馬加驍 張明義② 王永洪②

（①青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，青島266033，中國）

（②山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，青島266033，中國）

0 引 言

預(yù)應(yīng)力高強度混凝土管樁（Prestressed High Strength Concrete Pipe Pile，簡稱PHC管樁）采用鋼筋先張預(yù)應(yīng)力、樁身高速離心成型工藝，經(jīng)高溫高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)而成的中空鋼筋混凝土管樁。PHC管樁具有成樁效率高、樁長控制靈活、豎向承載力高、造價經(jīng)濟、應(yīng)用范圍廣等諸多優(yōu)點，在工民建、市政、橋隧、港口等工程領(lǐng)域中備受青睞（Coyle et al.，1966；Bueland，1973；Fleming，1992；張明義，2004）。

自1884年，Hennegue采用混凝土研制成樁，混凝土樁基首次出現(xiàn)。1906年，德國工程師在混凝土樁中埋入箍筋，提高了混凝土樁的承載能力。1915年，W.R.Hume將離心技術(shù)運用到混凝土樁制作工藝中，使混凝土更加密實，進(jìn)一步提高了樁的承載能力。隨后，日本在1934年用離心法研制出環(huán)形混凝土樁，并于1962年首次將預(yù)應(yīng)力工藝應(yīng)用于環(huán)形混凝土樁，經(jīng)過多次工藝改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新，至20世紀(jì)60年代末，成功研制出PHC管樁。與國外相比，我國混凝土管樁行業(yè)起步較晚，在20世紀(jì)40年代、60年代成功研制出鋼筋混凝土離心管樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，于80年代末引進(jìn)了日本PHC管樁的生產(chǎn)工藝。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加速，PHC管樁行業(yè)快速發(fā)展，生產(chǎn)工藝也逐漸改善。如今，PHC管樁已被廣泛應(yīng)用于各工程領(lǐng)域中。

為進(jìn)一步提升PHC管樁的承載性能、優(yōu)化設(shè)計參數(shù)、提高經(jīng)濟效益，需對PHC管樁的樁身受力情況進(jìn)行更為深入的研究。但是，測試過程中存在傳感器安裝困難、存活率低、樁身破壞大、數(shù)據(jù)精確性低等難點，且與樁身的受力情況、制作工藝、沉樁方式、管 壁 結(jié) 構(gòu) 等 因 素 有 關(guān) （Nicolaa et al.，1999；Yasufuku et al.，2001；Budek et al.，2008；寇海磊等，2014）。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用多種卓有成效的測試技術(shù)對PHC管樁樁身受力特性進(jìn)行了研究，并取得了諸多成果。根據(jù)瑞士K.Kovari教授提出的概念結(jié)合新興測試技術(shù)，將現(xiàn)有PHC管樁樁身受力測試技術(shù)分為點法監(jiān)測、線法監(jiān)測、全分布式光纖監(jiān)測、準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測。本文將從這4類測試技術(shù)的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀、傳感器安裝方法及其優(yōu)缺點進(jìn)行總結(jié)性介紹，并對相關(guān)測試技術(shù)的發(fā)展及研究方向進(jìn)行展望。PHC樁工藝改進(jìn)、傳感器安裝方法創(chuàng)新、多種測試技術(shù)結(jié)合、測試數(shù)據(jù)優(yōu)化、探尋新的測試技術(shù)將是未來的研究熱點。

1 點法監(jiān)測

點法監(jiān)測是只能對PHC管樁樁身測試元件埋設(shè)處的應(yīng)力－應(yīng)變信息進(jìn)行測量的監(jiān)測方法，此類監(jiān)測方法的原理簡單、技術(shù)成熟、操作簡便、容錯率高，但存在測量精度低、漂移量大、以點概面等缺點，常用的監(jiān)測元件有鋼筋計、應(yīng)變片、土壓力盒等。

1.1 鋼筋計監(jiān)測

PHC管樁中常用振弦式鋼筋計，振弦式鋼筋計是其內(nèi)部鋼弦張力變化，引起鋼弦自振頻率的改變，通過傳感器測定其頻率的變化可得到所測鋼筋的應(yīng)力－應(yīng)變。根據(jù)樁身混凝土和鋼筋計共同受力且應(yīng)變相等的變形協(xié)調(diào)條件，可推算樁身軸力分布及不同位置處的樁側(cè)摩阻力，PHC管樁中鋼筋計的安裝方法可分為填芯法和預(yù)埋法。鋼筋計的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。鋼筋計鋼弦的自振頻率與鋼弦受力的基本關(guān)系為式（1）：

式中：f為鋼弦振動頻率；L為鋼弦有效長度；σ為鋼弦應(yīng)力；ρ為鋼弦材料的密度。

表1 鋼筋計的主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of reinforcement meter

填芯法是利用PHC管樁樁身的空芯，將鋼筋計按設(shè)計位置安裝于鋼筋籠上后填置于PHC管樁空芯中，填充混凝土使鋼筋計和管樁變形協(xié)調(diào)。施峰（2004）將鋼筋計安裝于樁頂、樁端和土層分界面所對應(yīng)的鋼筋籠上，鋼筋籠置入管芯內(nèi)注入C40混凝土振搗密實后測試效果良好。蘇振明（2005）對8根PHC管樁進(jìn)行破壞荷載試驗，采用填芯法并對鋼筋計和屏蔽電纜采取可靠防潮絕緣措施，通過鋼筋籠上的鋼筋計測量標(biāo)定斷面受力，得到管樁的極限側(cè)摩阻力和極限端阻力。張忠苗等（2008）同樣利用PHC管樁的空芯填置帶有鋼筋計的鋼筋籠，填充C60混凝土振搗密實，考慮開閉口影響在樁端、樁頂未填充混凝土，經(jīng)試驗測得PHC管樁的承載力比靜力經(jīng)驗公式高18.53%，并且將PHC與方樁靜載試驗進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)PHC管樁與方樁的端阻變化規(guī)律相同，但PHC管樁的端阻明顯高于方樁（圖1）。對于優(yōu)化PHC管樁設(shè)計、指導(dǎo)工程樁型選擇具有重要意義。

圖1 各試樁端阻比變化Fig.1 Curves of share of base resistance of test piles

預(yù)埋法是將鋼筋計預(yù)先安裝于PHC管樁的鋼筋籠上，再進(jìn)行澆筑、離心、養(yǎng)護(hù)等制作工藝。蔡健等（2006）和周萬清等（2007）在PHC管樁中預(yù)埋鋼筋計，分別在樁身布設(shè)了43層、34層測試斷面，管樁采用水養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)結(jié)合的養(yǎng)護(hù)方法提高鋼筋計存活率，對深厚軟土地區(qū)中PHC管樁的受力特性進(jìn)行研究。潘艷輝等（2007）對鋼筋計的預(yù)埋安裝方法進(jìn)行了研究，詳細(xì)介紹了鋼筋計安裝、施工、監(jiān)測的方法，提出了提高預(yù)埋鋼筋存活率的可行性建議，探究了靜力觸探與PHC管樁承載力間的預(yù)估關(guān)系，對PHC管樁中鋼筋計的高效應(yīng)用具有很好的借鑒意義。黃良機等（2008）在超長PHC管樁的生產(chǎn)過程中將鋼筋計預(yù)埋于管樁鋼筋籠上，對高應(yīng)變下管樁的荷載－位移曲線進(jìn)行動靜對比研究，鋼筋計在高應(yīng)變下的測試效果良好。吳躍東等（2015）采用鋼筋計預(yù)埋法并結(jié)合出線頭支托防護(hù)、信號線內(nèi)側(cè)布線、控制鋼筋籠吊點、控溫養(yǎng)護(hù)等行之有效的方法，使PHC管樁內(nèi)鋼筋計存活率達(dá)到100%。

填芯法與預(yù)埋法相比操作方便、鋼筋計的存活率明顯提高，但是填芯法使鋼筋計與樁身的變形協(xié)調(diào)存在差異、改變了樁身彈性模量及樁端開口性狀，影響測量精度。

1.2 應(yīng)變片監(jiān)測

應(yīng)變片是利用電阻應(yīng)變原理制成的測試元件，內(nèi)部金屬構(gòu)件應(yīng)變及溫度變化會引起阻值變化，通過測量阻值變化量得到所測應(yīng)力，應(yīng)變片需通過溫度補償消除溫度改變產(chǎn)生的附加誤差，常用的方法有使用溫度自補償應(yīng)變片和橋路補償。應(yīng)變片可應(yīng)用于PHC管樁樁身受力特性的測試，但存在很大局限性。應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of strain gauge

冷伍明等（2004）和律文田等（2006）為解決PHC樁身表面粘貼的應(yīng)變片在沉樁過程中易損壞的問題，發(fā)明了一種新的應(yīng)變片預(yù)埋方法，在PHC管樁制作過程中預(yù)先埋設(shè)工字鋼板并預(yù)留穿線孔洞，成樁后在鋼板表面粘貼應(yīng)變片、加蓋保護(hù)層（圖2）。阮翔（2011）、史永強等（2012）采用內(nèi)貼法將應(yīng)變片粘貼于每節(jié)PHC管樁距兩端300 mm處的內(nèi)壁上并用津環(huán)氧樹脂的紗布進(jìn)行保護(hù)，每個測試截面在樁身上粘貼12個應(yīng)變片（圖3）。應(yīng)變片雖安裝簡單、造價較低，但在PHC管樁中安裝位置受限不能對重點部位進(jìn)行監(jiān)測，在PHC管樁中的應(yīng)用較少。

圖2 預(yù)制管樁應(yīng)變片安裝示意圖Fig.2 Pre-embedded parts of strain gauges in precast pile

1.3 土壓力盒監(jiān)測

PHC管樁樁身內(nèi)力監(jiān)測中常采用振弦式土壓力盒，其工作原理與振弦式鋼筋計類似，受力時感應(yīng)板變形引起盒內(nèi)鋼弦振動頻率的改變，通過傳感器監(jiān)測鋼弦頻率變化，得到樁身所受的土壓力值，土壓力盒因安裝困難在PHC管樁樁身的測試中應(yīng)用較少。土壓力盒的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

圖3 樁壁內(nèi)應(yīng)變片粘貼示意圖Fig.3 Schematic diagram of strain gauge in pile wall

表3 土壓力盒的主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of earth pressure cell

陳福全等（2002）使用樁端預(yù)埋法，在管樁制作過程中將土壓力盒預(yù)埋于樁端，對5根管樁進(jìn)行靜載試驗量測其樁端力、樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律。冷伍明等（2004）借鑒其應(yīng)變片的預(yù)埋方法，在管樁制作過程中在管壁上預(yù)埋圓木塊、穿線孔，成樁后在預(yù)定位置處安裝土壓力盒并涂抹環(huán)氧樹脂，對管樁的側(cè)向土壓力進(jìn)行檢測（圖4）。張忠苗等（2011）將特制的土壓力盒對稱安裝于樁端，在管樁內(nèi)壁焊接鋼管穿入測線，防止測線被土體破壞，用以研究PHC管樁端阻與土塞效應(yīng)的相關(guān)性（圖5）。土壓力盒的安裝方法較為繁瑣，對樁身受力的監(jiān)測的全面性較差，所以在PHC管樁中土壓力盒的應(yīng)用較少。

圖4 樁側(cè)土壓力盒安裝示意圖Fig.4 Installed sketch of earth pressure cell in pile wall

2 線法監(jiān)測

圖5 樁端土壓力盒安裝示意圖Fig.5 Installed sketch of earth pressure cell at pile tip

線法監(jiān)測克服了點法監(jiān)測的局限性，可對測量線上的位移信息進(jìn)行連續(xù)精準(zhǔn)的監(jiān)測，與傳統(tǒng)測試技術(shù)相比在監(jiān)測精度、可靠性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性上有較大的提升，但測管的安裝要求高、監(jiān)測成本高。基于線法原理，蘇黎世瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院研制的滑動測微計、三向位移計可應(yīng)用于PHC管樁樁身受力的線 法 監(jiān) 測 （Kovari et al.，1974；Carvalho et al.，1977；Kovari et al.，1977，1983）?；瑒訙y微計和三向位移計的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 滑動測微計和三向位移計的主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of sliding micrometer and three displacement meter

滑動測微計是在樁身上設(shè)置的環(huán)形測標(biāo)，通過球錐定位原理用探頭監(jiān)測測標(biāo)間的位移情況，記錄每級加載后管樁的應(yīng)變值可計算樁身軸力及側(cè)摩阻力，且探頭具體溫度自補償功能。三向位移計與滑動測微計工作原理相同，但測頭增加了兩個傾斜傳感器，可以監(jiān)測所測結(jié)構(gòu)的徑向位移。管樁軸力的計算公式為式（2），管樁單位側(cè)摩阻力的計算公式為式（3）：

式中：Ni為樁身i截面軸向力；Eg為樁身鋼筋彈性模量；Eh為樁身混凝土彈性模量；Agi為樁身i截面的縱向鋼筋總面積；Ahi為樁身i截面混凝土截面積；εi為樁身i截面的應(yīng)變值。

式中：Ni為樁身i軸向力；Di為樁身i截面直徑；h為兩截面的間距。

劉爭宏等（2010）提出了三向位移計及滑動測微計在PHC管樁中的合理安裝方法，采用填芯法通過扶正器將測管固定于管樁軸心，再澆筑含膨潤土的水泥漿使測管與管壁的變形協(xié)調(diào)，測得天然工況及浸水工況下樁身承載特性及濕陷性黃土中PHC管樁的沉降與樁身壓縮的關(guān)系。此工況下管樁不符合等代墩基法剛性體的假定，對優(yōu)化濕陷性黃土地區(qū)PHC管樁的設(shè)計具有參考價值。劉飛等（2011）使用測管安裝垂直要求較低的滑動測微計，用上述填芯法將其固定于管樁空芯內(nèi)，對載荷試驗中PHC管樁的軸力及側(cè)阻力進(jìn)行了監(jiān)測。

上述點法、線法的相關(guān)傳感器較為常見，樁身受力的監(jiān)測不僅受傳感器本身優(yōu)缺點的影響，傳感器的安裝方法對樁身受力監(jiān)測的影響同樣不容忽視，各傳感器安裝方法的優(yōu)缺點分析如表5所示。

表5 安裝方法優(yōu)缺點對比Table 5 Advantages and disadvantages of installation methods

3 全分布式光纖監(jiān)測

全分布式光纖監(jiān)測是基于OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）原理，使光纖兼具傳感監(jiān)測與數(shù)據(jù)傳輸功能，在監(jiān)測區(qū)布設(shè)光纖形成分布式光纖傳感系統(tǒng)，通過解調(diào)儀對該區(qū)域的應(yīng)力－應(yīng)變情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測（Horiguchi et al.，1989；苗鵬勇等，2017）。分布式光纖傳感系統(tǒng)具有耐久性強、量測精度高、監(jiān)測全面等優(yōu)勢，在PHC管樁樁身受力監(jiān)測中被廣泛應(yīng)用，但也存在光纖易斷、經(jīng)濟性差、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜等問題，基于布里淵散射原理的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)可分為BOTDR、BOTDA、BOFDA（Glisic et al.，2002；Ohno et al.，2002；施斌，2017）。

3.1 BOTDR監(jiān)測

BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflector）又稱布里淵時域反射計，是在光纖一端注入泵浦光脈沖，自發(fā)布里淵散射向背向傳輸信號，光纖應(yīng)變及溫度變化會改變背向散射光的頻率，通過干涉儀、MZI等檢測儀器的濾波作用篩選出背向散射光的漂移量，進(jìn)而推算出光纖的軸向應(yīng)變及PHC管樁的受力狀態(tài)（Kurashima et al.，1993；Kee et al.，2000）。BOTDR基本原理如圖6所示。背向布里淵散射光頻率的漂移量與光纖應(yīng)變值間的比例關(guān)系為式（4）：

式中：v（ε）為發(fā)生應(yīng)變時布里淵散射光頻率的漂移量；v（0）為無應(yīng)變時布里淵散射光頻率的漂移量；ε為光纖的應(yīng)變量。

圖6 BOTDR原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of BOTDR

施斌（2006）為研究淮南田集電廠擬建工程中PHC管樁沉樁樁身破壞的問題，采用刻槽法在樁身表面上呈十字狀預(yù)埋2道U型光纖，樁端附近呈環(huán)狀埋設(shè)6道光纖，分別監(jiān)測PHC管樁的軸向和徑向應(yīng)變，成功測得樁尖處的土塞作用使樁身在反彎點處發(fā)生破壞。邢皓楓等（2009）借助某電廠PHC管樁加固古河道地基項目，將光纖在管樁制作過程中呈U型對稱預(yù)埋于樁身，采用的光纖經(jīng)特殊處理擁有較好的力學(xué)性能以確保光纖在測試過程中不被損壞，通過BOTDR采集埋設(shè)光纖的數(shù)據(jù)信息，測得試樁過程中各級荷載下樁身受力狀態(tài)與沉樁深度的變化規(guī)律，測試效果良好。魏廣慶等（2009）使用樁身開槽的方法埋設(shè)光纖，在光纖上加蓋高彈模膠合劑粘合和緩沖保護(hù)材料，對靜載荷試驗下樁身的受力狀態(tài)進(jìn)行測試，分析了此方法的誤差來源及不足，并提出了多項優(yōu)化措施。

3.2 BOTDA監(jiān)測

BOTDA（Brillouin Time Domain Analysis）由Horiguchi et al.（1990）首次提出，又稱受激布里淵時域分析技術(shù)。通過在光纖的兩端分別注入泵浦光和連續(xù)光，當(dāng)兩束光的頻差符合布里淵頻移時弱的泵浦信號被放大，通過對光纖中耦合連續(xù)光的功率進(jìn)行監(jiān)測可得到光纖埋設(shè)處PHC管樁的應(yīng)變信息（Kishida et al.，2004；Li et al.，2008； 施 斌 等，2018）。為進(jìn)一步提高監(jiān)測的空間分辨率和測量精度，加拿大教授Bao et al.（1995）在光纖中注入預(yù)泵浦脈沖光，通過近似洛倫茲型分布的布里淵增益譜分析可得光纖監(jiān)測處的應(yīng)變信息，稱為PPP-BOTDA（Pulse-prepump Brillouin Optical Time Domain Analysis）技術(shù)（Bao et al.，1995；Kalosha，2006）。PPP-BOTDA基本原理如圖7所示。

圖7 PPP-BOTDA原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of PPP-BOTDA

李忠義等（2014）采用填芯法研究PHC管樁在水平荷載下的受力特性，通過焊接梯形鋼筋架，將監(jiān)測光纖用粘合劑、鎧裝保護(hù)套固定于鋼筋架內(nèi)側(cè)，后填置于PHC管樁的空芯中，澆筑C50細(xì)石混凝土使樁身與監(jiān)測光纖的應(yīng)變耦合，經(jīng)測試所埋設(shè)光纖的成活率較高。童恒金等（2014）基于BOTDA技術(shù)精度高、分布式的特點，采用上述方法在樁身空芯中埋設(shè)監(jiān)測光纖，結(jié)合樁身外側(cè)位移傳感器、室內(nèi)模型試驗對PHC管樁在水平荷載下的樁身受力及撓曲變形進(jìn)行監(jiān)測，取得了較為理想的監(jiān)測效果。江宏（2011）首次將PPP-BOTDA技術(shù)用于樁身應(yīng)變監(jiān)測，其在塑料管上開槽用膠合劑將監(jiān)測光纖呈U型固定于管內(nèi)，與滑動測微計、測微管一同送入PHC管樁空芯內(nèi)，填充混凝土使測試元件與樁身應(yīng)變相同。通過試驗證明在光纖中注入階梯式脈沖光能明顯提高測試精度和空間分辨率，如實測曲線所示此方法能監(jiān)測整樁的應(yīng)變規(guī)律、接樁位置清晰且滑動測微計的測試結(jié)果具有較好的一致性，為PPPBOTDA技術(shù)推廣應(yīng)用提供了實測依據(jù)，樁身實測曲線如圖8所示。

圖8 樁身實測應(yīng)變分布曲線Fig.8 The strain distributing chart

3.3 BOFDA監(jiān)測

BOFDA（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）受激布里淵頻域分析技術(shù)由德國學(xué)者Garus et al.（1997）首次提出，BOFDA是光纖中注入連續(xù)泵浦光和斯托克斯光，通過監(jiān)測兩束光之間的頻差，利用基帶傳輸函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)可得到頻移、溫度和應(yīng)變的線性關(guān)系，利用褶積變換過程能優(yōu)化測試精度及空間分布率（Garus et al.，1996；Brown et al.，2007；Bernini et al.，2012）。BOFDA基本原理如圖9所示。

圖9 BOFDA原理示意圖Fig.9 Schematic diagram of BOFDA

王興等（2015）通過試驗驗證了BOFDA技術(shù)的空間分布率較高，結(jié)合鋼筋計對試樁過程中BOFDA監(jiān)測技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析，實測數(shù)據(jù)表明BOFDA作為一種新的監(jiān)測技術(shù)具有較高的精確性、較好的空間分布率，可應(yīng)用于PHC管樁的內(nèi)力監(jiān)測中?？婇L健等（2018）為克服海上超長PHC管樁內(nèi)力監(jiān)測的諸多難題，采用強度較高的金屬基應(yīng)變光纖呈十字形埋設(shè)于PHC管樁的4條主筋上，對樁端的傳感光纖及引線加以保護(hù)后澆筑成樁，利用BOTDA技術(shù)對靜載試驗下PHC管樁的內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測，安裝過程如圖10所示。

圖10 光纖安裝示意圖Fig.10 Optical fiber installation diagram

由于布里淵散射對應(yīng)變和溫度交叉敏感，需進(jìn)行溫度補償分離溫度對監(jiān)測的影響，目前，PHC管樁監(jiān)測中常用的溫度補償方法有：加裝溫補光纜隔離應(yīng)變影響只監(jiān)測溫度響應(yīng)，直接扣除溫度影響；通過測溫傳感器測量溫度，通過布里淵散射與應(yīng)變和溫度間的關(guān)系式扣除溫度影響，進(jìn)行間接溫度補償?shù)取?/p>

4 準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測

FBG（Fiber Bragg Grating）光纖布拉格光柵，通過在光纖主體材料中摻入微量光敏性元素改變折射率而制成的一種能反射特定波長光的光學(xué)傳感器。自1989年，Morey首次將光纖光柵應(yīng)用于監(jiān)測以來，因其精度高、漂移小、穩(wěn)定性強等諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于土木工程、地質(zhì)工程、航天工程等眾多工程監(jiān)測中（Rao，1999；Li et al.，2004；Kister et al.，2007）。Prohaska et al.（1992）、Sylvain et al.（1997）、Nellen et al.（1999）、Chan et al.（2006）等學(xué)者對FBG在土木監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，將不同中心波長的FBG連接成多個光柵形成準(zhǔn)分布式FBG監(jiān)測網(wǎng)，成功應(yīng)用于PHC管樁的樁身受力監(jiān)測中。

FBG傳感的工作原理為應(yīng)變、溫度的改變引起FBG反射光中心波長的變化，通過監(jiān)測波長的漂移可得所測建（構(gòu)）筑物的物應(yīng)變。反射光中心波長λB、纖芯折射率neff、光柵柵距Λ之間的比例關(guān)系式為式（5）：

應(yīng)變、溫度的改變能使FBG的中心波長產(chǎn)生漂移，聯(lián)立后的計算公式為式（6）：

式中：ΔλB為中心波長漂移；λB為反射光中心波長；Kε為應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù)；KT為光柵溫度傳感靈敏度系數(shù)；Δε為軸向應(yīng)變變化量；ΔT為溫度變化量。FBG基本原理如圖11所示。

圖11 FBG原理示意圖Fig.11 Schematic diagram of FBG

FBG的中心波長漂移受應(yīng)變、溫度的雙重影響，應(yīng)進(jìn)行溫度補償提高監(jiān)測精度。目前常用于PHC管樁監(jiān)測的溫度補償方法有：在光纖上串聯(lián)溫度補償光柵或安裝FBG溫度計，從而隔離溫度影響；使用低溫敏FBG傳感器，實現(xiàn)溫度補償；FBG結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，扣除溫度影響。

馮春等（2009）進(jìn)行了FBG在打入樁中的埋設(shè)工藝試驗研究，提出采用防振黏扣包裹法蘭接頭和減振套管套裝數(shù)據(jù)連接線的方法對易損處加以保護(hù)。為驗證減振措施的可行性，設(shè)計并進(jìn)行了現(xiàn)場打樁試驗、室內(nèi)簡支梁錘擊試驗和黏扣的減振性能試驗，試驗結(jié)果表明減振后振幅減小50%，如圖12所示。此試驗確定了使用刻槽法所安裝FBG的易損位置，提出了行之有效的保護(hù)措施，為提高FBG在PHC管樁中的存活率提供了可借鑒的經(jīng)驗。秋仁東等（2013）為研究水平荷載下PHC管樁的受力特性，采用抗拉、抗折性能較好的管片封裝FBG，通過樁身刻槽、槽內(nèi)清理、對位安裝、封膠保護(hù)的方法將其埋設(shè)于PHC管樁樁身，分別采用錘擊和靜壓法沉樁后對6根管樁施加單向多循環(huán)荷載，試驗證明埋設(shè)的47個FBG傳感器存活率高達(dá)100%且能對樁身受力狀態(tài)進(jìn)行精密監(jiān)測，安裝過程如圖13所示。王永洪等（2018）在PHC管樁制作過程中采用夾持件、附加鋼筋將FBG傳感器固定于主筋上，通過安裝鎧裝光纜、安設(shè)十字鋼箍、套裝不銹鋼軟管提高FBG的存活率，預(yù)埋的FBG傳感器經(jīng)過離心、蒸養(yǎng)、沉樁等工序后僅1個FBG失效。

圖12 未減振與減振時加速度傳感器的時域圖Fig.12 Acceleration vs time before and after protection measures

圖13 FBG安裝示意圖Fig.13 FBG installation diagram

分布式、準(zhǔn)分布式傳感器較易損壞，應(yīng)采取保護(hù)措施提高其存活率。刻槽法對傳感器損壞相對較小，在試驗中可采用強度較高的單模緊套光纜、管片封裝式FBG，使用高強膠劑封裝等方法加以保護(hù)。預(yù)埋法對傳感器的安裝要求更高，在采用金屬基光纜、封裝式FBG等方法的基礎(chǔ)上，還應(yīng)對法蘭接頭、樁底、樁端等易損位置加裝金屬或PVC套管、包裹緩沖材料、支撐十字鋼箍以提高傳感器存活率。監(jiān)測技術(shù)本身的優(yōu)缺點如表6所示。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié) 論

PHC管樁具有承載力高、經(jīng)濟環(huán)保、靈活高效等諸多優(yōu)點在工程領(lǐng)域中備受青睞，國內(nèi)外學(xué)者將多種測試技術(shù)用于PHC管樁樁身受力監(jiān)測中。本文對目前用于PHC管樁樁身受力的監(jiān)測技術(shù)及方法進(jìn)行了梳理，主要可歸納總結(jié)為：

（1）對點法監(jiān)測、線法監(jiān)測、分布式光纖監(jiān)測、準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測技術(shù)的原理、相關(guān)傳感器的主要技術(shù)參數(shù)、安裝方法、保護(hù)措施及溫度補償方法進(jìn)行歸納，討論了現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)及相關(guān)傳感器的優(yōu)缺點，并對傳感器的安裝方法進(jìn)行了分析對比。

（2）與點法監(jiān)測、線法監(jiān)測相比，分布式光纖監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變分布監(jiān)測、有較高的精度、能避免監(jiān)測以點概面，對于研究PHC管樁的樁身應(yīng)力分布及變化規(guī)律應(yīng)優(yōu)先選用分布式光纖監(jiān)測。對于研究PHC管樁樁身重點部位的應(yīng)變變化規(guī)律，應(yīng)優(yōu)先選用能動靜態(tài)監(jiān)測且精度較高的準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測。

（3）分布式光纖監(jiān)測、準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測的傳感器體積小、數(shù)據(jù)線少易于安裝。在采取保護(hù)措施保證傳感器存活率的前提下，預(yù)埋法的傳感器與樁身耦合較好、對PHC樁身質(zhì)量的影響較小，應(yīng)優(yōu)先選用。

5.2 展 望

雖然PHC管樁的制作工藝已較為成熟，監(jiān)測技術(shù)日趨完善、不斷創(chuàng)新，傳感器性能持續(xù)提升，安裝方法選擇多樣，但仍存在不足之處，需進(jìn)一步研究：

（1）現(xiàn)有各種監(jiān)測技術(shù)優(yōu)缺點并存，整合使用多種監(jiān)測技術(shù)如FBG-BOTDA、FBG-BOTDR，進(jìn)行聯(lián)合交叉監(jiān)測，能優(yōu)勢互補，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

（2）PHC管樁復(fù)雜的制造工藝流程易損壞預(yù)埋的傳感器，影響監(jiān)測效率，提高測試成本。在保證PHC管樁承載力、耐久性等工作性能的前提下，進(jìn)一步改進(jìn)工藝流程如采用特種混凝土、聚羧酸減水劑等方法制備免蒸壓混凝土提高預(yù)埋傳感器的存活率。

（3）傳感器安裝方法中刻槽法所占比重較大，但膠合劑與PHC樁身彈性模量的差異，是否影響傳感器與樁身的變形耦合，及其對實測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的影響需進(jìn)一步探究。

（4）分布式光纖監(jiān)測、準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測對溫度應(yīng)變交叉敏感，應(yīng)探索有效易行的新溫度補償方法如改進(jìn)頻率分析算法、結(jié)合拉曼傳感、采用特種光纖等。