李立貢，丁　勇，馬斌斌，周克明

(1.南京理工大學 理學院，南京　210094；2.南京水利科學研究院 南京水利水文自動化研究所，南京　210012)

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基于BOTDA的深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測

李立貢1，丁勇1，馬斌斌1，周克明2

(1.南京理工大學 理學院，南京210094；2.南京水利科學研究院 南京水利水文自動化研究所，南京210012)

將BOTDA(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應用于深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測中。在基坑開挖的過程中，對樁錨支護結(jié)構(gòu)的型鋼和預應力錨索進行長期監(jiān)測，得到了型鋼的撓度分布圖以及預應力錨索的應力分布圖。基于此，分析型鋼和錨索受力變形狀態(tài)，為基坑施工提供可靠參考依據(jù)。工程實踐表明，基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)具有連續(xù)性檢測的優(yōu)點，適合應用于基坑支護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測。

深基坑支護；ESC-H鋼樁；預應力錨索；BOTDA；變形監(jiān)測

1　研究背景

隨著地下工程的發(fā)展，基坑的深度與面積隨之增加。由于深基坑工程對基坑支護結(jié)構(gòu)有更高的要求，SMW工法、地下連續(xù)墻等便是出現(xiàn)在各類基坑工程中常見的基坑支護結(jié)構(gòu)型式。其中樁錨支護則是SMW工法樁的衍生支護結(jié)構(gòu)型式。

傳統(tǒng)基坑支護的監(jiān)測手段包括測斜儀、全站儀、GPS技術(shù)等[1]。這些監(jiān)測手法共同存在的缺陷是有限的測點不能夠?qū)χёo結(jié)構(gòu)的變形進行連續(xù)的監(jiān)測，存在漏檢的可能[2]。同時其純粹的位移監(jiān)測不能對結(jié)構(gòu)受土體擠壓產(chǎn)生的內(nèi)力進行量化，變形參數(shù)單一。

BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)克服了上述傳統(tǒng)監(jiān)測方法存在的缺陷。連續(xù)地展示并量化了支護結(jié)構(gòu)工作過程中產(chǎn)生的變形情況。

本文結(jié)合霞浦某基坑工程實例，介紹了BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)應用于深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測，計算了支護中的鋼樁與錨索的應力應變情況，對樁錨支護在特定地質(zhì)條件下的適用性作出評價。

2　BOTDA技術(shù)原理

BOTDA是新興的以光為信息載體、光纖為傳感器與傳輸媒介的傳感技術(shù)。其工作原理:分別從光纖兩端注入脈沖光和連續(xù)光，制造布里淵放大效應(受激布里淵)，根據(jù)光信號布里淵頻移(由解調(diào)儀測得)與光纖溫度和軸向應變之間的線性變化關(guān)系，在溫度補償(或應變補償)條件下得到光纖應變變化量(或溫度變化量)。其應變變化量公式為[3]

(1)

式中：Δε為光纖應變量；ΔvB為布里淵頻移量(解調(diào)儀測得)；Cvt為光纖溫度系數(shù)；Cvε為光纖應變系數(shù)；Δt為溫度變化量。

更多關(guān)于BOTDA傳感技術(shù)原理以及解調(diào)儀的工作原理包括如何確定監(jiān)測點距離的檢測原理可參考文獻[4]。

3　BOTDA在深基坑樁錨支護變形監(jiān)測中的應用

3.1工程概況

本次工程為東南沿海城市霞浦的某深基坑工程，底面平均標高+6.31m，基坑開挖底部平均標高-9.5m左右，具體地質(zhì)資料如表1(只列出了與基坑深度相當?shù)耐翆拥刭|(zhì)資料)。

由于是沿海地區(qū)，該基坑土質(zhì)力學性能差，施工難度大。經(jīng)專家論證后在標高-4.2m以上采用噴漿護坡的支護型式，-4.2m以下部分采用了ESCH鋼樁+預應力旋噴錨索結(jié)構(gòu)的支護型式，如圖1所示。

表1　工程地質(zhì)資料Table 1　Engineering geological data of foundation

圖1　ESC-H鋼樁支護平面示意圖Fig.1　Plan of ESC-H steel pile support

現(xiàn)場勘察完畢后選用了圖2所示位置的組合體與典型位置的錨索分別鋪設光纖傳感器，監(jiān)測受力狀態(tài)。每個組合體包括3根型鋼、2根錨索，組合體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖2　監(jiān)測位置示意圖Fig.2　Sketch of monitoring positions

3.2傳感光纖的布設

本次基坑的支護工藝下，鋼樁埋入不需要事先成孔，而是直接將H型鋼插入原狀土中，土體中過硬的成分會影響鋪設在型鋼上光纖的保護層。

因此下樁前需要在H型鋼的翼緣和腹板的夾角處焊接直徑為6mm的U形鋼筋保護筋，保證一定的轉(zhuǎn)彎半徑使光束能夠正常通過，并留有足夠?qū)挾仁怪蔀閭鞲泄饫w的鋪設槽，如圖3。

圖3　型鋼上光纖布置Fig.3　Sketch of optical fiber on H-steel

將傳感光纖沿著預留槽孔鋪設后，用結(jié)構(gòu)膠封死，使光纖與型鋼融為一體。最后在光纖回路轉(zhuǎn)彎處焊接直徑為10mm的鋼筋進一步加強光纖的保護。

正常施工情況下，錨索與鉆桿結(jié)合旋轉(zhuǎn)注入土體,但為了保護光纖，沿著錨索鋼絞線綁扎光纖后，先用機械在指定位置鉆孔至預定深度并用水泥漿護壁成孔，然后再將錨索推入孔中[5]。同時為了防止光纖在推入土體時彎轉(zhuǎn)部分被破壞，需要在擴大頭部分焊接內(nèi)徑為8mm的鋼管，并在光纖外套上高強度橡膠管，如圖4，并用綁扎帶將傳感光纖沿錨索長度方向綁緊。

圖4　錨索上光纖布置Fig.4　Sketch of optical fiber on anchor

3.3基于應變監(jiān)測的型鋼撓度與錨索應力計算理論

在對型鋼進行撓度求解時，由于型鋼的中和軸并不都在軸線位置，可以通過以下計算來消除中和軸的影響。設y和y′分別為U形布設光纖兩邊到中和軸的距離。則兩邊光纖的應變ε和ε′分別滿足式(2)、式(3)，通過式(4)消除中和軸不確定的影響，從而求得型鋼某截面處彎矩式(5)。

(2)

(3)

Y(x)=y(x)-y′(x)，

(4)

(5)

通過對彎矩的積分可以得到型鋼撓度公式，即

(6)

式中:ω(x)為型鋼某截面處的撓度；C和D為根據(jù)邊界條件所確定的參數(shù)[6]。

對于錨索應力，只需將測得的應變εi乘以錨索鋼絞線彈性模量Es,可得到錨索某一位置上的應力，即

σi=εi·Es。

(7)

應力σ乘以面積A即可求得力，Ai為錨索界面面積，則

F=σi×Ai。

(8)

3.4監(jiān)測結(jié)果分析

本文旨在分析深基坑支護結(jié)構(gòu)在開挖過程中的變形規(guī)律。通過分析典型位置中的2#組合體中的型鋼撓度分布與錨索應力損失情況，了解型鋼在基坑開挖過程中的變形規(guī)律和錨索的應力重分布狀態(tài)。錨索張拉鎖定時的預應力損失情況如表2。錨索應變監(jiān)測如圖5。

表2　錨索預應力張拉鎖定損失Table 2　Pre-stress losses of cables

(a)M22

(b)M06圖5　應變監(jiān)測Fig.5　Strain monitoring

M22錨索周圍土體受擾動較小，以M22為研究對象，分析得出的時間效應導致的預應力損失情況見圖5(a)。

錨索穩(wěn)定后的3～5d內(nèi)預應力損失最大，約為7%，損失范圍分布在錨固點往里3～12m處，靠近自由端損失率較大。隨后錨索應變數(shù)據(jù)逐漸重合，應力分布趨于穩(wěn)定。此外M22的應變監(jiān)測圖整體上是滿足指數(shù)分布的，與理論相似[7]。而在錨固點前5m左右的應力呈上升趨勢，可以認為是由于混凝土未能充分發(fā)揮對錨索的握裹作用，在10～15m期間，應變下降明顯，說明應力集中。20～27m范圍內(nèi)的錨索應力較小，未能充分發(fā)揮承載作用。

此外分析典型位置的錨索M06的應變監(jiān)測圖，見圖5(b)可以得知，隨著時間的推移，預應力錨索的鋼絞線最大的應變值可以達到7 000 ×10-6左右。由此推斷，在軟土地基中，預應力錨索變形過大，承載力即使達到要求，錨索的安全性也存在一定風險。而且不同位置開挖到相同深度時，對應位置的鋼絞線應變差異很大，說明鋼絞線在土體內(nèi)受力不均勻，容易導致脆弱部位的錨索容易出現(xiàn)滑移。

根據(jù)2#組合體中型鋼H22內(nèi)外側(cè)應變分布圖(圖6(a)、圖6(b))得到了型鋼的撓度分布圖(圖6(c))。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，型鋼插入卵石層的底部撓度不變，說明型鋼埋設深度設計合理。隨著開挖的進行型鋼撓度由上往下呈先增大后減小的趨勢。型鋼撓度逐漸增大是由于冠梁和腰梁的約束作用，受二者影響即使相鄰很近的兩根型鋼變形也存在差異。型鋼撓度逐漸減小段則符合主動土壓力的作用規(guī)律。

(a)內(nèi)側(cè)應變分布

(b)外側(cè)應變分布

(c)撓度分布圖6　H22型鋼內(nèi)外側(cè)應變分布和撓度分布Fig.6　Distributions of internal and external strains anddeflection of H-steel

綜合分析型鋼的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，型鋼承載力受到冠梁、腰梁以及預應力錨索的發(fā)揮程度的影響，相鄰很近的2根型鋼承載力也存在很大的差異。當土體往基坑內(nèi)移動時，此位置處的型鋼亦會隨著土體滑移。而型鋼受到冠梁以及腰梁的約束作用，頂部的滑移量會小于底部的滑移量。當這部分型鋼退出工作后，相鄰的型鋼受力會急劇增大。

4　結(jié)　論

(1)深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)中，由于沒有水平支撐作用，錨索應變過大，且存在明顯的應力集中。

(2)軟土基坑中錨索張拉鎖定過程以及隨著時間推移存在明顯的預應力損失。

(3)開挖過程中，型鋼變形受冠梁、腰梁影響明顯，ESC-H鋼樁支護整體性良好。

(4)BOTDA分布式光纖監(jiān)測技術(shù)能夠測得連續(xù)的變形數(shù)據(jù)，精準地得到型鋼沿樁身長度方向以及錨索沿長度方向的應力應變信息，值得進一步推廣應用

[1]羅磊.基坑監(jiān)測技術(shù)的研究與應用[J].山西建筑,2013,39(19):65，128.

[2]丁勇,王平,何寧,等.基于BOTDA光纖傳感技術(shù)的SMW工法樁分布式測量研究[J].巖土工程學報,2011,(5):719-724.

[3]丁勇,王平,李鵬飛,等.基于BOTDA的地下連續(xù)墻分布式變形監(jiān)測技術(shù)研究[J].巖土工程學報,2014,(增刊2):500-503.

[4]丁勇.基于BOTDR的隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究[D].南京：南京大學,2005.

[5]馬斌斌.軟土基坑樁錨組合結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗研究及數(shù)值模擬分析[D].南京：南京理工大學,2014.

[6]俞設,王平,丁勇,等.型鋼水泥土梁實驗方法研究[J].地下空間與工程學報,2013,(增刊2):1845-1847.

[7]尤春安,戰(zhàn)玉寶.預應力錨索錨固段的應力分布規(guī)律及分析[J].巖石力學與工程學報,2005,(6):925-928.

(編輯：劉運飛)

Deformation Monitoring of Pile and Anchor SupportingStructure of Deep Foundation Pit Using BOTDA

LILi-gong1,DINGYong1,MABin-bin1,ZHOUKe-ming2

(1.SchoolofScience，NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2.NanjingAutomationInstituteofWaterConservancyandHydrology,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210012,China)

BOTDAdistributedopticfibermonitoringtechnologywasusedtomonitorthedeformationofpileandanchorsupportingstructureofdeepfoundationpit.Throughlong-termstrainmonitoringofH-steelandpre-stressedanchorofthesupportingstructureduringtheexcavationprocess,thedeflectiondistributionofH-steelandstressdistributionofpre-stressedanchorwereobtained.Onthisbasis,thestressanddeformationstateofH-steelandpre-stressedanchorwasanalyzed,providingreliablereferenceforpitconstruction.Engineeringpracticeshowsthatdeformationmonitoringforfoundationpit’ssupportingstructureusingdistributedopticalfibersensingtechnologybasedonBOTDAisfeasibleandhastheadvantageofcontinuousmonitoring.

deepfoundationpitsupport;ESC-Hsteelpiles;pre-stressedanchor;BOTDA;deformationmonitoring

2015-08-05;

2015-10-06

中央級公益性科研院基本科研業(yè)務費專項(Y915010)

李立貢(1991-)，男，福建寧德人，碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的研究，(電話)18013965931(電子信箱)njustding@163.com。

10.11988/ckyyb.20150654

2016,33(09):48-51

TU473.2

A

1001-5485(2016)09-0048-04