幾種樁身內力測試方法的比較

孫慶安 湛川 張磊

0 引言

鉆孔灌注樁有承載力大、施工噪聲低、對相鄰建筑影響小、施工安全性好等諸多優點,但質量控制直觀性差,施工工藝較為復雜,水下混凝土施工要求嚴格,易出現孔底沉渣、夾泥、縮頸、離析等缺陷。因此工程上對樁主要性能監測的要求較高。

1 鉆孔灌注樁的結構特點及力學分析,灌注樁抗壓試驗目的

樁的力學分析主要包括樁基極限承載力、Q—s曲線、軸力、側阻應力和端阻應力的力學分析,以及樁身缺陷的力學反演分析等。試驗目的是通過對試樁樁身應變測試及分析工作,以便確定垂直靜載條件下,各級荷載時摩阻力沿樁身分布曲線以及各級荷載下總摩阻力和端阻力的比值,并評價樁身質量。具體來講,進行鉆孔灌注樁的抗壓試驗有以下幾個方面的工程意義:

1)為設計提供合理的單樁承載能力,《建筑樁基檢測技術規范》規定,“單樁的豎向承載力宜通過現場靜載荷試驗確定,在統一條件下樁數量不宜少于總樁數的1%,并不少于3根”。2)檢驗施工工藝是否能夠滿足工程要求。3)反分析樁與地基相互作用條件下的地基承載力。4)反分析樁的工程質量。

2 常用的測量方法

2.1 鋼筋計法

目前我國對樁身的應力應變檢測一般采用鋼筋計。鋼筋計根據地層結構埋設于樁身主筋上,監測樁身某一截面和樁底的應力應變。這種測試方法其優點是原理簡單,測試元件易于安裝,成本相對較低,在我國得到了普遍的應用。但同時具有以下缺點:

1)探頭和介質之間無法做到理想匹配,電測元件易產生零點漂移,實測結果與實際結果誤差較大;2)鋼筋計靠焊接依附于樁身與樁底,同時信號線的埋設以及成樁等過程都將直接影響鋼筋計的成活率,對測試結果的可靠性和精度直接造成影響。

2.2 滑動測微計法

滑動測微計法是一種新的樁身應力應變測試方法。采用滑動測微計進行靜載試樁內力監測,其測試精度及連續性將大大優于傳統鋼筋計。相對于傳統試樁中的鋼筋計等點法固定式儀器及多點伸長計而言,滑動測微計具有如下優點:連續地測定整個樁身軸線上所有各點軸線方向各級荷載下的應變,任何部位微小變形都反映在測值中。傳統方法(如鋼筋計)只能測定點的應變,兩點之間的變形只能推斷。簡單可靠,能有效地修正零點漂移,特別適用于長期觀測。傳統鋼筋計方法測點有限、成活率低、零點漂移無法修正。與傳統的多點伸長計比較,具測點多、精度高的優勢,并且填補了多點伸長計不適用于爆破開挖區測試的缺陷。提供靜力試樁所需的摩阻力、端阻力等參數,各級荷載下摩阻力隨不同深度變化的連續分布曲線,摩阻力與端阻力隨荷載變化的增長曲線。全面評估混凝土質量、確定等級,計算樁身平均彈性模量及其隨荷載水平的變化規律。

該方法也存在以下不足:實測應變值不能直接用于摩阻力和端阻力的計算,必須對其進行平滑處理,增加了人為因素。

2.3 光柵傳感器法

光柵傳感器法不僅具有光纖監測的一般優點,它還有以下主要特點:1)技術成熟、可靠性高。2)光纖光柵應變傳感器在幾百個微應變范圍內反復拉壓,經過2 000萬次疲勞試驗,零偏值僅變化三四個微應變。3)實踐中光纖光柵傳感器可在0.5 MPa水壓中正常工作3個月以上,理論上的適用范圍更廣。4)光纖光柵傳感器的引出光纜可以選用具有優異機械性能的全介質自承式光纜或鎧裝光纜。

FBG傳感器在傳感網絡應用中具有非常明顯的技術優勢,主要包括:1)可靠性好、抗干擾能力強。由于光纖光柵對被測信息用波長編碼,不受光源功率波動和光纖彎曲等因素引起的系統損耗的影響。2)測量精度高。精確的透射和反射特征(小誤差)使其更加準確的反映了應力和溫度的變化。3)單路光纖上可以制作多個光柵的能力,可以對大型工程進行分布式測量,其測量點多,測量范圍大。4)傳感頭結構簡單、尺寸小,適于各種應用場合,尤其適合于埋入材料內部構成所謂的智能材料或結構。5)抗電磁干擾、抗腐蝕、能于惡劣的化學環境下工作。6)測量精度高且具有準確的測點空間定位能力。7)系統安裝及長期使用過程中無需定標。

由于體積很小,對樁身的實際應力分布沒有影響,既可以對試樁進行監測,也可以對承載樁進行監測。當前,光纖光柵傳感器被普遍認為是實現“光纖靈巧結構”“光纖機敏材料”的理想器件。由于光柵外面有鎧裝設備,它適合在現澆混凝土中應用。由此看出,用光柵傳感器測量得到的結果規律性很好,傳感器在強沖擊等惡劣環境下仍然能夠正常工作。用光柵傳感器測量的費用與要求的精度有直接的關系,理論上它可以精確測量出任意截面的應力分布,要達到與滑動測微計相同的精度,大約3萬元/10 m。

3 結語

1)鋼筋計這種方法的主要缺點在于其傳感器的成活率低,誤差大。2)滑動測微計法的優點是:連續測量、精度較高、可長期觀測。3)分布式光纖傳感技術和光柵傳感器測量技術都是以光信號作為載體,具有抗干擾能力強、體積小、精度高、可長期測量等優點。分布式光纖的缺點是測量光纖沒有保護裝置,并且受到測量原理的限制,安裝保護裝置也比較困難,光纖是由SiO2材料制成的,在施工過程中極易被碰斷,造成數據丟失,另外在測量距離與監測結果的數據配準方面也有一些問題。對比之下,光柵傳感器除了具有光傳感器的一般優點外,還有鎧裝保護裝置,技術成熟、可靠性高,比較適合在現澆混凝土工程中應用,與其他灌注樁性能監測方法相比,該技術的性價比較高。

因此當樁基地層結構簡單,通過對樁身有限點的應變測試,即可實現對樁身的應變測試及分析工作,以便確定垂直靜載條件下,各級荷載時摩阻力與端阻力沿樁身分布曲線,并評價樁身質量,可以優化設計并為設計提供單樁極限承載能力。

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