光纖傳感技術在樁身內力測試中的應用

張明峻

摘要：介紹了布里淵光時域反射計的傳感原理，結合實例對分布式光纖傳感技術的測試結果進行分析，并與振弦式鋼筋計檢測結果進行對比，結果表明，使用分布式光纖傳感技術，可獲得樁身軸力、側摩阻力及樁端阻力的分布特征，相對于振弦式鋼筋計，具有分布式、長距離、耐久性好、成活率高、抗干擾強和與被測物協調性能好等優點，可作為一種新型的分布式樁基檢測技術加以推廣。

關鍵詞：樁身內力；分布式光纖傳感技術

1 緒論

試樁工程中，為分析確定樁側地層側摩阻力及樁端阻力，需進行樁身內力測試。目前在樁身內里測試中常用應變式、振弦式傳感器，但由于成樁工藝對傳感器的限制，基本無法做到高密度布設，成活率也難以保證。分布式光纖以光纖為傳感和傳輸介質，無需其他傳感器，易于植入鋼筋或混凝土外表，與鋼筋或混凝土協調變形性能好，已在成型構件監測中得到應用。

2 測試原理

當光纖沿線存在溫度變化或者發生軸向應變時，光纖中的背向布里淵散射光的頻率會產生漂移，其漂移量與光纖溫度或應變的變化呈線性關系。若要得到光纖分布范圍內溫度或應變的變化，僅需測量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量（νB）即可。

3 靜載試驗中樁身變形及受力分析

靜載試驗中對每一級荷載都進行測試，初始應變在沒有加壓前進行測試，每級荷載穩定后采集數據，采集結束后方可加（卸）下一級荷載。由于光纖是埋入樁身混凝土內的，在豎向壓力下，光纖將與混凝土協調變形，儀器測試得到的是光纖的軸向應變即為樁身混凝土的軸向應變ε（Z）。樁身軸力Q（Z）可按下式計算：

Q（Z）=ε（Z）·Ec·A

其中，Ec為樁身混凝土的彈性模量，A為樁身截面面積。

樁側摩阻力qs（Z）可按下式計算

qs（Z）=-A·EcUΔεΔZ

式中：Δε為某土層內選定的樁身兩截面間軸向應變變化量。

4 實例分析

以某電廠試樁工程為例，試樁采用單節15mPHC管樁，樁徑500mm，砼強度等級為C80。基樁貫穿的地層依次為：（1）層填土、（2）層粉砂、（31）層粉質粘土、（32）層粘土、（33）層粉質粘土、（4）層細砂。試驗采用堆載法進行，加載級差為250kN。

4.1 光纖埋設

本次光纖的鋪設以樁身混凝土為載體。試樁樁材進場后，在樁身側面畫線開槽，槽規格以滿足光纖可完整埋入為準。將光纖順直埋入槽內，定點固定，然后用高強膠劑封槽。

4.2 各土層側摩阻力

樁身側摩阻力按土層進行計算，在同一土層的樁身上取各點間小段，利用上文軸力計算方法該小段內側摩阻力，然后根據各土層側摩阻力區土層內各小段側摩阻力平均值。從圖1可以看出，隨著荷載的增大，樁側摩阻力隨著增大，其中（32）層粘土和（4）層細砂側摩阻力最大。

4.3 樁端阻力計算

根據實測樁底的應變值計算出樁的端阻力。由圖2可以看出，在小荷載階段，樁端阻力尚未得到發揮，此時施加的荷載全部由樁側阻力承擔。當荷載增加至1000kN時，樁端阻力開始發揮并隨著荷載增加而增大。

5 與振弦式應變鋼筋計檢測結果的對比

受工藝的限制，振弦式鋼筋計無法實現在各個深度截面密集布置，如果在兩個截面的鋼筋計之間出現地層突變，樁身軸力圖上將無法體現出來，從而導致樁側阻力的不準確。光纖傳感器的采樣密度遠遠高于振弦式鋼筋計的采樣密度，對地層突變的敏感性也遠優于振弦式鋼筋計，可以更加準確的反應樁側阻力的變化趨勢。再者，優于灌注樁澆筑或預制樁成型過程中均存在一定的不確定性因素，如導管剮蹭，焊接強度不夠，鋼筋預拉等，加之鋼筋計導線較多，振弦式鋼筋計在預埋之后成活率不理想的情況時有發生，相對來講，光纖傳感器成活率要理想的多。

6 結語

分布式光纖傳感技術能夠成功地應用于基樁的內力檢測，可測出樁身的應變分布，并可進一步計算出樁身內力、樁周摩阻力及樁端阻力。相對于振弦式鋼筋計具有長距離、分布式、成活率高、耐久性好等優點，可作為一種新型的樁基內力測試檢測技術加以推廣。

參考文獻：

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