基于分布式光纖的橋梁深水樁基鋼板樁圍堰監(jiān)測技術(shù)

陳龍貴

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545616)

0 引言

隨著交通運輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展,我國已經(jīng)完成或者正在進行許多大跨徑橋梁的規(guī)劃和建設(shè)。在大跨徑橋梁的施工過程中,往往需要采用大量形式復(fù)雜且體積巨大的橋墩樁基礎(chǔ),在深水中進行橋墩基礎(chǔ)建設(shè)則需要借助于一些特殊結(jié)構(gòu)。當(dāng)前大部分深水橋梁樁基礎(chǔ)采用鋼圍堰作為輔助結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有強度高、防水性好、經(jīng)濟效益好、可循環(huán)重復(fù)使用等優(yōu)點,其中鋼板樁圍堰是最常用的一種型式[1-4]。

由于鋼板樁圍堰特殊的施工環(huán)境,在水位變動頻繁河道的施工安全穩(wěn)定是比較難控制的,鋼板樁圍堰一旦出現(xiàn)安全事故,就會造成較大的人員傷亡和經(jīng)濟損失,因而需要做好橋梁樁基鋼板樁圍堰施工的全過程監(jiān)測,但是我國對于鋼圍堰結(jié)構(gòu)施工監(jiān)測仍處于摸索階段,當(dāng)前常用的一些傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在測量范圍較小、耐久性和長期穩(wěn)定性都較差等缺陷,對于深水鋼板樁圍堰這一長期工作量巨大、范圍廣、要求高和施工周期長的工程不是很適用,因而急需尋找一種更加可靠的監(jiān)測手段來替代原有監(jiān)測技術(shù)。分布式光纖傳感技術(shù)作為一種新型傳感技術(shù),具有壽命高、精度好、靈敏度佳、耐久性好、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點,在交通、水利、建筑、油氣、礦業(yè)等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[5-7]。

本文基于分布式光纖監(jiān)測手段,對橋梁深水基礎(chǔ)鋼板樁圍堰不同施工階段進行受力變形監(jiān)測分析,以期能為分布式光纖在深水橋梁樁基鋼板樁圍堰變形監(jiān)測的應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

某大橋6#墩承臺頂標高為+0.5 m,承臺底標高為-3.5 m,設(shè)計封底厚度為1.0 m。大橋跨越河道處正常水位為6.86 m,通航水位為4.09～9.23 m。6#墩承臺河河床底標高為2.5 m,鋼板樁設(shè)計底標高為-8.50 m。6#墩承臺處巖層從上到下依次為細砂(混夾淤泥)、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖①、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖②、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖以及1微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,具體參數(shù)見表1。

該工程施工的重難點在于:(1)6#墩所處地表層為砂石型碼頭,需進行清障處理,同時鋼板樁樁長較長(>18.5 m),下沉過程中的垂直度很難控制;(2)基坑開挖深度達到9.6 m,屬于深水基坑工程,需要對基坑變形做周密的監(jiān)測;(3)工程施工期處于汛期后端,受水文氣象的影響較大,且圍堰距岸線距離僅有19 m,需做好開挖期間的各種監(jiān)測和排水措施。在鋼板樁圍堰施工過程中很可能遇到部分樁不能順利下沉、樁身偏差、已施工好的樁隨后續(xù)打樁繼續(xù)下沉、相鄰鋼板樁鎖扣滲水等問題,因此,需要在鋼板樁圍堰施工過程中做好全過程監(jiān)測。

表1 河床底巖層物理力學(xué)參數(shù)表

2 鋼板樁圍堰設(shè)計

6#墩承臺尺寸為長15.1 m×寬9.5 m×高4 m,鉆孔樁樁徑為2.2 m,鋼護筒直徑為2.4 m,圍堰采用鋼板樁結(jié)構(gòu)型式,鋼板樁頂、樁底標高分別為+9.0 m和-9.50 m,圍堰面積為17.90 m×12.60 m,圍堰內(nèi)共設(shè)置4道支撐,第1道支撐為中空設(shè)計,間距為3.5 m,第2道支撐為中空設(shè)計,間距為3.0 m,第3道支撐和第4道支撐間距增設(shè)中間對撐,間距分別為2.5 m和3.0 m,圍堰底采用厚度1 m的C20混凝土進行干封底施工,整個承臺分為2次澆筑,第1次厚度為1.5 m,第2次厚度為2.5 m。鋼板樁圍堰設(shè)計示意見圖1。

鋼板樁采用NSP型拉森鋼板樁(有效高度和厚度分別為0.6 m、0.21 m和1.8 cm),彈性模量為206 GPa,允許最大應(yīng)力273 MPa,允許最大剪應(yīng)力156 MPa,允許最大抵抗彎矩516 kN·m。

圖1 鋼板樁圍堰設(shè)計平面圖(mm)

3 分布式光纖監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測樁點布設(shè)

在鋼板樁圍堰施工過程中,選取3根鋼板樁(編號1號樁、2號樁、3號樁)進行分布式光纖安裝和監(jiān)測,監(jiān)測點布設(shè)方案見圖2。

圖2 分布式光纖測點布設(shè)示意圖(mm)

3.2 監(jiān)測儀器設(shè)備

分布式光纖信號采用瑞士產(chǎn)分布式光纖解調(diào)儀進行采集;傳感器采用金屬基索狀應(yīng)變感測光纜,每個監(jiān)測點光纜長度為60 m,傳感器接頭采用APC接頭,每個監(jiān)測點2個,采用日本產(chǎn)光纖熔接機對光纖進行熔接施工。

3.3 監(jiān)測方案

由于鋼板樁圍堰施工采用分步開挖方式,因此分布式光纖測試分為以下幾個工況:工況1是在第1～2層支撐完成和鋼板樁圍堰打設(shè)完成后,工況2是在第3層內(nèi)支撐和立柱安裝后;工況3是在第 4 層內(nèi)支撐和立柱安裝后;每個工況下各個監(jiān)測點均進行10次測試。

布里淵散射光時域反射儀的數(shù)據(jù)采樣間距為0.25 m,測試數(shù)據(jù)包括樁身應(yīng)力、樁身應(yīng)變、樁身彎矩和樁身擾度。數(shù)據(jù)監(jiān)測完成后,先采用小波分析對原始數(shù)據(jù)進行去噪處理,然后利用移動平均法對數(shù)據(jù)進行平滑處理,從而得到鋼板樁各種參數(shù)的變化趨勢。

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 樁身應(yīng)變

測試得到6#墩鋼板樁在不同工況下的應(yīng)變分布曲線見圖3。由圖3可知:1號、2號和3號樁隨著開挖深度的增加,應(yīng)變峰值大小逐漸增大,而應(yīng)變峰值位置在逐漸下移,鋼板樁圍堰水平支撐可以有效降低樁身的應(yīng)變值,并且在支撐處會出現(xiàn)應(yīng)變的突變情況;由于土體分布不均和每次監(jiān)測時水體溫度有所區(qū)別,因此造成應(yīng)變曲線呈波動狀態(tài);當(dāng)4道支撐全部施工(工況3)完成后,1號樁、2號樁以及3號樁的最大應(yīng)變值分別為1 023με、665με和800με。

(a)1號樁

(b)2號樁

(c)3號樁

4.2 樁身應(yīng)力

測試得到6#墩鋼板樁在不同工況下的應(yīng)力分布曲線見下頁圖4。由圖4可知:當(dāng)1～2道支撐施工完成后,1號樁、2號樁和3號樁的最大應(yīng)力在20～30 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在樁長約10～12 m處;當(dāng)?shù)?道支撐施工完成后,1號樁、2號樁和3號樁的最大應(yīng)力分別為105 MPa、80 MPa和70 MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在樁長12～16 m處;當(dāng)?shù)?道支撐施工完成后,1號樁、2號樁和3號樁的最大應(yīng)力分別為205MPa、130 MPa和150 MPa,出現(xiàn)在樁長12～14 m處。當(dāng)4道支撐全部施工完成后,鋼板樁的最大應(yīng)力為205 MPa,<273 MPa,因此在鋼板樁施工過程中均滿足NSP IV型拉森鋼板樁允許應(yīng)力的要求,施工安全。

(a)1號樁

(b)2號樁

(c)3號樁

4.3 樁身彎矩

測試得到6#墩鋼板樁在不同工況下的樁身彎矩分布曲線見圖5。由圖5可知:在工況1下,1號樁、2號樁和3號樁的最大彎矩分別為61 kN·m、32 kN·m和50 kN·m;在工況2下,1號樁、2號樁和3號樁的最大彎矩分別為156 kN·m、122 kN·m和115 kN·m;在工況3下,1號樁、2號樁和3號樁的最大彎矩分別為380 kN·m、230 kN·m和265 kN·m;在不同工況下,3根樁的最大彎矩均<516 kN·m的抗彎矩要求,施工安全。彎矩轉(zhuǎn)折點與實際支撐點位置基本重合,表明彎矩轉(zhuǎn)折主要是由內(nèi)支撐和基坑開挖面造成的;隨著開挖深度的增加,樁身最大彎矩逐漸增大,彎矩峰值位置也逐漸下移,水平支撐處彎矩會出現(xiàn)明顯的突變。

(a)1號樁

(b)2號樁

(c)3號樁

4.4 樁身撓度

由于本工程樁基處于軟土地層中,在基坑開挖過程中,鋼板樁不可避免地會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象,當(dāng)進行內(nèi)支撐施工時,樁身水平位移會受到限制,從而導(dǎo)致樁身撓度發(fā)生。監(jiān)測得到的不同工況下樁身撓度分布曲線見圖6。從圖6中可知:在工況1時,由于基坑開挖深度較小,此時各根樁的撓度均較小,且均≤5 mm;當(dāng)?shù)?道支撐施工完成后,各根樁的撓度有較大幅度增加,1號樁、2號樁和3號樁的最大樁身最大撓度分別為17 mm、14.5 mm和11.5 mm;當(dāng)?shù)?道支撐施工完成后,撓度進一步增加,1號樁、2號樁和3號樁的最大樁身最大撓度分別為23 mm、16 mm和21 mm。隨著開挖深度的增加,樁身撓度逐漸增大,但是基坑全部完成后,最大撓度也未超過50 mm,因此本工程施工過程中撓度滿足對應(yīng)的施工規(guī)范。

(a)1號樁

(b)2號樁

(c)3號樁

5 結(jié)語

基于分布式光纖監(jiān)測手段,對橋梁滲水樁基鋼板樁圍堰各個施工階段進行了監(jiān)測分析,得出如下結(jié)論:

(1)隨著開挖深度的增加,鋼板樁的應(yīng)變、應(yīng)力、彎矩和撓度均逐漸增大,最大值出現(xiàn)位置逐漸向樁身下移。

(2)內(nèi)支撐和基坑開挖面會造成樁身受力變形出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點,合理的內(nèi)支撐設(shè)置位置可以有效減小樁身的受力變形。

(3)圍堰施工完成后,應(yīng)變、應(yīng)力、彎矩和撓度最大值分別為1 023με、205 MPa、380 kN·m和23 mm,均未超過施工或者材料允許值,施工過程安全。

(4)分布式光纖監(jiān)測受環(huán)境的影響更小,監(jiān)測范圍更廣,耐久性更好,可為深水樁基圍堰提供更加精確可靠的數(shù)據(jù),可為相關(guān)類似工程提供經(jīng)驗借鑒。