等，這些方法可以對樁的完整性等一些顯著缺陷實時準確檢測，但在定量計算樁基內力狀況方面存在不足。在樁基內部埋設應變/應力傳感器，如鋼弦應變計[5]、光纖傳感器[6]等，可以準確獲得樁基的內力信息，從而定量評估樁基結構安全。

光纖光柵傳感器具有精度高(達到1 με)、可分布式監測、設備成本低等優點[7]，在工程結構的應變/應力監測中應用較為廣泛。本文采用光纖光柵技術，并對光纖光柵傳感進行復合材料封裝，將其應用于某樁基工程現場靜載試驗應用研究中，準確測量了樁基內力分布情況。

1 光纖傳感技術原理

光纖光柵傳感技術是光纖傳感技術中應用較廣泛的一種，其基本原理是：在光纖通過激光刻制一定周期長度的光柵，當入射光通過光柵時，與光柵周期長度匹配的光(即某特定波長的光)會在光柵處形成反射，并以反射光的形式被光柵解析設備捕捉并解析波長；應變和溫度變化會引起光柵周期長度的變化，并且之間存在良好的線性關系，如式(1)所示，通過計算反射光波長的變化(Δλb)就能實現應變和溫度變化測量。

Δλb=Kε×(ε-ε0)+KT×(T-T0)

(1)

其中，ε，T分別為應變和溫度；ε0，T0分別為初始應變和初始溫度；Kε，KT分別為應變和溫度傳感系數?？紤]到光柵對應變和溫度交叉敏感，因此，在實際應變/應力測量中一般需要實時溫度補償。

通過波分復用技術，一根光纖通路上可以串聯若干個光柵，從而形成分布式測量。但是，光纖易脆斷，在工程中直接使用存活率較低，一般需要進行特殊的封裝。纖維復合材料強度高(一般超過1 000 MPa)、耐久性好、可加工性強，本文采用纖維復合材料封裝光纖光柵傳感器，大幅提升光纖傳感技術在工程結構中的可應用性(見圖1)。

2 樁基內力監測的理論和方法

光纖傳感器可直接測量樁基斷面的應變，然后根據力學的基本知識，可建立樁基某斷面軸力Pi的計算公式。為此，本文中假定：1)樁基斷面上傳感器、鋼筋和混凝土變形一致，即傳感器測量的應變與鋼筋、混凝土的應變相同；2)考慮到實際樁基內力遠小于極限內力，故認為鋼筋、混凝土處于彈性階段。計算公式如下。

Pi=EcεiAc+EsεiAs

(2)

其中，εi為樁基斷面i的監測應變；Ec，Es分別為混凝土和鋼筋的彈性模量；Ac，As分別為混凝土和鋼筋的面積。

如果發現測量應變超過了混凝土或鋼筋的彈性應變限值，可進一步根據鋼筋混凝土結構力學建立相應樁基斷面軸力計算公式。

3 某樁基工程應用研究

3.1 試驗工程概況

試驗工程位于長江漫灘地貌土質中，地上11層，地下3層，設計荷載標準值約12 kN/m2每層，地基基礎設計甲級。采用鉆孔灌注樁，樁長60.5 m，樁徑1 200 mm，混凝土等級為C35，入巖4 m，設計為摩擦端承樁。

試驗為典型的靜力壓樁試驗，采用堆載加載的方式，每級荷載為1 300 kN，總荷載量為13 000 kN。考慮到樁基軸力變化主要體現在樁頂附近區域，因此，光纖傳感器的位置如圖2所示，從樁頂向下0.5 m處布設第一個測點，然后每隔1 m布設一個測點，共計7個測點。

3.2 試驗結果

試驗樁在不同荷載工況下的樁身應變分布如圖3所示，從結果可以看出：在同一荷載工況下，樁身應變隨著深度增加呈逐漸減小趨勢；在1 m～3 m范圍內應變出現了跳躍，推測此處樁基出現了縮頸或該范圍土層出現了負摩阻力。

將應變代入式(2)中，計算各斷面的樁身軸力，結果如圖4所示。結果表明：在樁頂處(即最上層測點)，軸力與施加的荷載數值接近，驗證了計算方法的準確性；樁身軸力隨深度向下逐漸遞減，說明荷載從樁頂向下傳遞逐漸減弱，主要是因為樁周側摩阻力的影響；在某些位置出現了回增和跳躍現象，原因與地質條件和樁質量有關。

4 結語

樁基內力是表征樁基結構安全的重要指標，本文采用光纖傳感技術，對某樁基靜載試驗中樁基內力實時了監測應用研究，研究結果表明：

1)封裝的光纖傳感器可以適應混凝土結構工程的施工、加載等工況，具有一定的可施工性；

2)光纖傳感技術可以準確監測樁身應變分布、計算樁身軸力。

考慮光纖傳感技術分布式傳感及其長期測量效果好的特點，可大幅減少現場引線及其保護工作，提高監測效率，因此，本方法具有廣闊的應用前景。