预应力管桩承载力测试技术的研究

聂 俊 易丽丽

(1.广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广东广州 510440;2.北京迈达斯技术有限公司广州分公司，广东广州 510000)

0 引言

预应力混凝土管桩具有质量稳定可靠、桩身混凝土强度高、耐锤打性好、施工周期短、对环境影响小、单位承载力造价低等优点，近几年已被广泛应用于建筑物和构筑物的基础工程中[1]。但桩基工程是一种隐蔽性工程，在复杂地质条件下，其施工质量控制难度较大，施工不当容易产生各种质量缺陷，影响桩身的完整性和单桩的承载能力。因此，对桩基成桩质量的检测评估是桩基工程中一项必不可少的工作，也是技术难度较大的一个环节[2]。

目前，常用的桩基检测技术主要包括桩基静载荷试验、桩基动测及超声波检测等方法[3]。桩基动测以及超声波检测等方法作为间接的测试方法，动态成分高，容易受外界环境的干扰，很难达到静载荷试验的检测精度，因此，静载试验是目前单桩竖向抗压承载力测试中最常用的方法。在静载荷试验中为了测定各级荷载下桩身的应变，并了解桩的承载机理，在桩身埋设各种传感元件，如钢筋应力计、应变片等。但预应力管桩由于混凝土强度高、蒸汽养护、壁薄等特点，以及传统点式传感器传导线的交接处易于接触不良、断裂而使检测点失效、成活率较低等缺点，使得预应力管桩的桩侧摩阻力和桩端承载力的测试工作一直是桩基检测中的一个难点，因此，引入新的测试技术对预应力管桩的承载力特性进行研究就显得十分必要。

近几年兴起的光纤光栅传感技术由于具有本质安全、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀、耐久性长、体积小、测试精度高及分布式测量等优点，可以弥补传统检测技术的缺点，已经成为工程检测中的研究热点，选择恰当的方法可以把光纤光栅测试技术应用到预应力管桩的承载力测试中，解决当前预应力管桩承载力测试的难题。

1 光纤光栅传感技术的测量原理

光纤传感系统的组成原理见图1。激光器发出的光在传感区域受环境信号的调制后经过耦合器进入光探测器，调节后得出环境信号。

图1中的传导光纤与传感光纤为一根光纤，但一般传感部分都需经过特别处理以便光纤只对一种或几种感兴趣的信号敏感，现阶段在工程中应用的较广泛的是Bragg光纤光栅传感器。

图1 光纤传输原理图

Bragg光纤光栅传感器是利用光纤中掺杂物质具有的光敏感性，将光纤在呈周期性分布的紫外激光光场中曝光，在光纤内芯形成折射率为n呈周期性分布的三维位相光栅。当一束带宽入射光在纤芯内传输时，就会在栅距为Λ的位相光栅内产生Bragg衍射窄带光，并且该衍射窄带光沿原路返回。

Bragg光栅传感器就是通过对光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱的检测，实现被测对象应变的绝对测量，其原理如图2所示。

图2 Bragg光纤光栅应变传感器工作原理

Bragg光纤反射窄带光的波长λB满足Bragg方程:

当光纤产生轴向应变ε时，反射窄带的波长会发生改变。在忽略温度影响的前提下，波长偏移量ΔλB与应变的关系满足下式:

其中，ρΛ为光纤受力弹性系数;ρn为光纤的光弹性系数。可以看出光纤产生的应变与反射波波长的偏移量成正比，只要准确测量出Bragg波长的偏移量ΔλB，就可以计算出纤内Bragg光栅的应变[4，5]。

目前，光纤光栅传感器主要应用在大型混凝土工程、航空航天领域和复合材料、石油化工领域以及岩土工程检测领域中。其中，民用工程是光纤光栅传感器应用最活跃的领域，主要集中在桥梁、大坝、隧道等重要结构的健康监测。近年来，国内许多学者对光纤光栅传感器在混凝土工程中的应用问题开展了大量的实验和应用研究，如哈尔滨工业大学的欧进萍、周智等人研发了管式、片式封装的光纤光栅传感器，已形成定型产品并在实际工程中进行了应用[6]。在岩土工程领域中，光纤光栅传感器主要应用在岩体变形监测和锚杆应力检测中。2003年，德国的Hatenberger C S等人开始将光纤光栅用于岩石试件的应变测试，并做了对比实验分析，研究发现，其测试精度会受粘结剂的影响。在用双组分环氧树脂胶作粘结剂时，测试精度可达94.2%，采用另外一种粘结剂时为84.6%[7]。在国内，武汉理工大学的姜德生等人将光纤光栅应用于锚杆、锚索的研究，并取得了一定的进展[8，9]。西安科技大学的柴敬等人借助光纤光栅传感技术监测了锚杆体的应力分布，并与电测应变片相对照。结果表明，光纤光栅的测试效果明显优于应变片[10]。

2 光纤光栅在管桩承载力测试中的技术难点

根据光纤光栅应变传感器在其他工程领域的实际应用，针对桩基工程的特殊性，研究传感器在桩基中的布设方法和保护措施，把光纤光栅传感器应用到桩基承载力的确定试验中。光纤光栅传感技术在桩基测试中的连接如图3所示，每根光纤上安装的光纤光栅传感器不多于15个。

虽然光纤光栅在理论上非常适合解决管桩承载力测试中遇到的问题，但是如果要实际应用到预应力管桩的摩阻力与端承力的测试中，还存在一些问题需要去解决。

2.1 传感器的埋设

通常光纤光栅传感器是粘贴在构件表面上的，而桩基工程是地下工程，直接粘贴在桩身表面，在施工过程中容易损坏传感器，因此，对于管桩承载力测试中传感器的安装，必须考虑到光纤光栅传感器的固定和光纤的保护工作，传感器的埋设一般为开槽埋设法和预埋法。

1)开槽埋设。

利用光纤光栅传感器体积小，传导线连接方便的特点，在管桩侧壁选择2条～3条轴线，在侧壁开宽度、深度均为5 mm的槽，在传感器埋设位置开比传感器稍大一些的工字槽，如图4所示。开槽之后清洁槽口，把光纤光栅传感器和传导光纤均放在槽中，用环氧树脂系胶结剂进行固定，依照此方法安装另外两条轴线上的传感器，使每个测试截面上均有3个传感器，这样就可使传感器与管桩的桩身形成一个整体，并且能够对桩身进行准分布式的测量。

图3 光纤光栅传感技术在桩基测试中的示意图

图4 开槽安装光纤光栅传感器示意图

2)预埋法。

类似于传统点式传感器在混凝土灌注桩桩身应力测试中的安装方法，需要在管桩的制作过程中，把焊接式的光纤光栅传感器焊接到预应力管桩的钢筋笼上，再浇筑混凝土。因为钢筋笼需要进行预应力张拉，故该安装方法在测试中需要剔除预应力张拉中出现的光纤光栅传感器的波长变化，得出的值才是试桩中桩基的承载力变化值。并且需要注意光纤光栅传感器在焊接过程中温度的控制，以免出现在焊接光纤光栅传感器的时候把传导光纤融化，导致安装失败。

2.2 应变测试中精度传递的问题

对不同的实验目的和实验条件，选择合适的安装方法尤为重要。通过对Bragg光纤光栅传感器的封装和安装，并加以适当的保护措施，传感器与构件之间就形成了一层传力途径。为了解光纤光栅传感器与构件真实应变之间的传递方式，需设计合适的试验构件进行分级加载测试，通过计算和高精度应变片的测试对比，建立光纤光栅传感器与构件应变值之间的应变传递表达式。在桩身应变测量中，通过这个表达式，可以把实测的值换算成桩身的精确应变，以剔除安装过程中安装方法及安装材料等因素对测量精度的影响，得到真实的桩身应变值，这样对计算管桩的桩身摩阻力和桩端承载力可以提供可靠的数据，提高实验精度。

2.3 管桩接头处传感器的连接问题

管桩的施工方法不同于灌注桩，管桩施工需要接桩，一般采用焊接接桩或者法兰接桩，这就对管桩的桩身应力测试带来了不便，运用Bragg光纤光栅测试管桩桩身内力时，在管桩的接头处，需要预留传导光纤的接口，然后在管桩焊接的时候注意保护好光纤，以防温度过高使光纤熔断，在管桩连接完成之后，利用光纤熔接机把预留的传导光纤对接起来，并保护安装好之后，才能进行下一步施工，以确保在管桩施工过程中光纤连接的完整。

[1] 史佩栋.桩基工程手册[M].北京:人民交通出版社，2010.

[2] 甘幼琛.当前桩基工程质量合格控制存在的问题与随机控制新模式的探讨[J].土木工程学报，2004，37(1):84-91.

[3] 李素华，吴世明，刘忠孝.工程桩质量检测技术中的若干问题探讨[J].岩石力学与工程学报，2002，21(1):133-135.

[4] 郭玉彬，葛 璜.光纤Bragg光栅的研究[J].光学精密工程，1999，7(1):31-38.

[5] 陈晓梅，李新良，曾 吾，等.用纤内Bragg光栅进行动态应变测量的研究[J].航空计测技术，2002，22(6):3-7.

[6] 赵雪峰，田石柱，周 智，等.基于封装光纤Bragg光栅传感器的混凝土应变监测试验研究[J].光学技术，2003，29(4):423-426.

[7] Hatenberger C S，Marcel Naumann，Gunter Borm.Fiber Bragg grating strain measurements in comparison with additional techniques for rock mechanical testing[J].IEEE sensors journal，2003，3(1):50-55.

[8] 姜德生，左 军，信思金，等.光纤Bragg光栅传感器在水布垭工程锚杆上的应用[J].传感器技术，2005，24(1):72-74.

[9] 姜德生，梁 磊，南秋明.新型光纤Bragg光栅锚索预应力监测系统[J].武汉理工大学学报，2003，25(7):15-17.

[10] 柴 敬，兰曙光，李继平，等.光纤Bragg光栅锚杆应力应变监测系统[J].西安科技大学学报，2005，25(1):1-4.