預應力管樁承載力測試技術的研究

聶 俊 易麗麗

(1.廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司，廣東廣州 510440;2.北京邁達斯技術有限公司廣州分公司，廣東廣州 510000)

0 引言

預應力混凝土管樁具有質量穩定可靠、樁身混凝土強度高、耐錘打性好、施工周期短、對環境影響小、單位承載力造價低等優點，近幾年已被廣泛應用于建筑物和構筑物的基礎工程中[1]。但樁基工程是一種隱蔽性工程，在復雜地質條件下，其施工質量控制難度較大，施工不當容易產生各種質量缺陷，影響樁身的完整性和單樁的承載能力。因此，對樁基成樁質量的檢測評估是樁基工程中一項必不可少的工作，也是技術難度較大的一個環節[2]。

目前，常用的樁基檢測技術主要包括樁基靜載荷試驗、樁基動測及超聲波檢測等方法[3]。樁基動測以及超聲波檢測等方法作為間接的測試方法，動態成分高，容易受外界環境的干擾，很難達到靜載荷試驗的檢測精度，因此，靜載試驗是目前單樁豎向抗壓承載力測試中最常用的方法。在靜載荷試驗中為了測定各級荷載下樁身的應變，并了解樁的承載機理，在樁身埋設各種傳感元件，如鋼筋應力計、應變片等。但預應力管樁由于混凝土強度高、蒸汽養護、壁薄等特點，以及傳統點式傳感器傳導線的交接處易于接觸不良、斷裂而使檢測點失效、成活率較低等缺點，使得預應力管樁的樁側摩阻力和樁端承載力的測試工作一直是樁基檢測中的一個難點，因此，引入新的測試技術對預應力管樁的承載力特性進行研究就顯得十分必要。

近幾年興起的光纖光柵傳感技術由于具有本質安全、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕、耐久性長、體積小、測試精度高及分布式測量等優點，可以彌補傳統檢測技術的缺點，已經成為工程檢測中的研究熱點，選擇恰當的方法可以把光纖光柵測試技術應用到預應力管樁的承載力測試中，解決當前預應力管樁承載力測試的難題。

1 光纖光柵傳感技術的測量原理

光纖傳感系統的組成原理見圖1。激光器發出的光在傳感區域受環境信號的調制后經過耦合器進入光探測器，調節后得出環境信號。

圖1中的傳導光纖與傳感光纖為一根光纖，但一般傳感部分都需經過特別處理以便光纖只對一種或幾種感興趣的信號敏感，現階段在工程中應用的較廣泛的是Bragg光纖光柵傳感器。

圖1 光纖傳輸原理圖

Bragg光纖光柵傳感器是利用光纖中摻雜物質具有的光敏感性，將光纖在呈周期性分布的紫外激光光場中曝光，在光纖內芯形成折射率為n呈周期性分布的三維位相光柵。當一束帶寬入射光在纖芯內傳輸時，就會在柵距為Λ的位相光柵內產生Bragg衍射窄帶光，并且該衍射窄帶光沿原路返回。

Bragg光柵傳感器就是通過對光纖內部寫入的光柵反射或透射Bragg波長光譜的檢測，實現被測對象應變的絕對測量，其原理如圖2所示。

圖2 Bragg光纖光柵應變傳感器工作原理

Bragg光纖反射窄帶光的波長λB滿足Bragg方程:

當光纖產生軸向應變ε時，反射窄帶的波長會發生改變。在忽略溫度影響的前提下，波長偏移量ΔλB與應變的關系滿足下式:

其中，ρΛ為光纖受力彈性系數;ρn為光纖的光彈性系數。可以看出光纖產生的應變與反射波波長的偏移量成正比，只要準確測量出Bragg波長的偏移量ΔλB，就可以計算出纖內Bragg光柵的應變[4，5]。

目前，光纖光柵傳感器主要應用在大型混凝土工程、航空航天領域和復合材料、石油化工領域以及巖土工程檢測領域中。其中，民用工程是光纖光柵傳感器應用最活躍的領域，主要集中在橋梁、大壩、隧道等重要結構的健康監測。近年來，國內許多學者對光纖光柵傳感器在混凝土工程中的應用問題開展了大量的實驗和應用研究，如哈爾濱工業大學的歐進萍、周智等人研發了管式、片式封裝的光纖光柵傳感器，已形成定型產品并在實際工程中進行了應用[6]。在巖土工程領域中，光纖光柵傳感器主要應用在巖體變形監測和錨桿應力檢測中。2003年，德國的Hatenberger C S等人開始將光纖光柵用于巖石試件的應變測試，并做了對比實驗分析，研究發現，其測試精度會受粘結劑的影響。在用雙組分環氧樹脂膠作粘結劑時，測試精度可達94.2%，采用另外一種粘結劑時為84.6%[7]。在國內，武漢理工大學的姜德生等人將光纖光柵應用于錨桿、錨索的研究，并取得了一定的進展[8，9]。西安科技大學的柴敬等人借助光纖光柵傳感技術監測了錨桿體的應力分布，并與電測應變片相對照。結果表明，光纖光柵的測試效果明顯優于應變片[10]。

2 光纖光柵在管樁承載力測試中的技術難點

根據光纖光柵應變傳感器在其他工程領域的實際應用，針對樁基工程的特殊性，研究傳感器在樁基中的布設方法和保護措施，把光纖光柵傳感器應用到樁基承載力的確定試驗中。光纖光柵傳感技術在樁基測試中的連接如圖3所示，每根光纖上安裝的光纖光柵傳感器不多于15個。

雖然光纖光柵在理論上非常適合解決管樁承載力測試中遇到的問題，但是如果要實際應用到預應力管樁的摩阻力與端承力的測試中，還存在一些問題需要去解決。

2.1 傳感器的埋設

通常光纖光柵傳感器是粘貼在構件表面上的，而樁基工程是地下工程，直接粘貼在樁身表面，在施工過程中容易損壞傳感器，因此，對于管樁承載力測試中傳感器的安裝，必須考慮到光纖光柵傳感器的固定和光纖的保護工作，傳感器的埋設一般為開槽埋設法和預埋法。

1)開槽埋設。

利用光纖光柵傳感器體積小，傳導線連接方便的特點，在管樁側壁選擇2條～3條軸線，在側壁開寬度、深度均為5 mm的槽，在傳感器埋設位置開比傳感器稍大一些的工字槽，如圖4所示。開槽之后清潔槽口，把光纖光柵傳感器和傳導光纖均放在槽中，用環氧樹脂系膠結劑進行固定，依照此方法安裝另外兩條軸線上的傳感器，使每個測試截面上均有3個傳感器，這樣就可使傳感器與管樁的樁身形成一個整體，并且能夠對樁身進行準分布式的測量。

圖3 光纖光柵傳感技術在樁基測試中的示意圖

圖4 開槽安裝光纖光柵傳感器示意圖

2)預埋法。

類似于傳統點式傳感器在混凝土灌注樁樁身應力測試中的安裝方法，需要在管樁的制作過程中，把焊接式的光纖光柵傳感器焊接到預應力管樁的鋼筋籠上，再澆筑混凝土。因為鋼筋籠需要進行預應力張拉，故該安裝方法在測試中需要剔除預應力張拉中出現的光纖光柵傳感器的波長變化，得出的值才是試樁中樁基的承載力變化值。并且需要注意光纖光柵傳感器在焊接過程中溫度的控制，以免出現在焊接光纖光柵傳感器的時候把傳導光纖融化，導致安裝失敗。

2.2 應變測試中精度傳遞的問題

對不同的實驗目的和實驗條件，選擇合適的安裝方法尤為重要。通過對Bragg光纖光柵傳感器的封裝和安裝，并加以適當的保護措施，傳感器與構件之間就形成了一層傳力途徑。為了解光纖光柵傳感器與構件真實應變之間的傳遞方式，需設計合適的試驗構件進行分級加載測試，通過計算和高精度應變片的測試對比，建立光纖光柵傳感器與構件應變值之間的應變傳遞表達式。在樁身應變測量中，通過這個表達式，可以把實測的值換算成樁身的精確應變，以剔除安裝過程中安裝方法及安裝材料等因素對測量精度的影響，得到真實的樁身應變值，這樣對計算管樁的樁身摩阻力和樁端承載力可以提供可靠的數據，提高實驗精度。

2.3 管樁接頭處傳感器的連接問題

管樁的施工方法不同于灌注樁，管樁施工需要接樁，一般采用焊接接樁或者法蘭接樁，這就對管樁的樁身應力測試帶來了不便，運用Bragg光纖光柵測試管樁樁身內力時，在管樁的接頭處，需要預留傳導光纖的接口，然后在管樁焊接的時候注意保護好光纖，以防溫度過高使光纖熔斷，在管樁連接完成之后，利用光纖熔接機把預留的傳導光纖對接起來，并保護安裝好之后，才能進行下一步施工，以確保在管樁施工過程中光纖連接的完整。

[1] 史佩棟.樁基工程手冊[M].北京:人民交通出版社，2010.

[2] 甘幼琛.當前樁基工程質量合格控制存在的問題與隨機控制新模式的探討[J].土木工程學報，2004，37(1):84-91.

[3] 李素華，吳世明，劉忠孝.工程樁質量檢測技術中的若干問題探討[J].巖石力學與工程學報，2002，21(1):133-135.

[4] 郭玉彬，葛 璜.光纖Bragg光柵的研究[J].光學精密工程，1999，7(1):31-38.

[5] 陳曉梅，李新良，曾 吾，等.用纖內Bragg光柵進行動態應變測量的研究[J].航空計測技術，2002，22(6):3-7.

[6] 趙雪峰，田石柱，周 智，等.基于封裝光纖Bragg光柵傳感器的混凝土應變監測試驗研究[J].光學技術，2003，29(4):423-426.

[7] Hatenberger C S，Marcel Naumann，Gunter Borm.Fiber Bragg grating strain measurements in comparison with additional techniques for rock mechanical testing[J].IEEE sensors journal，2003，3(1):50-55.

[8] 姜德生，左 軍，信思金，等.光纖Bragg光柵傳感器在水布埡工程錨桿上的應用[J].傳感器技術，2005，24(1):72-74.

[9] 姜德生，梁 磊，南秋明.新型光纖Bragg光柵錨索預應力監測系統[J].武漢理工大學學報，2003，25(7):15-17.

[10] 柴 敬，蘭曙光，李繼平，等.光纖Bragg光柵錨桿應力應變監測系統[J].西安科技大學學報，2005，25(1):1-4.