樁基靜載試驗中光纖應變傳感技術的應用

李衛保

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

1 概述

鋼筋混凝土灌注工程樁施工前，必須進行試樁，為工程樁設計提供理論依據。普通的靜載試驗，僅能反映設計樁的單樁軸向力。但是，對于整個樁身范圍內，不同深度、不同地質條件下樁的受力情況無法了解，這就使得設計時盲目的加大樁長、加大樁徑來滿足承載力，造成極大浪費。光纖應變傳感技術在試樁試驗中的應用，有效的解決了這種盲目設計的問題，為工程樁的合理選型、樁基設計的技術經濟分析提供了更完善的資料，并明確工程樁施工中可能存在的技術問題，優化樁基設計，為施工提供更多依據。

光纖傳感技術是伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術，具有分布式、長距離、耐久性好、抗干擾強及與被測物協調性能好等優點。

2 特點

1)傳統測試僅能反映出樁軸力與樁沉降量關系曲線。本技術在原基礎上，還能反映出樁任何深度的軸力及側摩阻力，對樁的承載力反映更加完整、準確、直觀;2)該施工技術的推廣應用，為樁基設計提供了可靠依據，優化樁基設計，節約社會資源;3)光纖應變傳感技術的應用，為樁基技術經濟分析提供了依據，可預知施工中可能存在的技術問題，為施工提供了依據;4)光纖應變測試報告，為樁基研究提供了更詳細的資料;5)本施工技術與靜載試驗同步，操作方便，全自動化。

3 適用范圍

適用于鉆孔灌注樁等樁基試驗檢測。

4 原理

光纖應變測量基于布里淵光時域反射技術BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)，利用分析光纖中后向散射光的方法測試光纖傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗，通過顯示損耗(散射)與長度的關系來測量外界信號場分布于光纖上的擾動信息。

測試儀器測試得到的數據是光纖的軸向壓應變值，由于光纖固定在樁身混凝土內，在靜載壓力下，光纖軸向變形與樁身混凝土一致。

光纖傳感技術在樁基靜載試驗的應用，就是在樁基施工中，預先將傳感光纖沿鋼筋籠主筋的側邊進行鋪設，鋪設時盡量保持光纖挺直，澆筑混凝土后光纖與樁成為一體。隨著靜載試驗進行，光纖應變分析儀檢測樁身范圍內傳感光纖的應力應變分布，采集不同深度、不同地質條件下樁身的受力狀況，從而得到樁身軸力和側摩阻力，并評價樁的承載力。

BOTDR的應變測試原理見圖1。

圖1 BOTDR的應變測試原理

5 工藝流程及操作要點

5．1 工藝流程

工藝流程見圖2。

圖2 樁基靜載試驗光纖應變測試工藝流程

5．2 操作要點

1)鉆機成孔。施工場地平整處理，保證鉆機底座場地應平整、夯實，避免在鉆進過程中鉆機產生沉陷。根據現場確定的測量樁位，在開挖前以樁位標志為中心，四周釘下十字樁，校正護筒定位，鉆進施工。

2)光纖鋪設。裸露光纖直接鋪設于樁表面容易斷裂，失去測試功能。測試時對光纖進行了特殊處理(即采用GFRP型光纜)，經實踐證明，處理后的光纖在傳感性質未受影響的前提下，其抗拉、抗折、抗沖擊及防火花能力大為提高。光纖的鋪設以鋼筋籠主筋為載體，捆綁于其上，捆綁與吊放鋼筋籠同步。為了更好地利用光纖應變檢測技術反映基樁在荷載作用下的變形，需要將傳感光纖與基樁緊密連接，使得兩者的變形盡可能保持一致。因此，在鋪設傳感光纖時，鋪設過程中保持光纖挺直，并沿著鋼筋籠的對稱主軸呈U字形鋪設，而后隨著后期灌注混凝土埋設在樁基中。為防止在澆灌混凝土過程中混凝土對光纖的直接沖撞，鋪設的位置盡量靠近鋼筋籠主筋的側面，鋪設過程中盡量讓光纖保持挺直。鋪設的傳感光纖在樁頭預留，以備后期檢測時引出并接入光纖應變分析儀。為了防止后期樁頭處理和養護過程中對傳感光纖的破壞，在樁頭處預留的傳感光纖應進行特殊保護。傳感光纖的鋪設如圖3，圖4所示。

圖3 光纖鋪設示意圖

圖4 現場光纖鋪設

3)應變測試。光纖應變測試對鉆孔灌注樁的檢測過程是與樁的靜載試驗同步進行的。在檢測之前先對樁身進行初值測試，之后每加一級荷載穩定后對傳感光纖檢測一次，直至最大荷載。卸載時，每隔1 h在卸下一級荷載之前讀取上一級荷載的數據，直到試驗結束后3 h讀取最后一次數據。最后數據處理時把每級荷載下所測的變形數據減去初始值就是樁基的變形值。

4)計算原理。測試儀器測試得到的數據是光纖的軸向壓應變值，由于光纖固定在樁身混凝土內，在靜載壓力下，光纖軸向變形與樁身混凝土一致。因此，樁身混凝土的壓應變也不變。則樁身壓力σ(Z)為:

其中，E為樁身混凝土的彈性模量。則:

其中，A為樁身截面面積。

樁的荷載傳遞基本方程為:

其中，qs(Z)為樁側分布摩阻力;Q(Z)為樁身軸向力;U為樁身周長。式(3)可簡化為:

其中，Q(Z)為某土層內樁身兩截面間軸力變化量;ΔZ為該土層內樁身兩截面間的深度值。

將式(1)，式(2)代入式(4)中，得:

其中，Δε為某土層內樁身兩截面間軸向應變變化量。

根據儀器測試光纖應變結果，由式(1)，式(2)，式(5)就可得所有測試結果。

5)測試數據分析。a．樁身軸力計算。光纖應變測試提供樁側摩阻力的分布狀況，樁端阻力值及荷載與變形的相關關系。將測得的各荷載級別下的光纖應變與光纖初始應變之差得出樁身的各級荷載下附加應變值，與上述方法得出的樁身混凝土彈性模量相乘，計算出樁身各個截面的應力值，該值再利用測孔得出的樁身截面積來修正出樁身軸力，得出軸力分布。由于樁體在靜載過程中存在一定的偏心荷載及撓曲，其樁身表現出對稱性的應力應變差異，因此利用同截面兩條光纖的應變數據的平均值作為計算值效果更好。b．樁身側摩阻力計算。樁身側摩阻力按土層進行計算，在同一土層的樁身上取能代表其段內大體趨勢的一小段，得到兩個橫截面，利用以上軸力計算方法得出兩截面上的軸力值，軸力值之差與該段內樁周邊面積之比就是側摩阻力。

圖5 BOTDR檢測設備

6 材料與設備

6．1 材料

光纜，本施工技術對光纖進行了特殊處理(即采用GFRP型光纜)，經實踐證明，處理后的光纖在傳感性質未受影響的前提下，其抗拉、抗折、抗沖擊及防火花能力大為提高。

6．2 設備

1)本施工技術采用的BOTDR檢測設備是日本NTT公司研制開發的AQ8603型BOTDR光纖應變分析儀(見圖5)。技術性能指標見表1。

2)樁基靜載荷測分析儀。

3)其他設備:計算機、沉降傳感器、光纖傳感器、液壓千斤頂等。

7 應用實例

1)工程概況。山西省電力勘測設計院綜合業務樓樁基工程，共有工程樁187根，其中抗壓樁147根，樁徑為0．75 m;抗拔樁40根，直徑0．70 m。抗壓樁樁長36 m，抗拔樁樁長30 m，樁基施工工期3個月。從上至下地質為:雜填土、素填土、粉質粘土、中砂、粉土、中細砂、粉土、卵石。

表1 AQ8603主要技術性能指標

2)施工應用效果。針對試錨樁采用光纖傳感技術，完整、準確測試出樁基在不同深度、不同土層，樁基軸向力及側摩阻力。通過光纖檢測報告，設計單位在滿足基樁承載力的前提下，修訂了樁的有效長度。該樁基工程經測試，樁身承載力滿足設計要求。光纖傳感技術在樁基靜載試驗中的應用，取得了較好的社會經濟效益，獲得了業主、監理和設計單位的一致好評。