呂穎釗

(杭州市公路管理局，杭州　310030)

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鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測技術要求

呂穎釗

(杭州市公路管理局，杭州310030)

摘要：樁基礎承載性能的跟蹤監(jiān)測是一個重要而復雜的問題。本文根據(jù)樁基礎長期監(jiān)測的技術特點，結合實際工程經(jīng)驗，對鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測的基本要求、監(jiān)測設備、監(jiān)測點布置、監(jiān)測元件安裝與保護、數(shù)據(jù)量測與分析等方面進行了系統(tǒng)的闡述。研究成果簡明扼要、針對性強，以期為橋梁樁基礎承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測項目提供指導。

關鍵詞：鉆孔灌注樁；承載性能；現(xiàn)場監(jiān)測；技術要求

0引言

自20世紀80年代以來，鉆孔灌注樁的使用逐漸增多，工程技術人員發(fā)現(xiàn)鉆孔灌注樁的承載力在成樁后存在隨時間變化的趨勢，并開展了一些研究和試驗。1982年，美國率先在西雅圖西線公路橋EA-31號墩進行了樁基礎承載性能的長期監(jiān)測，歷時長達20年。我國蘇通大橋較早開展了主墩群樁基礎承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測[1]。近期，錢江通道南接線工程選取了典型樁基進行了鉆孔灌注樁施工期和運營期承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測[2,3]。鑒于傳感技術發(fā)展，錢江通道南接線工程在埋設弦式鋼筋計和壓力盒的基礎上，還埋設了光纖光柵傳感器，豐富了監(jiān)測手段。依托工程實際開展樁基礎承載性能的長期監(jiān)測，不僅能促進樁基礎評價、養(yǎng)護方法的提升，也能提高新建橋梁樁基礎設計和既有橋梁樁基礎評估的針對性和合理性。對深埋在巖土層中的樁基礎承載性能進行長期監(jiān)測時，監(jiān)測工作與施工進度需緊密結合，跨越時間包含施工期與運營期，由于施工流程多，監(jiān)測環(huán)境復雜，受外界環(huán)境影響大，因此，對監(jiān)測傳感器的技術性能、環(huán)境適應性和安裝工藝以及監(jiān)測與施工協(xié)調同步等要求較高。

本文根據(jù)樁基礎長期監(jiān)測的技術特點，結合實際工程經(jīng)驗，對鉆孔灌注樁承載性能長期監(jiān)測的儀器設備、測點布置、現(xiàn)場監(jiān)測等方面進行了系統(tǒng)的總結和分析，可為橋梁樁基礎的現(xiàn)場監(jiān)測提供借鑒。

1鉆孔灌注樁現(xiàn)場監(jiān)測基本要求

樁基承載性能長期監(jiān)測工作的實施過程，主要包括技術資料收集、監(jiān)測范圍選取、監(jiān)測方案編制、監(jiān)測元件安裝與保護、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析等內容。監(jiān)測系統(tǒng)的正常運行，取決于監(jiān)測過程各階段相關工作的有效實施。

(1)技術資料收集

在監(jiān)測方案編制前，對監(jiān)測場地進行現(xiàn)場調查研究，完整收集需監(jiān)測橋梁的地質勘察、設計、施工、環(huán)境情況等資料。掌握樁基與橋梁上部結構特點、橋梁各部件的施工組織方案，了解監(jiān)測樁基周圍場地和項目的遠期規(guī)劃。

(2)監(jiān)測范圍選取

根據(jù)監(jiān)測目的、基礎類型等，選取監(jiān)測范圍。一般地，對于單排樁基礎，可選擇同一橋墩中的中樁和邊樁共2根樁基。對于群樁基礎，根據(jù)承臺下樁基分布和數(shù)量進行選取，至少包含角樁與中樁。

(3)監(jiān)測方案編制

根據(jù)前期調查資料，針對場地條件、施工方案等，制定滿足監(jiān)測要求并具有實際操作性的監(jiān)測方案，明確監(jiān)測內容、監(jiān)測方法、測點布置、人員分工、實施計劃、需有關各方配合的工作、監(jiān)測元件保護注意事項等。

(4)設備儀器配備

預埋監(jiān)測傳感器在使用前需通過標定，檢驗合格后方可安裝使用。采集測試設備按要求定期進行檢定或校準，在有效檢定或校準周期內使用。

(5)監(jiān)測元件安裝與保護

監(jiān)測元件(傳感器、導線)的安裝與保護是監(jiān)測過程的重要一環(huán)。除了要求各類人員在導線安裝、混凝土澆筑及其他作業(yè)中不能使傳感器和導線損傷外，在傳感器和導線布線時，合理的走線方式也能很好的避免導線的意外損傷。

(6)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與分析

施工期數(shù)據(jù)采集主要與樁基及以上橋梁各部件的施工節(jié)點有關，運營期采用定期方式進行數(shù)據(jù)采集。每一次數(shù)據(jù)采集應同時記錄結構施工進度、荷載狀況、環(huán)境條件等。當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應分析原因并及時復測。

2監(jiān)測設備及性能測試

監(jiān)測設備包括監(jiān)測傳感器與采集測試設備。

2.1監(jiān)測傳感器

樁基應力監(jiān)測傳感器可采用弦式鋼筋計、電阻式鋼筋計或光纖光柵鋼筋計，對于分布式光纖，由于測試精度受環(huán)境因素、信號分析儀的影響較大，建議配合以上兩種鋼筋計使用。溫度監(jiān)測傳感器可采用埋入混凝土中的光纖式溫度傳感器、熱敏電阻溫度傳感器和半導體溫度傳感器。對于應力和溫度監(jiān)測傳感器的技術要求建議如下：

(1)應力監(jiān)測的鋼筋計(弦式、電阻式和光纖光柵式)量程至少滿足±150MPa，分辨率應達到0.1MPa。

(2)鋼筋計的接頭規(guī)格與監(jiān)測樁基主筋相匹配，便于安裝。

(3)對于其他種類的應力傳感器，在進行可靠性、適用性驗證后采用。

(4)溫度傳感器的分辨率應達到0.1℃。

(5)優(yōu)先采用自帶溫度補償或溫度測試的應力傳感器。

(6)優(yōu)先采用自帶智能編碼的監(jiān)測傳感器。

(7)優(yōu)先采用長期穩(wěn)定性好的監(jiān)測傳感器。

(8)監(jiān)測傳感器及導線的水密性應滿足1MPa水壓不滲水、防潮絕緣的要求。

2.2采集測試設備

根據(jù)監(jiān)測傳感器類型，采用與其相匹配的采集測試設備，見表1。

表1　采集設備選用與要求

2.3傳感器性能測試

混凝土澆筑時，會產(chǎn)生大量的水化熱，導致構件內部局部溫度較高。水化熱引起的升溫不僅會引起傳感器密封膠的失效，也會導致傳感部件失真或失效。

現(xiàn)階段的大多數(shù)傳感器，不論是光纖傳感器，還是弦式傳感器，抗老化性能較差時，測試數(shù)據(jù)失真或根本測不到數(shù)據(jù)。根據(jù)對光纖傳感器、弦式傳感器組裝的大量試驗，提出以下傳感部件抗老化性能測試要求。

2.3.1高溫老化試驗

(1)工作內容

將光纖光柵傳感器放置于恒溫箱內進行老化試驗，恒溫箱的溫度設置為120℃，老化時間為72小時。對于弦式傳感器，也建議按上述要求進行測試。

(2)測試內容

當恒溫箱從室溫升至120℃并維持1小時時，通過解調儀測試光纖光柵的波長值λ1(弦式傳感器則通過讀數(shù)儀測得初始應變讀數(shù)ε1)。待老化試驗結束后，再測試光纖光柵的波長值λ2(弦式傳感器則通過讀數(shù)儀測得應變讀數(shù)ε2)。要求λ1與λ2的偏差小于5pm(弦式傳感器則要求ε1與ε2的偏差小于5με)；若偏差大于5pm(弦式傳感器為偏差大于5με)，則不采用。

2.3.2高低溫循環(huán)老化試驗

(1)工作內容

將傳感器放置于高低溫循環(huán)箱內進行溫度范圍-20℃～80℃的溫度循環(huán)，循環(huán)8次。循環(huán)步驟如下所示：

①以1℃/min的升溫速度，升至80℃；

②在80℃溫度下維持30min；

③以1℃/min的降溫速度，從80℃降至-20℃；

④在-20℃溫度下維持30min；

⑤再以1℃/min的升溫速度，升至80℃，以此循環(huán)。

(2)測試內容

對于光纖光柵傳感器，通過解調儀分別測試傳感器第一次與最后一次穩(wěn)定于80℃的波長值λ1、λ2，傳感器的波長值要求λ1與λ2的偏差小于5pm；若偏差大于5pm，則不采用。

對于弦式傳感器，則要求第一次與最后一次穩(wěn)定于80℃的應變值讀數(shù)ε1、ε2的偏差小于5με；若偏差大于5με，則不采用。

2.3.3穩(wěn)定性測試

(1)工作內容

將傳感器放置于經(jīng)過計量檢定的標定設備或專用設備進行穩(wěn)定性測試。

通過標定設備對傳感器進行加載，使傳感器處于滿量程狀態(tài)，維持7天。

(2)測試內容

定期(間隔1天)對傳感器的波長或應變值進行測試，要求所有測試數(shù)據(jù)與第一次測試的波長偏差不大于5pm(扣除溫度影響)或應變值偏差不大于5με。

3監(jiān)測點布置

3.1監(jiān)測點監(jiān)測項目要求

監(jiān)測點監(jiān)測項目分為樁頂受力監(jiān)測、樁身受力監(jiān)測兩大類。樁頂受力監(jiān)測可采用壓力傳感器進行監(jiān)測，樁身軸力監(jiān)測宜采用鋼筋計進行監(jiān)測。樁頂受力監(jiān)測和樁身軸力監(jiān)測可不同時進行，但開展樁身軸力監(jiān)測的樁基應同步開展樁頂受力監(jiān)測。

3.2監(jiān)測斷面

(1)樁頂受力監(jiān)測

對于樁柱式基礎，樁頂受力監(jiān)測可在同一墩位下選取中樁和邊樁進行監(jiān)測。

對于群樁基礎，應選取中樁、邊樁和角樁進行監(jiān)測。

(2)樁身軸力監(jiān)測

對于樁柱式基礎，樁頂受力監(jiān)測可在同一墩位下選取中樁和邊樁進行監(jiān)測。

對于群樁基礎，應選取中樁、邊樁和角樁進行監(jiān)測。

監(jiān)測斷面為不同土層的交界面處，距樁底、樁頂?shù)木嚯x不小于1倍樁徑。對于厚度超過10m的同一土層，等厚度增加監(jiān)測斷面，相鄰兩監(jiān)測斷面不超過5m。

3.3監(jiān)測點數(shù)量

同一監(jiān)測斷面對稱布置2～4個應力監(jiān)測傳感器。具體要求如下：

(1)樁徑小于1.0m的樁基，同一監(jiān)測斷面可布置2個。

(2)樁徑為1.0m至1.6m的樁基，同一監(jiān)測斷面宜布置3個。

(3)樁徑大于1.6m的樁基，同一監(jiān)測斷面宜布置4個。

4監(jiān)測元件安裝與保護

監(jiān)測元件(傳感器、導線)的安裝與保護是監(jiān)測過程的重要一環(huán)。除了要求各類人員在導線安裝、混凝土澆筑及其他作業(yè)中不能使傳感器和導線損傷外，在傳感器和導線布線時，合理的走線方式也能很好的避免導線的意外損傷。

4.1編制完善監(jiān)測元件安裝圖

監(jiān)測元件現(xiàn)場安裝前，應繪制詳細的傳感器布置圖和導線走線方式。包括：傳感器與每一節(jié)鋼筋籠的相對位置，傳感器與主筋的連接方式、安裝方位，導線綁扎方式、走線方向等。

4.2現(xiàn)場傳感器的檢定

技術人員對運抵現(xiàn)場的各類傳感器進行量測，檢查元件是否完好，否則重新購置。在傳感器安裝前再次進行量測，防止使用不好的元件。

4.3編制完善的導線安裝要求

編寫詳細的導線安裝要求，特別是在導線引出樁頂需要拐彎、穿越其他物體時。導線應盡量沿鋼筋安裝，不應扭曲。

導線布置應清晰，導線引出樁頂后，再次引出承臺等結構物的出口應盡量少(避免與施工作業(yè)的交叉干擾)。

(1)對所有鋼筋計進行統(tǒng)一編號，詳細記錄好每個測試點所對應的測試元件的編號。

(2)鋼筋計和導線利用鋼筋籠結構特點，鋼筋計與主筋可采用焊接或螺紋對接，焊接時，為避免鋼筋籠下放過程中鋼筋計觸碰孔壁，或導管下放過程中碰到鋼筋計，鋼筋計不能安裝在鋼筋籠徑向的主筋兩側，而應安裝在鋼筋籠環(huán)向的主筋兩側，在焊接的過程中實時對鋼筋計用水進行冷卻，避免焊接產(chǎn)生的高溫傳到鋼筋計。同樣，避免監(jiān)測導線在施工過程中出現(xiàn)破壞，監(jiān)測導線沿著鋼筋計所在的主筋側面綁扎，且導線布置在最外層螺旋筋和加強筋之間。導線成束后的直徑不能大于主筋直徑，若導線較多時，可以分成兩束分別捆綁在主筋的兩個側面上，確保導線在鋼筋籠下放過程中不受到損傷。

(3)鋼筋籠分節(jié)加工時，布置在每節(jié)鋼筋籠上的測試元件導線均比節(jié)段鋼筋籠長且呈分散分布。同一主筋不同測試斷面的傳感器導線采用膠帶捆綁成一束，便于在鋼筋籠下放時能夠快速由下面一節(jié)鋼筋籠引至上面一節(jié)鋼筋籠，節(jié)省鋼筋籠下放時間，如圖1所示。

圖1　按順序綁扎安放的導線

(4)每節(jié)鋼筋籠加工時長出的導線，捆綁成束，規(guī)則盤卷，固定在該節(jié)鋼筋籠上遠離起吊點的地方，防止鋼筋籠在轉運和起吊時損傷測試元件導線，也可將盤為一卷的導線采用尼龍袋包裝保護。

(5)用塑料扎絲捆綁導線時，需使導線保持筆直，不得有松散、成堆等現(xiàn)象。若無法避免此類現(xiàn)象產(chǎn)生，需在該位置加焊短鋼筋進行保護。

(6)所有鋼筋籠均下放完成后，將位于同一方向樁基頂部的監(jiān)測傳感器導線均引入到金屬管或PVC管中(最好采用金屬管)，金屬管的管底至少應在設計樁頂以下約1m，露出地面至少1m，長出的導線采用尼龍編織袋包裝后固定在金屬管頂端，金屬管還應與鋼筋籠綁扎牢固，在后期開挖和樁頭破除時起到保護導線的作用。安裝完成后，繪制監(jiān)測傳感器實際位置與布置圖。

(7)開挖和樁頭破除施工時，協(xié)調施工單位施工作業(yè)時不要破壞金屬管，防止里面的傳感器導線在此階段破壞，影響后期監(jiān)測效果。

(8)承臺鋼筋綁扎時，檢查引出樁頭的金屬管是否破壞，對施工破壞的金屬管進一步檢查傳感器導線是否破壞，對破壞的導線進行更換并將傳感器導線引出到承臺頂面，引出的位置避開墩身澆筑位置，并能避免后期的墩身和箱梁施工支架、模板的影響，引出的導線仍用金屬管或PVC管保護，露出承臺頂面約1m，如圖2所示。

圖2　導線引出承臺后采用PVC管保護

(9)墩身和箱梁施工階段，協(xié)調施工單位在墩身澆筑和箱梁施工過程中，注意保護好引出的導線。

5數(shù)據(jù)量測與分析

5.1數(shù)據(jù)量測

施工期數(shù)據(jù)采集主要與樁基及以上橋梁各部件的施工節(jié)點有關，運營期采用定期方式進行數(shù)據(jù)采集。每一次數(shù)據(jù)采集應同時記錄結構施工進度、荷載狀況、環(huán)境條件等。當監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，應分析原因并及時復測。

5.1.1施工期間監(jiān)測頻次。

(1)施工期間每個月至少監(jiān)測1次。

(2)傳感器安裝完成前、后均應記錄讀數(shù)。

(3)樁基混凝土澆筑完成24小時后測量讀數(shù)，并以承臺或系梁鋼筋綁扎前的穩(wěn)定讀數(shù)作為初始值。

(4)樁基頂以上每一個橋梁構件或部件施工前后測量讀數(shù)。

(5)施工期間，樁基礎以上的荷載發(fā)生明顯變化或進行特殊工序施工時，應增加監(jiān)測次數(shù)。

5.1.2運營期間監(jiān)測頻次

(1)傳感器存活期間應定期進行數(shù)據(jù)采集。第1年每3個月監(jiān)測1次，以后每半年監(jiān)測1次。

(2)運營期間，監(jiān)測橋梁遇突發(fā)性事件或樁周環(huán)境發(fā)生明顯變化，增加監(jiān)測頻次。

5.2數(shù)據(jù)分析

(1)數(shù)據(jù)處理分析時，應修正溫度影響、系統(tǒng)誤差等。

(2)根據(jù)每一次監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制樁身軸力變化圖和各土層樁側摩阻力分布圖。

(3)根據(jù)樁基礎以上荷載變化情況，與監(jiān)測結果進行對比分析。

6結語

對于橋梁結構，樁基礎的承載能力是一個重要但復雜的技術指標，通過對實體工程樁基礎從施工期到運營期進行全過程現(xiàn)場監(jiān)測，是獲得切合實際的樁基礎承載性能變化數(shù)據(jù)的有效方法。本文對樁基礎承載性能現(xiàn)場監(jiān)測的實施過程進行了系統(tǒng)的闡述，研究成果可為橋梁樁基礎承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測項目提供指導。

參考文獻：

[1]江蘇省交通科學研究院股份有限公司．蘇通大橋樁基礎軸力監(jiān)測階段分析報告[R]．南京：江蘇省交通科學研究院股份有限公司，2014．

[2]張理輕，呂穎釗，楊宇．橋梁施工全過程超長鉆孔灌注樁承載性能的現(xiàn)場監(jiān)測[J]．浙江交通職業(yè)技術學院學報，2014，15(1)：15-20．

[3]呂穎釗.加載方式對鉆孔灌注樁側摩阻力影響的現(xiàn)場監(jiān)測[J]．公路交通科技:應用技術版，2015，(5)：156-158．

Technical Requirements for Field Monitoring of Drilled Pile’ Bearing Performance

LV Ying-zhao

(Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China)

Abstract：The field monitoring of drilled pile’bearing Performance is an important and complicated problem. According to technical characteristics of drilled pile’long-term monitoring and combined with practical engineering experience, these aspects were expounded in detail such as basic requirements, monitoring equipments, monitoring stations arrangement, monitoring components installation and protection, data measurement and analysis of drilled pile’long-term monitoring. The result is concise and targeted, which can provide guidance to field monitoring of drilled pile’bearing performance.

Key words：drilled pile；bearing performance；field monitoring；technical requirement

收稿日期：2015-12-20

作者簡介：葉恒梅(1983-)，女，湖北黃石人，講師，碩士，E-mail：187213169@qq.com。

中圖分類號:U443.154?

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.01.004

文章編號：1671-234X(2016)01-0017-05