李 睿， 高 原， 周 煦， 顧 嫚， 潘勁昌， 李 旭

(成都市建工科學(xué)研究設(shè)計院，四川成都 610051)

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分布式光纖感測技術(shù)在成都地區(qū)旋挖成孔灌注樁樁身內(nèi)力測試中的應(yīng)用

李 睿， 高 原， 周 煦， 顧 嫚， 潘勁昌， 李 旭

(成都市建工科學(xué)研究設(shè)計院，四川成都 610051)

采用布里淵散射光頻域分析的分布式光纖感測技術(shù)(BOFDA)在單樁豎向靜載荷試驗(yàn)的同時對旋挖成孔灌注樁進(jìn)行樁身內(nèi)力測試，通過測試得到樁身軸力分布、樁側(cè)摩阻力分布及樁端阻力的大小及分布規(guī)律，為優(yōu)化基樁設(shè)計和指導(dǎo)基樁施工提供技術(shù)依據(jù)和建議。文章的研究成果表明，成都地區(qū)軟巖中旋挖成孔灌注樁按嵌巖樁設(shè)計嚴(yán)重低估了側(cè)摩阻力的作用，有很大的優(yōu)化空間。

旋挖成孔灌注樁； 端承樁； 樁身內(nèi)力測試； 分布式光纖感測技術(shù)(BOFDA)

成都地區(qū)旋挖成孔灌注樁大量應(yīng)用于各類工程中，施工技術(shù)較為成熟，但其設(shè)計是否合理，地勘參數(shù)取值是否恰當(dāng)，特別是以軟質(zhì)巖作為樁端持力層的旋挖成孔灌注樁按嵌巖樁端承樁進(jìn)行設(shè)計，是否嚴(yán)重低估了樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，都值得研究。本文通過單樁豎向靜載荷試驗(yàn)時的樁身內(nèi)力測試，了解樁身軸力發(fā)揮機(jī)理、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力的分布規(guī)律，分析基樁承載力發(fā)揮機(jī)理，指導(dǎo)設(shè)計單位對基樁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，具有十分重要的意義。目前對樁身內(nèi)力測試的常規(guī)做法為采用振弦式鋼筋應(yīng)力計進(jìn)行測試，該方法基于應(yīng)變模式下的點(diǎn)式傳感元件,其測試結(jié)果受局部樁身性質(zhì)及傳感元件布設(shè)密度和位置所控制，同時受安裝焊接質(zhì)量、埋設(shè)過程中不易保護(hù)等因素影響，測試結(jié)果誤差較大。

基于布里淵光頻域分析的分布式感測技術(shù)(BOFDA)具有分布式測量、測試距離長、不易損壞且操作簡便等優(yōu)點(diǎn),克服了點(diǎn)式測試技術(shù)的不足，具有十分明顯的優(yōu)勢，但由于測試設(shè)備較為昂貴，在基樁的應(yīng)用中偏少。

本文以成都地區(qū)某安置房項(xiàng)目旋挖成孔灌注樁分布式光纖感測技術(shù)的成功應(yīng)用為例，介紹基于BOFDA的樁身分布式檢測的方法，分析樁身荷載傳遞規(guī)律，具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 BOFDA光纖感測技術(shù)測試樁身內(nèi)力原理

1.1 BOFDA感測原理

基于布里淵散射光頻域分布式光纖感測技術(shù)(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，簡寫B(tài)OFDA)是通過測試復(fù)雜的基帶傳輸函數(shù)來推算布里淵散射光頻移，該基帶函數(shù)和沿光纖相向傳輸?shù)谋闷止夂退雇锌怂构獾恼穹嘘P(guān)。布里淵散射光頻移同時受應(yīng)變和溫度的影響，當(dāng)光纖沿線的溫度發(fā)生變化或者存在軸向應(yīng)變時，光纖中的背向布里淵散射光頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變和溫度的變化呈良好的線性關(guān)系，因此通過測量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量就可以得到光纖沿線全程的溫度和應(yīng)變分布信息。

由光纖的一端向光纖中注入脈沖光，并在同一端用BOTDR接收布里淵背向散射光。因此由某一點(diǎn)返回的布里淵散射光到BOTDR發(fā)射端的距離可由下式計算得到：

(1)

式中：c為真空中的光速；n為光纖的折射率；T為發(fā)出的脈沖光與接收到的散射光的時間間隔。

圖1是布里淵頻移與光纖應(yīng)變之間的線性關(guān)系，線性關(guān)系的斜率取決于探測光的波長和所采用的光纖的類型，試驗(yàn)前需要對其進(jìn)行標(biāo)定。

圖1 光纖應(yīng)變計算原理

光纖的應(yīng)變量與布里淵頻移可用下式表示：

(2)

根據(jù)上述原理，只要被測基樁中埋設(shè)的光纖在荷載作用下和樁身混凝土同步應(yīng)變，即可實(shí)現(xiàn)樁身軸力分布式應(yīng)變監(jiān)測。

1.2 樁身應(yīng)力計算原理

測試得到的是光纖的軸向壓應(yīng)變ε(Z)，由于光纖固定在樁身混凝土內(nèi)，在靜載壓力下光纖軸向應(yīng)變與樁身混凝土軸向應(yīng)變一致，因此樁身混凝土的壓應(yīng)變也為應(yīng)變ε(Z)。

樁身壓應(yīng)力σ(Z)為：

σ(Z)=ε(Z)·Ec

(3)

式中：Ec為樁身混凝土的彈性模量。

樁身軸力Q(Z)為：

Q(Z)=σ(Z)·A

(4)

式中：A為樁身截面面積。

樁的荷載傳遞基本微分方程為：

(5)

式中：qs(Z)為樁側(cè)分布摩阻力；Q(Z)為樁身軸向力；U為樁身周長。

式(5)可以簡化為：

(6)

式中：ΔQ(Z)為某土層內(nèi)樁身兩截面間軸力變化量；ΔZ為該土層內(nèi)樁身兩截面間深度差。

將式(3)、式(4)代入式(6)中有：

(7)

式中：Δε為某土層內(nèi)樁身兩截面間軸向應(yīng)變變化量。

根據(jù)儀器測試光纖應(yīng)變分布結(jié)果和式(3)、式(4)、式(7)就可得所有測試結(jié)果。

計算時兩個重要參數(shù)要確定：樁身截面面積A和樁身混凝土的彈性模量E。本次測試數(shù)據(jù)分析樁身截面面積為確定值，彈性模量E確定可以根據(jù)混凝土的標(biāo)號及配筋率查詢相關(guān)規(guī)范。

2 工程案例

2.1 工程概況

成都市天府新區(qū)某安置房項(xiàng)目柱下獨(dú)立基礎(chǔ)下布旋挖成孔灌注樁，樁端持力層為中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，設(shè)計要求天然單軸抗壓強(qiáng)度值frk≥4.34 MPa，受檢試樁1和試樁2樁徑均為1.0 m，嵌巖深度為4.0 m，單樁設(shè)計承載力特征值為2 500 kN。場地內(nèi)地層自上而下分布為粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.2 旋挖成孔灌注樁BOFDA應(yīng)力檢測原理

本次測試的基樁中呈十字對稱方式，布設(shè)了5.0 mm的GFRP加筋應(yīng)變傳感光纖和金屬基索狀光纜。光纖的鋪設(shè)以鋼筋為載體，光纖被預(yù)先捆綁在鋼筋籠的主筋上。為防止在澆灌混凝土過程中混凝土對光纖的直接沖撞，光纖的布設(shè)要沿著鋼筋的側(cè)邊進(jìn)行鋪設(shè)，鋪設(shè)過程中采用定點(diǎn)捆扎方式讓光纖保持挺直。為能系統(tǒng)了解樁身應(yīng)變情況，以及保證光纖的成活率和數(shù)據(jù)的可靠性，采用U型方案鋪設(shè)，具體鋪設(shè)方式如圖2所示。

BOFDA對基樁的應(yīng)變監(jiān)測是與樁的靜載荷試驗(yàn)同步進(jìn)行的。在檢測之前先對樁身進(jìn)行初值測試，之后每加一級荷載穩(wěn)定后檢測傳感光纖應(yīng)變值，直至最大荷載。本次內(nèi)力監(jiān)測未測試卸載應(yīng)變值。

圖2 光纖鋪設(shè)方式

2.3 檢測結(jié)果分析

本次試驗(yàn)采用單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)JGJ 106-2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》，最大加載量為設(shè)計要求的單樁承載力特征值2.0倍，每級荷載沉降穩(wěn)定后進(jìn)行光纖應(yīng)變測試。靜載試驗(yàn)結(jié)果詳細(xì)Q～S曲線見圖3。

圖3 試樁Q-S曲線

某級荷載作用下，應(yīng)變總體趨勢從樁頂?shù)綐兜字饾u減小，各條測線應(yīng)變曲線在部分深度位置發(fā)生跳躍起伏。當(dāng)樁頂荷載達(dá)到最大試驗(yàn)荷載時，4條測線樁頂應(yīng)變均達(dá)到最大，但4條測線樁頂應(yīng)變大小不一，這主要是由靜載實(shí)驗(yàn)時荷載偏心所致(圖4、圖5)。

表2為試樁1和試樁2試驗(yàn)樁在各荷載級別下樁身側(cè)摩阻力計算表，并根據(jù)其表值繪制出試驗(yàn)樁各級荷載下各土層側(cè)摩阻力的發(fā)揮值圖(圖6、圖7)。

由圖8和圖9可知，試樁1和試樁2在某級荷載作用下，樁身軸力隨樁體埋深增加而不斷減小。

試樁1和試樁2樁體下部強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥巖和中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖兩層巖體在整個試驗(yàn)過程中，其側(cè)摩阻力起主要的荷載反力作用，為主要持力層。粉質(zhì)黏土在整個實(shí)驗(yàn)過程中，其側(cè)摩阻力完全發(fā)揮，分別于4 500 kN荷載和4 000 kN荷載時，開始發(fā)揮到最大，最大側(cè)摩阻力均約為90 kPa，較該項(xiàng)目巖土工程勘察報告所提建議值75 kPa有所提高，繼續(xù)增大荷載，其摩阻力增長較小。繼續(xù)增大荷載，強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥巖和中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖，隨著荷載增大其側(cè)摩阻力增長較快，側(cè)摩阻力尚未發(fā)揮完全，若繼續(xù)增大實(shí)驗(yàn)荷載，二者側(cè)摩阻力將繼續(xù)增大。

表2 試驗(yàn)樁各土層側(cè)摩阻力計算 kPa

圖5 試樁2各級荷載下應(yīng)變分布曲線

圖6 試樁1試驗(yàn)樁樁身內(nèi)力分布

圖7 試樁2試驗(yàn)樁樁身內(nèi)力分布

圖8 試樁1各土層摩阻力發(fā)揮

圖9 試樁2各土層摩阻力發(fā)揮

試樁1和試樁2測試得到的樁端阻力大小和變化趨勢見表2和圖10。在前兩級荷載(1 000 kN、1 500 kN)作用下，樁端受力較小和未受力，受樁頂荷載影響很小，樁體受荷反力基本由樁身側(cè)摩阻力提供。當(dāng)荷載達(dá)到5 000 kN，試樁1樁端荷載為934.09 kN，樁端荷載為樁頂荷載的18.68 %；試樁2樁端荷載為1 183.06 kN，樁端荷載為樁頂荷載的23.66 %。此時試樁1端阻力為1 189.92 kPa，試樁2端阻力為1 507.08 kPa，兩樁端荷載阻力未達(dá)到樁端巖體的破壞極限值，若繼續(xù)增大試驗(yàn)荷載，樁端阻力將繼續(xù)增大。本次試驗(yàn)試樁1和試樁2端阻力較小，均為端承摩擦樁。

圖10 試樁靜載荷樁端阻力變化

3 結(jié)論

(1)基于BOFDA的分布式光纖感測技術(shù)對旋挖成孔灌注樁樁身內(nèi)力測試方法是可行的，可以檢測基樁的應(yīng)變分布、變形規(guī)律、樁身軸力分布、樁側(cè)摩阻力分布、樁端阻力大小，具有分布式、長距離、抗干擾強(qiáng)、壽命長、與被檢測物同步協(xié)調(diào)性能好等優(yōu)勢。

(2)本次試驗(yàn)中兩樁樁側(cè)強(qiáng)風(fēng)化粉質(zhì)泥巖和中風(fēng)化粉質(zhì)泥巖，其側(cè)摩阻力提供反力較大，但均尚未發(fā)揮完全，若繼續(xù)增大實(shí)驗(yàn)荷載，二者側(cè)摩阻力將繼續(xù)增大；兩試樁上部粉質(zhì)黏土段側(cè)摩阻力均發(fā)揮完全，較該項(xiàng)目巖土工程勘察報告所提建議值75 kPa略有提高。

(3)當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到最大5 000 kN時，試樁1端阻力約為934.09 kN，占總荷載的18.68 %；試樁2端荷載為1 183.06 kN，樁端荷載達(dá)到總荷載的23.66 %。本次試驗(yàn)兩樁均以巖土體側(cè)摩阻力為主要反力提供，樁端提供反力相對較少，本次試驗(yàn)試樁1和試樁2為端承摩擦樁，可見成都地區(qū)按嵌巖樁設(shè)計的旋挖成孔灌注樁的承載力還有較大提升空間。

[1] 魏廣慶， 施斌， 余小奎， 等. BOTDR分布式檢測技術(shù)在復(fù)雜地層鉆孔灌注樁測試中的應(yīng)用研究[J]．工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(6).

[2] 樸春德， 施斌， 魏廣慶， 等. 分布式光纖傳感技術(shù)在鉆孔灌注樁檢測中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2008(7).

[3] 張丹，施斌，吳智深，等. BOTDR分布式光纖傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．土木工程學(xué)報，2003，36(11)：83-87.

[4] JGJ 106-2014 建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014．

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《四川建筑》編輯部

李睿(1982～)，男，工程師， 從事巖土工程設(shè)計、研究和建筑檢測鑒定工作。

TU473.1+6

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[定稿日期]2017-04-20