基于分布式光纖的橋梁深水樁基鋼板樁圍堰監測技術

陳龍貴

(柳州鐵道職業技術學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

隨著交通運輸事業的蓬勃發展,我國已經完成或者正在進行許多大跨徑橋梁的規劃和建設。在大跨徑橋梁的施工過程中,往往需要采用大量形式復雜且體積巨大的橋墩樁基礎,在深水中進行橋墩基礎建設則需要借助于一些特殊結構。當前大部分深水橋梁樁基礎采用鋼圍堰作為輔助結構,該結構具有強度高、防水性好、經濟效益好、可循環重復使用等優點,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境,在水位變動頻繁河道的施工安全穩定是比較難控制的,鋼板樁圍堰一旦出現安全事故,就會造成較大的人員傷亡和經濟損失,因而需要做好橋梁樁基鋼板樁圍堰施工的全過程監測,但是我國對于鋼圍堰結構施工監測仍處于摸索階段,當前常用的一些傳統監測方法存在測量范圍較小、耐久性和長期穩定性都較差等缺陷,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測手段來替代原有監測技術。分布式光纖傳感技術作為一種新型傳感技術,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點,在交通、水利、建筑、油氣、礦業等領域得到越來越廣泛的應用[5-7]。

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

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)、強風化泥質粉砂巖①、強風化泥質粉砂巖②、中風化泥質粉砂巖以及1微風化泥質粉砂巖,具體參數見表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打樁繼續下沉、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測。

表1 河床底巖層物理力學參數表

2 鋼板樁圍堰設計

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,圍堰采用鋼板樁結構型式,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,圍堰內共設置4道支撐,第1道支撐為中空設計,間距為3.5 m,第2道支撐為中空設計,間距為3.0 m,第3道支撐和第4道支撐間距增設中間對撐,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,允許最大應力273 MPa,允許最大剪應力156 MPa,允許最大抵抗彎矩516 kN·m。

圖1 鋼板樁圍堰設計平面圖(mm)

3 分布式光纖監測方案

3.1 監測樁點布設

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測,監測點布設方案見圖2。

圖2 分布式光纖測點布設示意圖(mm)

3.2 監測儀器設備

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

3.3 監測方案

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完成后,工況2是在第3層內支撐和立柱安裝后;工況3是在第 4 層內支撐和立柱安裝后;每個工況下各個監測點均進行10次測試。

布里淵散射光時域反射儀的數據采樣間距為0.25 m,測試數據包括樁身應力、樁身應變、樁身彎矩和樁身擾度。數據監測完成后,先采用小波分析對原始數據進行去噪處理,然后利用移動平均法對數據進行平滑處理,從而得到鋼板樁各種參數的變化趨勢。

4 監測結果分析

4.1 樁身應變

測試得到6#墩鋼板樁在不同工況下的應變分布曲線見圖3。由圖3可知:1號、2號和3號樁隨著開挖深度的增加,應變峰值大小逐漸增大,而應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變值,并且在支撐處會出現應變的突變情況;由于土體分布不均和每次監測時水體溫度有所區別,因此造成應變曲線呈波動狀態;當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 樁身應力

測試得到6#墩鋼板樁在不同工況下的應力分布曲線見下頁圖4。由圖4可知:當1～2道支撐施工完成后,1號樁、2號樁和3號樁的最大應力在20～30 MPa,最大應力出現在樁長約10～12 m處;當第3道支撐施工完成后,1號樁、2號樁和3號樁的最大應力分別為105 MPa、80 MPa和70 MPa,最大應力出現在樁長12～16 m處;當第4道支撐施工完成后,1號樁、2號樁和3號樁的最大應力分別為205MPa、130 MPa和150 MPa,出現在樁長12～14 m處。當4道支撐全部施工完成后,鋼板樁的最大應力為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。彎矩轉折點與實際支撐點位置基本重合,表明彎矩轉折主要是由內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旋轉現象,當進行內支撐施工時,樁身水平位移會受到限制,從而導致樁身撓度發生。監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;當第3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;當第4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的施工規范。

(a)1號樁

(b)2號樁

(c)3號樁

5 結語

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

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

(2)內支撐和基坑開挖面會造成樁身受力變形出現轉折點,合理的內支撐設置位置可以有效減小樁身的受力變形。

(3)圍堰施工完成后,應變、應力、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)分布式光纖監測受環境的影響更小,監測范圍更廣,耐久性更好,可為深水樁基圍堰提供更加精確可靠的數據,可為相關類似工程提供經驗借鑒。