何 進(jìn)，郭震山

（1.山西路恒交通勘察設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030006；2.山西省交通科學(xué)研究院 巖土與地下工程山西省重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030006）

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展，一大批橋梁工程、基坑工程和邊坡工程應(yīng)運(yùn)而生。在這些工程的建設(shè)及運(yùn)營過程中，常在工程重要部位及節(jié)點(diǎn)位置布設(shè)相關(guān)監(jiān)測器件來監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)體的應(yīng)力變形，以評估工程當(dāng)前所處的安全穩(wěn)定狀態(tài)，預(yù)測未來變形發(fā)展趨勢，發(fā)現(xiàn)工程潛在的安全隱患，并進(jìn)行及時處治，進(jìn)而確保工程在建設(shè)期及運(yùn)營期的正常安全運(yùn)行。

傳統(tǒng)監(jiān)測手段多為單點(diǎn)監(jiān)測的形式，如鋼筋應(yīng)力計、應(yīng)變計、土壓力盒等，其監(jiān)測示意圖如圖1a所示。這種監(jiān)測手段比較成熟，監(jiān)測精度較高，因而被廣泛采用。然而這種監(jiān)測手段也存在一定的弊端，如只能獲取某些關(guān)鍵點(diǎn)的位移信息，對整體變形發(fā)展趨勢多采取經(jīng)驗推斷，人為因素較大，有時單通過幾個點(diǎn)的位移不能很好地反映整體變形發(fā)展情況；同時傳統(tǒng)點(diǎn)測傳感器費(fèi)用較高、成活率低、線路復(fù)雜等缺點(diǎn)，制約了其進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。隨著光纖傳感技術(shù)的逐漸成熟[1-3]，基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測手段應(yīng)運(yùn)而生，如圖1b所示。分布式光纖監(jiān)測技術(shù)具有可連續(xù)監(jiān)測、線路簡單、傳輸距離長、精度高以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于工程監(jiān)測中[4-5]。

圖1 兩種監(jiān)測方式示意圖

分布式傳感光纖可以應(yīng)用于樁基監(jiān)測工程中[6-7]，如圖2所示，將傳感光纖對稱布設(shè)在樁基主筋上，通過監(jiān)測光纖自身變形便可推算出樁基的受力變形情況。本文基于分布式傳感光纖監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，以山西省內(nèi)某在建橋梁樁基工程為依托，通過在樁基上布設(shè)分布式傳感光纖，監(jiān)測橋梁樁基在施工過程中的變形和受力變化情況，同時將其測量結(jié)果與傳統(tǒng)點(diǎn)測式測試結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)而驗證分布式傳感光纖測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖2 光纖在樁基監(jiān)測中的應(yīng)用

1 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場樁基試驗位置如圖3所示，依托工程現(xiàn)場地層主要為黃土，褐黃色，稍密，稍濕，具有Ⅲ級自重濕陷性，并夾薄層粉質(zhì)黏土。樁基持力層主要為中風(fēng)化灰?guī)r，褐灰色，結(jié)晶結(jié)構(gòu)，層理構(gòu)造，巖芯呈短柱狀。該處橋梁樁基采用人工鉆孔灌注樁，樁長30 m，樁徑1.2 m。鋼筋籠采用4段拼接而成，每段長度8 m，分段下放。

圖3 現(xiàn)場試驗場地

現(xiàn)場光纖布設(shè)主要步驟為：a）將光纖對稱布設(shè)于第一段待下放鋼筋籠主筋上，在樁底邊角位置套上PVC管做成圓角，并在兩端預(yù)留足夠的長度；b）在鋼筋籠緩慢下放過程中，依次將光纖綁扎在主筋上，光纖應(yīng)保持平直，避免折角，直至完成整個鋼筋籠長度的綁扎；c）待破除承臺樁頭后，將光纖接頭引出，進(jìn)行光纖熔接；d）建立光纖測量站，以便后期監(jiān)測讀數(shù)工作的開展。

監(jiān)測頻率采用每半月一次，同時結(jié)合實際工程進(jìn)度適當(dāng)加密監(jiān)測頻率。本文選取具有代表性的3個時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，其中2016年8月3日樁基灌注完成；2016年10月7日橋墩施做完成；2017年1月14日橋面鋪裝完成，通過提取此3次監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析樁身受力變形特性。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 光纖應(yīng)變

圖4為3次不同測量時間下的光纖應(yīng)變曲線，從圖中可看出樁身應(yīng)變大致為關(guān)于樁底的兩側(cè)不對稱曲線，均表現(xiàn)為壓應(yīng)變（應(yīng)變值為負(fù)值）。這是由于邊坡上的樁基一般同時承受豎向和橫向的雙向組合荷載作用，在豎向荷載作用下，樁基均勻下沉，此時樁身兩側(cè)應(yīng)變均為壓應(yīng)變；在橫向荷載作用下，樁基一側(cè)受壓，一側(cè)受拉，因而在組合荷載作用下，對稱布設(shè)于鋼筋籠主筋上的光纖應(yīng)變?yōu)殛P(guān)于樁底的兩側(cè)不對稱。此外，從圖中還可看出，部分區(qū)段的應(yīng)變曲線存在一定程度的不均勻波動，這主要是由于樁身材料的不均勻性造成的，可認(rèn)為樁身存在一定的施工缺陷。

圖4 光纖應(yīng)變曲線

2.2 樁身軸力

圖5為不同測量時間下的樁身軸力變化曲線，從圖中可以看出，樁頂處軸力最大，3次監(jiān)測的樁頂軸力依次為170.3 kPa、394.1 kPa和566.9 kPa，自樁頂向下樁身軸力逐漸減小。不同監(jiān)測時間下，樁身受力段長度不同，隨監(jiān)測時間的推移，樁身受力段逐漸增長，3次監(jiān)測時間下，樁身軸力減小到零的位置分別在樁頂以下22.9 m、25.8 m和30 m，說明第三次監(jiān)測時，樁體已完全發(fā)揮作用。

圖5 樁身軸力變化曲線

2.3 樁側(cè)摩阻力

圖6為樁側(cè)摩阻力變化曲線，從圖中可看出，樁身側(cè)摩阻力則沿樁身自上而下先增大后減小。3次監(jiān)測時間下的樁身最大側(cè)摩阻力分別為14.2 kPa、24.6 kPa和33.9 kPa。當(dāng)上覆荷載較小時，樁身上部側(cè)摩阻力先發(fā)揮作用，隨著荷載增加，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮長度越來越長，直到樁底。

圖6 樁側(cè)摩阻力曲線

2.4 結(jié)果對比

為驗證分布式傳感光纖監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，在樁頂下0 m、2 m、4 m、6 m和8 m位置處同時布設(shè)鋼筋應(yīng)力計，用以監(jiān)測樁身軸力變化。兩種監(jiān)測手段監(jiān)測結(jié)果列于表1，從表中可以看出，兩種監(jiān)測手段的監(jiān)測結(jié)果比較相近，具有較好的一致性，說明分布式傳感光纖監(jiān)測結(jié)果比較準(zhǔn)確。

表1 兩種監(jiān)測手段結(jié)果對比 kN

3 結(jié)論

本文通過采用分布式傳感光纖技術(shù)，對某邊坡橋梁樁基在施工過程中的受力變形進(jìn)行監(jiān)測，并將其監(jiān)測結(jié)果與傳統(tǒng)監(jiān)測方法進(jìn)行比較，研究表明分布式傳感光纖與傳統(tǒng)方法的監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性，說明將分布式傳感光纖應(yīng)用于樁基監(jiān)測中是可行的，并可作為新興監(jiān)測手段進(jìn)行推廣。