桩基静载试验中光纤应变传感技术的应用

李卫保

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西太原 030024)

1 概述

钢筋混凝土灌注工程桩施工前，必须进行试桩，为工程桩设计提供理论依据。普通的静载试验，仅能反映设计桩的单桩轴向力。但是，对于整个桩身范围内，不同深度、不同地质条件下桩的受力情况无法了解，这就使得设计时盲目的加大桩长、加大桩径来满足承载力，造成极大浪费。光纤应变传感技术在试桩试验中的应用，有效的解决了这种盲目设计的问题，为工程桩的合理选型、桩基设计的技术经济分析提供了更完善的资料，并明确工程桩施工中可能存在的技术问题，优化桩基设计，为施工提供更多依据。

光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术，具有分布式、长距离、耐久性好、抗干扰强及与被测物协调性能好等优点。

2 特点

1)传统测试仅能反映出桩轴力与桩沉降量关系曲线。本技术在原基础上，还能反映出桩任何深度的轴力及侧摩阻力，对桩的承载力反映更加完整、准确、直观;2)该施工技术的推广应用，为桩基设计提供了可靠依据，优化桩基设计，节约社会资源;3)光纤应变传感技术的应用，为桩基技术经济分析提供了依据，可预知施工中可能存在的技术问题，为施工提供了依据;4)光纤应变测试报告，为桩基研究提供了更详细的资料;5)本施工技术与静载试验同步，操作方便，全自动化。

3 适用范围

适用于钻孔灌注桩等桩基试验检测。

4 原理

光纤应变测量基于布里渊光时域反射技术BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)，利用分析光纤中后向散射光的方法测试光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗(散射)与长度的关系来测量外界信号场分布于光纤上的扰动信息。

测试仪器测试得到的数据是光纤的轴向压应变值，由于光纤固定在桩身混凝土内，在静载压力下，光纤轴向变形与桩身混凝土一致。

光纤传感技术在桩基静载试验的应用，就是在桩基施工中，预先将传感光纤沿钢筋笼主筋的侧边进行铺设，铺设时尽量保持光纤挺直，浇筑混凝土后光纤与桩成为一体。随着静载试验进行，光纤应变分析仪检测桩身范围内传感光纤的应力应变分布，采集不同深度、不同地质条件下桩身的受力状况，从而得到桩身轴力和侧摩阻力，并评价桩的承载力。

BOTDR的应变测试原理见图1。

图1 BOTDR的应变测试原理

5 工艺流程及操作要点

5．1 工艺流程

工艺流程见图2。

图2 桩基静载试验光纤应变测试工艺流程

5．2 操作要点

1)钻机成孔。施工场地平整处理，保证钻机底座场地应平整、夯实，避免在钻进过程中钻机产生沉陷。根据现场确定的测量桩位，在开挖前以桩位标志为中心，四周钉下十字桩，校正护筒定位，钻进施工。

2)光纤铺设。裸露光纤直接铺设于桩表面容易断裂，失去测试功能。测试时对光纤进行了特殊处理(即采用GFRP型光缆)，经实践证明，处理后的光纤在传感性质未受影响的前提下，其抗拉、抗折、抗冲击及防火花能力大为提高。光纤的铺设以钢筋笼主筋为载体，捆绑于其上，捆绑与吊放钢筋笼同步。为了更好地利用光纤应变检测技术反映基桩在荷载作用下的变形，需要将传感光纤与基桩紧密连接，使得两者的变形尽可能保持一致。因此，在铺设传感光纤时，铺设过程中保持光纤挺直，并沿着钢筋笼的对称主轴呈U字形铺设，而后随着后期灌注混凝土埋设在桩基中。为防止在浇灌混凝土过程中混凝土对光纤的直接冲撞，铺设的位置尽量靠近钢筋笼主筋的侧面，铺设过程中尽量让光纤保持挺直。铺设的传感光纤在桩头预留，以备后期检测时引出并接入光纤应变分析仪。为了防止后期桩头处理和养护过程中对传感光纤的破坏，在桩头处预留的传感光纤应进行特殊保护。传感光纤的铺设如图3，图4所示。

图3 光纤铺设示意图

图4 现场光纤铺设

3)应变测试。光纤应变测试对钻孔灌注桩的检测过程是与桩的静载试验同步进行的。在检测之前先对桩身进行初值测试，之后每加一级荷载稳定后对传感光纤检测一次，直至最大荷载。卸载时，每隔1 h在卸下一级荷载之前读取上一级荷载的数据，直到试验结束后3 h读取最后一次数据。最后数据处理时把每级荷载下所测的变形数据减去初始值就是桩基的变形值。

4)计算原理。测试仪器测试得到的数据是光纤的轴向压应变值，由于光纤固定在桩身混凝土内，在静载压力下，光纤轴向变形与桩身混凝土一致。因此，桩身混凝土的压应变也不变。则桩身压力σ(Z)为:

其中，E为桩身混凝土的弹性模量。则:

其中，A为桩身截面面积。

桩的荷载传递基本方程为:

其中，qs(Z)为桩侧分布摩阻力;Q(Z)为桩身轴向力;U为桩身周长。式(3)可简化为:

其中，Q(Z)为某土层内桩身两截面间轴力变化量;ΔZ为该土层内桩身两截面间的深度值。

将式(1)，式(2)代入式(4)中，得:

其中，Δε为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量。

根据仪器测试光纤应变结果，由式(1)，式(2)，式(5)就可得所有测试结果。

5)测试数据分析。a．桩身轴力计算。光纤应变测试提供桩侧摩阻力的分布状况，桩端阻力值及荷载与变形的相关关系。将测得的各荷载级别下的光纤应变与光纤初始应变之差得出桩身的各级荷载下附加应变值，与上述方法得出的桩身混凝土弹性模量相乘，计算出桩身各个截面的应力值，该值再利用测孔得出的桩身截面积来修正出桩身轴力，得出轴力分布。由于桩体在静载过程中存在一定的偏心荷载及挠曲，其桩身表现出对称性的应力应变差异，因此利用同截面两条光纤的应变数据的平均值作为计算值效果更好。b．桩身侧摩阻力计算。桩身侧摩阻力按土层进行计算，在同一土层的桩身上取能代表其段内大体趋势的一小段，得到两个横截面，利用以上轴力计算方法得出两截面上的轴力值，轴力值之差与该段内桩周边面积之比就是侧摩阻力。

图5 BOTDR检测设备

6 材料与设备

6．1 材料

光缆，本施工技术对光纤进行了特殊处理(即采用GFRP型光缆)，经实践证明，处理后的光纤在传感性质未受影响的前提下，其抗拉、抗折、抗冲击及防火花能力大为提高。

6．2 设备

1)本施工技术采用的BOTDR检测设备是日本NTT公司研制开发的AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪(见图5)。技术性能指标见表1。

2)桩基静载荷测分析仪。

3)其他设备:计算机、沉降传感器、光纤传感器、液压千斤顶等。

7 应用实例

1)工程概况。山西省电力勘测设计院综合业务楼桩基工程，共有工程桩187根，其中抗压桩147根，桩径为0．75 m;抗拔桩40根，直径0．70 m。抗压桩桩长36 m，抗拔桩桩长30 m，桩基施工工期3个月。从上至下地质为:杂填土、素填土、粉质粘土、中砂、粉土、中细砂、粉土、卵石。

表1 AQ8603主要技术性能指标

2)施工应用效果。针对试锚桩采用光纤传感技术，完整、准确测试出桩基在不同深度、不同土层，桩基轴向力及侧摩阻力。通过光纤检测报告，设计单位在满足基桩承载力的前提下，修订了桩的有效长度。该桩基工程经测试，桩身承载力满足设计要求。光纤传感技术在桩基静载试验中的应用，取得了较好的社会经济效益，获得了业主、监理和设计单位的一致好评。