王為民 （福建省建筑工程質量檢測中心有限公司，福建 福州 350001）

1 引言

在橋梁柱基澆筑過程中，鋼筋與混凝土之間的摩擦相對較大，鋼筋表面所粘貼的應力計和應變片斷裂的概率也會隨之加大。與傳統(tǒng)檢測方式相比，FBG傳感器技術的優(yōu)點極為顯著，具體表現為高精度、耐久性強、抗干擾能力強和壽命長，目前，該技術已經在橋梁工程領域廣泛應用，且取得了良好的應用效果。因此，研究這項技術在橋梁樁基內力檢測中的應用，具有十分重要的意義。

2 FBG傳感技術的優(yōu)勢及原理

2.1 優(yōu)勢

在橋梁樁基中，鉆孔灌注樁這種結構形式十分常見，其施工質量與橋梁安全性和穩(wěn)定性存在密切的關聯。橋梁樁基作為地下隱蔽工程，施工地點主要位于地下或水下，具有現場監(jiān)控難度大的特點，再加上樁基施工工序較多，且需要密切配合，如果施工質量不達標，極易引發(fā)一系列的質量缺陷。比如：夾泥、擴徑、斷樁、縮徑等，這些缺陷的出現，會使樁身完整性和承載能力受損，因此，在施工階段，需要采取有效的技術措施，檢測鉆孔灌注樁的樁身質量。

目前，常用的檢測方法分為三種：①超聲波透射法；②靜載試驗法；③樁基動應變檢測法。就總體應用范圍來看，靜載試驗法的應用最為普遍，這種方法在應用過程中，需要將應變片和鋼筋應力傳感器埋設到樁身的不同部位，以此來獲取樁土作用規(guī)律以及荷載傳遞規(guī)律等信息。但傳感器和應變片容易在鋼筋和混凝土摩擦力的作用下斷裂，成活率偏低，且這種傳感器屬于點式傳感器，存在精度、靈敏度和抗電磁干擾能力不強的缺陷，逐漸與要求不符。而FBG傳感技術與之相比，則具有顯著的優(yōu)勢。具體表現為光纖光柵傳感器的傳輸方式，以信號傳輸為主，傳感器重量輕、體積小、抗干擾性強，在使用壽命和信號傳輸距離上的優(yōu)勢極為顯著。同時還能與粘貼物體同時變形，不會對監(jiān)測結構的材料及力學性能造成影響，屬于傳統(tǒng)點式檢測技術的進一步發(fā)展和延伸。

2.2 測量原理

3 工程案例介紹

3.1 工程概述

某單聯三跨變截面連續(xù)箱梁的長度為110m，橋梁的寬度為40m，跨徑布置為30+40+30。河道中心是布置點，共分為兩幅，分別為左幅橋和右幅橋。其中，單幅橋的寬度為20m，其中人行道為5m，車行道為13m，防撞欄為2m，三者相加為20m。橋梁工程縱斷面如圖1所示。

圖1 橋梁工程縱斷面

考慮到工程所處位置是灘涂地，碎裂狀裂隙巖在巖層中的占比較大，地基基礎較差，為保證樁基質量和完整性，因此，在正式施工開始前，需要通過靜載荷載試驗和樁身內力測試的方式，對橋梁樁基的承載性能進行明確。本文以其中某一根橋梁樁作為試驗對象，應用FBG傳感技術說明測試結果。試驗橋梁樁的混凝土強度等級為C35，其長度為2m，直徑為1.8m。

在本次試驗中，所選擇的反力裝置為壓重平臺和試驗塊，所采用的方法為慢速維持荷載，為實現對側樁頂部荷載作用下樁身應力和樁基效果的準確測量，試驗人員將20個FBG傳感器和應力計設置到主筋上，這里所說的主筋，是與鋼筋籠相對稱的主筋。出于將FBG傳感器在樁基中垂直鋪設的考慮，在固定過程中，試驗人員對傳感器進行了預拉應變的施加。與此同時，還對位于樁基底部的傳感器進行U形連接，并確保傳感器所處位置與主筋測表面相接近。對于已經鋪設的傳感器，其接線應該在橋梁樁頂端預留一定的長度，通常情況下不得小于3m。在獲取試驗數據時，所采用的裝置為光纖光柵應變采集儀。為規(guī)避混凝土養(yǎng)護破壞傳感器接線，還要對其采取有效的防護措施。

3.2 計算樁身內力的方法

在進行單樁豎向靜荷載試驗的過程中，應該在樁頂圓心位置使用千斤頂，通過這種方式，模擬荷載施加的過程，究其原因，主要是這種荷載施加方式，可以有效規(guī)避偏心現象。若樁基的長度由H表示，遵循自上而下的原則，將樁基分為x個單元，則單元長度可用公式l=H/x計算。將若干個FBG傳感器布置到樁基縱向主筋的左右側，通過測量得到的結果為樁基軸向應變。與理論力學知識相結合，可知任意深度z處的軸力可以由下述公式表示：

將樁身豎向荷載傳遞關系作為依據，可得到關系式（3）：

在公式（3）中，樁側摩擦力由qs（z） 表示；平均應變變化量由Δε表示；樁身相鄰計算單元間距由ΔZ表示。

4 試驗檢測結果分析

4.1 應變檢測結果

在不同等級荷載的作用下，FBG傳感器得到曲線如圖2所示，觀察圖片后得知，樁身兩側光纖傳感器所獲取的應變分布曲線大致相符，呈對稱關系，這表明測量區(qū)域的施工質量較高，混凝土灌注并不存在質量缺陷。同時，還能發(fā)現在部分檢測斷面上，應變分布曲線有所波動，究其原因，主要是后期注漿階段，混凝土漿液在樁土界面上流動不均勻，此外，樁身材料不均勻同樣是引發(fā)此類現象的成因。將上述公式作為依據，可以對不同的荷載等級下的樁身軸力和側摩阻力進行計算，并得到如下結論：

圖2 樁身應變分布圖

在觀察圖3和圖4可知，在相同等級荷載作用下，樁基深度與樁身軸力存在負向關聯，具體表現為樁基深度越大，軸力越小。在樁身埋深為8m時，第一個拐點來臨，其軸力快速下降，直至為零。在樁基埋深為8m范圍內，深度和軸身摩阻力的關系為正相關，但這種關系在埋深超過8m后發(fā)生了變化，在分析原因后得知，樁基埋深超過8m后，覆蓋樁基的土地會導致樁頂荷載被損耗。在荷載等級不斷增加的趨勢下，埋深不同的樁身，其軸力和摩阻力均顯著增加，但軸力曲線分布呈相反的趨勢，主要以減小為主，從側面反映出，在加載初期，樁側摩阻力的發(fā)揮并不完全，但在荷載等級增加后，摩阻力會被完全發(fā)揮?？梢姡跈z測橋梁樁基內力中運用FBG傳感技術，能夠使樁土作用規(guī)律、荷載傳遞特性被充分反映。

圖3 樁身軸力分布圖

圖4 樁身摩阻力分布圖

4.2 FBG傳感器和應力計的對比

為進一步明確FBG傳感器的應用效果，本次試驗將其與應力計測得的結果進行對比，對比結果表明，在試驗樁最大荷載時，FBG傳感器的結果與應力計測得結果大致相同，誤差≤6%，如下表所示。這表明，將FBG傳感技術應用到橋樁基內力檢測中完全可行。

FBG傳感器和應力計測得值對比

5 結論

綜上所述，在科學技術高速發(fā)展的背景下，在建筑工程中應用現代科學技術，成為了建筑技術未來發(fā)展的趨勢，FBG傳感器技術就屬于建筑技術與科學技術相融合的產物。試驗結果表明，在橋樁基內力檢測中應用這項技術，可以實現對橋梁樁身軸力和側摩阻力的準確計算，并且在計算結果上與傳統(tǒng)應力計大致相同，具備非常高的應用可行性，建議建筑行業(yè)予以重視。