分布式光纖傳感技術在巖溶段樁基檢測中的應用研究

姚正斐

(中鐵二十二局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

巖溶在我國分布廣泛且具有明顯的區域特征[1－2]。由于經濟發展需求，巖溶區的工程建設項目越來越多，巖溶地區興建起大量高層建筑、橋梁等結構，而這些大型結構的基礎選擇形式大多是灌注樁基礎。巖溶溶蝕區地質環境復雜，其形成的空洞或者弱填充、孤石和石筍等復雜地質環境是巖溶區工程的薄弱點和工程事故發生的誘因[3]。當樁基附近存在溶洞時，樁基可能會發生不均勻沉降，甚至發生樁基失穩的現象。同時，巖溶水的流動會使樁身侵蝕，降低樁基的使用壽命。因此，樁基礎施工后需要對其進行質量檢測，以確保巖溶區灌注樁在使用階段的穩定性和安全性。

灌注樁常用的檢測手段是在樁身安裝鋼筋應力計、應變片等傳感器，但其存在施工不便、成功率低的缺點。近年來，分布式光纖傳感技術逐漸被應用于樁基檢測中。樸春德等[4]運用光纖傳感技術對灌注樁承載特性研究并進行了可行性驗證；江宏[5]提出一種基于PPP-BOTDA的新型樁基檢測技術；羅勇等[6]基于分布式光纖測試技術分析了大直徑嵌巖樁承載特性；劉波等[7]基于光纖傳感技術研究了螺旋擠土灌注樁的荷載傳遞規律及承載特性；王學敬[8]將光纖傳感技術應用于復雜深基坑智能化監測，保證了基坑施工的安全性；肖衡林等[9]將光纖測溫技術運用于夾泥灌注樁完整性檢測，提出光纖的溫度變化與夾泥灌注樁含泥量有關；宋建學等[10]通過現場樁基靜載試驗證明將分布式光纖技術應用于樁基完整性檢測是行之有效的方法。雖然分布式光纖傳感技術被應用于樁基檢測中，但是關于在巖溶區灌注樁檢測的研究極少。

本文將分布式光纖傳感技術應用于巖溶區灌注樁完整性檢測，研究灌注樁在巖溶區的荷載傳遞規律，并分析樁身溶洞存在的位置情況，以確保樁基礎在使用階段的安全性。通過對巖溶區灌注樁檢測驗證，說明該技術具有現場適應力強、測量精度高、可實現分布式測量等優點。

2 分布式光纖檢測原理

2.1 BOTDA原理

BOTDA是近年來被廣泛應用于土木工程中的光纖傳感技術。該技術以光纖為傳播介質，在光纖兩端發送脈沖和連續光波，如果光纖傳感器發生變形或者其溫度發生變化，光纖中接收的布里淵頻率會產生相應的偏移，通過布里淵頻率偏移量從而得出光纖的應變，布里淵頻移量與光纖應變成正比關系。光纖的布里淵頻移由式(1)求出:

式中，vB(ε，T)是布里淵頻移；vB(0，T0)是初始布里淵頻移；為溫度系數；為應變系數，T0為初始環境溫度；T為測量環境的溫度；Δε為應變變化值；ΔT為溫度變化值。

2.2 工作原理

應用BOTDA對巖溶區灌注樁進行分布式檢測。具體的做法為:將光纖固定在灌注樁的主筋上，并沿著主筋從樁頂到樁底布設光纖傳感器，然后把裝有光纖傳感器的鋼筋籠下放樁孔內，再灌注混凝土。

在靜載試驗下，灌注樁受到樁頂的荷載而產生變形，由于灌注樁和光纖傳感器協同變形，此時，光纖傳感器的變形即為灌注樁的變形。

通過光纖解調儀獲取灌注樁樁身的布里淵頻移vB(ε，T)，通過式(2)求得灌注樁的應變值。

式中，εC為灌注樁樁身應變值；K為布里淵頻移的影響系數，一般在試驗室內進行光纖標定測得。

由應變值可以求得巖溶區灌注樁的軸力與側摩阻力，以此分析灌注樁附近溶洞的存在位置。

3 光纖傳感器安裝

光纖傳感器的安裝，首先沿著鋼筋籠主筋從樁頂到樁底安裝光纖傳感器，每隔一定的距離與主筋采用扎帶固定牢固，光纖傳感器安裝到鋼筋籠底部時，再沿著與其對稱的主筋從樁底到樁頂貼著主筋安裝，安裝完成后的光纖傳感器在樁孔內呈U型。在樁頭位置處用PVC套管對光纖傳感器進行保護，光纖傳感器在樁頂部預留3～5 m長，便于后期測試時將光纖傳感器熔接引出接入光纖解調儀。光纖傳感器安裝如圖1所示。

圖1 光纖傳感器安裝

4 數據處理

光纖解調儀檢測的數據是灌注樁在各荷載級數下的應變頻譜，應變頻譜含有噪聲和波動，會對結果造成一定的干擾，難以得出灌注樁荷載傳遞的規律，故要對應變頻譜進行去噪和平滑處理[11－12]，并將處理前后對比，如圖2所示。

圖2 應變頻譜處理前后對比

由圖2可知，經過處理后的應變頻譜曲線的高頻信號得到了降低，應變頻譜曲線更加光滑，消除了數據存在的波動性，減小了外界因素的影響，數據處理效果明顯。

由式(1)可知，光纖的測量值包含了溫度應變和真實應變，則測量值由兩個部分組成:

式中，εC為總應變值；εε為真實應變值；εT為溫度應變值。

由于靜載的持續時間比較短暫，且光纖傳感器埋設在土層中，土層具有良好的保溫性能，故在加載期間灌注樁樁體的溫度基本不變。本文在靜載試驗開始前進行初始數據的采集，過程中按照時間加載的荷載量級進行第n次數據的采集。因第n次數據與初始數據的溫度應變值εnT＝ε0T，根據式(3)可求得樁身的應變值ε:

式中，Qi為樁身第i斷面處軸力；i為第i斷面處對稱分布的光纖應變平均值；E為樁身的彈性模量；A為樁身橫截面積。

灌注樁樁身側摩阻力可由式(6)求出:

式中，qsi為樁第i斷面與i＋1斷面間側摩阻力；u為樁身周長；li為第i斷面與第i＋1斷面之間的樁長，本試驗數據采樣間距為0.25 m，即li＝0.25 m；R為樁半徑。

5 工程實例

5.1 工程概況

選取基礎工程編號為4-34鉆孔灌注樁作為試驗樁，樁徑1 200 mm，主筋采用18根φ20鋼筋，樁長12.59 m，鋼筋籠長13.23 m，其中樁頭外露部分鋼筋長1 m，光纖可檢測有效的長度為12.23 m。

根據地質鉆孔揭露，該地基巖存在溶洞，見洞率為55%，存在溶溝溶槽，發育明顯，中風化巖面埋深10.80～29.40 m，微風化巖埋深10.10～35.00 m，該地區為巖溶強發育區，巖溶類型為深覆蓋型巖溶，溶(土)洞頂板基巖厚度普遍較小，平均厚度僅為3.47 m。

根據地質勘察資料，距試驗樁最近的土層物理參數指標詳見表1。

表1 土層物理參數值

5.2 靜載試驗

本次試驗采用全自動樁基靜載測試分析系統，如圖3所示。

圖3 全自動樁基靜載測試分析系統

樁基靜載試驗方法采用快速維持荷載法，即每隔1 h加載1級荷載，本次試驗加載荷載量級分為10級，第1級荷載量為2 000 kN，以后每級按2 000 kN遞增，加載至20 000 kN時終止加載。

5.3 數據采集

靜載試驗加載前，用光纖解調儀采集樁身的初始數據；試驗開始后，按照加載的量級采集數據，每加1級荷載采集1次數據，本次采集數據完成后，繼續進行下一級荷載的加載，以此類推直至完成10級荷載的全部加載和數據采集。

通過分布式光纖解調儀得到布里淵頻率，將每級采集的數據與初始數據相減，得到每級加載的布里淵頻移量，從而求出樁身的受力變形規律，通過樁身的受力變形規律，進而識別出樁身附近溶洞存在的情況。

5.4 結果分析

根據式(4)求得灌注樁樁身在各級荷載作用下的應變值分布曲線，經過除噪和平滑處理后，如圖4所示。由圖可知，隨著樁頂荷載量級的增加，樁身的應變值增大；樁身最大應變值出現在樁頂位置，最大微應變值為460；樁身最小應變值出現在樁底位置。本試驗樁采用C35鋼筋混凝土，其極限微應變值約為2 000，樁身最大應變值小于其極限應變值，說明成樁質量良好。在樁身約5 m和10 m位置處樁身的應變值突然增大，可能此處存在溶洞。

圖4 樁身應變分布

根據式(5)計算得到樁身軸力分布圖，如圖5所示。由圖可知，隨著荷載量級的增加，樁身的軸力增大；樁身最大軸力出現在樁頂位置，最大軸力為20 000 kN，樁頂的最大軸力與加載的最大荷載相等。樁身3～5 m和7～10 m范圍，樁身軸力隨著樁長的增加而增大；根據樁身入土的土層物理參數表，樁身2.8～3.8 m層厚范圍內為淤泥質土，淤泥質土強度低，提供給樁的側摩阻力小，導致樁身的軸力增加，排除3～5 m范圍內存在溶洞的可能性；樁身6.8～10.6 m層厚范圍內為粉質黏土，與其上中砂層相比，粉質黏土具有較高的強度，提供給樁的側摩阻力更大，樁身的軸力應該隨樁長的增加而減小，但在樁身7～10 m范圍，樁身軸力隨著樁長的增加而增大，可以初步判斷在該范圍內存在溶洞，溶洞存在的空隙使樁身的軸力增大。

圖5 樁身軸力分布

根據式(6)計算得到樁身側摩阻力分布圖，如圖6所示。由圖可知，隨著荷載量級的增大，樁身的側摩阻力增大，樁身最大軸力出現在樁頂區域。相同荷載量級條件下，樁身的側摩阻力先增大后減小再反向增大。在樁身5～7 m和8～10 m的位置，樁身側摩阻力存在突變的情況，由此可以判斷樁身附近存在溶洞，溶洞的空隙存在使樁身周圍土體與樁身分離，從而導致樁身側摩阻力減小，減小的樁身側摩阻力由軸力承擔，導致樁身軸力增大。

圖6 樁身側摩阻力分布

綜合樁身的應變、軸力和側摩阻力分布圖，可以準確判斷樁身約在深度為6 m和9 m處存在溶洞。

5.5 結果驗證

為了驗證光纖對樁基檢測的有效性，本工程在樁身灌注時安裝了5個正弦式鋼筋應力計，正弦式鋼筋應力計的安裝位置為樁頂以下 2、4、6、8、10 m的位置，在第1級加載條件下，將鋼筋應力計與光纖所測得的應力進行對比，如圖7所示。

圖7 鋼筋應力計與光纖檢測應力對比

由圖7可知，鋼筋應力計檢測的應力分布在光纖的應力曲線附近，兩種測試方法變化趨勢基本一致，相對誤差均不超過10%，說明分布式光纖傳感技術應用于巖溶區灌注樁檢測是可行的。

6 結論

(1)將分布式光纖傳感技術應用于巖溶區灌注樁完整性檢測，與傳統檢測手段相比，該技術具有分布式測量、耐久性好、防水、施工方便等優點。

(2)本試驗樁中，分布式光纖傳感技術測得的樁身最大應變小于混凝土的極限應變值，樁頂軸力與荷載量級大小基本一致，說明樁身具有良好的完整性，分布式光纖測量的結果與實際吻合。

(3)在靜載試驗條件下，分布式光纖傳感技術可實現灌注樁應變、軸力和側摩阻力的測試，并得出其隨地層深度變化的規律，通過軸力和側摩阻力的分布規律可以判斷樁身周圍溶洞的存在位置區間。

(4)將鋼筋應力計測試結果與分布式光纖測試結果進行對比，兩者誤差相對較小，說明分布式光纖傳感技術應用于巖溶區灌注樁檢測是行之有效的方法，具有重要的推廣價值。