基于分布式光纤的桥梁深水桩基钢板桩围堰监测技术

陈龙贵

(柳州铁道职业技术学院,广西 柳州 545616)

0 引言

随着交通运输事业的蓬勃发展,我国已经完成或者正在进行许多大跨径桥梁的规划和建设。在大跨径桥梁的施工过程中,往往需要采用大量形式复杂且体积巨大的桥墩桩基础,在深水中进行桥墩基础建设则需要借助于一些特殊结构。当前大部分深水桥梁桩基础采用钢围堰作为辅助结构,该结构具有强度高、防水性好、经济效益好、可循环重复使用等优点,其中钢板桩围堰是最常用的一种型式[1-4]。

由于钢板桩围堰特殊的施工环境,在水位变动频繁河道的施工安全稳定是比较难控制的,钢板桩围堰一旦出现安全事故,就会造成较大的人员伤亡和经济损失,因而需要做好桥梁桩基钢板桩围堰施工的全过程监测,但是我国对于钢围堰结构施工监测仍处于摸索阶段,当前常用的一些传统监测方法存在测量范围较小、耐久性和长期稳定性都较差等缺陷,对于深水钢板桩围堰这一长期工作量巨大、范围广、要求高和施工周期长的工程不是很适用,因而急需寻找一种更加可靠的监测手段来替代原有监测技术。分布式光纤传感技术作为一种新型传感技术,具有寿命高、精度好、灵敏度佳、耐久性好、抗干扰能力强等诸多优点,在交通、水利、建筑、油气、矿业等领域得到越来越广泛的应用[5-7]。

本文基于分布式光纤监测手段,对桥梁深水基础钢板桩围堰不同施工阶段进行受力变形监测分析,以期能为分布式光纤在深水桥梁桩基钢板桩围堰变形监测的应用提供借鉴。

1 工程概况

某大桥6#墩承台顶标高为+0.5 m,承台底标高为-3.5 m,设计封底厚度为1.0 m。大桥跨越河道处正常水位为6.86 m,通航水位为4.09～9.23 m。6#墩承台河河床底标高为2.5 m,钢板桩设计底标高为-8.50 m。6#墩承台处岩层从上到下依次为细砂(混夹淤泥)、强风化泥质粉砂岩①、强风化泥质粉砂岩②、中风化泥质粉砂岩以及1微风化泥质粉砂岩,具体参数见表1。

该工程施工的重难点在于:(1)6#墩所处地表层为砂石型码头,需进行清障处理,同时钢板桩桩长较长(>18.5 m),下沉过程中的垂直度很难控制;(2)基坑开挖深度达到9.6 m,属于深水基坑工程,需要对基坑变形做周密的监测;(3)工程施工期处于汛期后端,受水文气象的影响较大,且围堰距岸线距离仅有19 m,需做好开挖期间的各种监测和排水措施。在钢板桩围堰施工过程中很可能遇到部分桩不能顺利下沉、桩身偏差、已施工好的桩随后续打桩继续下沉、相邻钢板桩锁扣渗水等问题,因此,需要在钢板桩围堰施工过程中做好全过程监测。

表1 河床底岩层物理力学参数表

2 钢板桩围堰设计

6#墩承台尺寸为长15.1 m×宽9.5 m×高4 m,钻孔桩桩径为2.2 m,钢护筒直径为2.4 m,围堰采用钢板桩结构型式,钢板桩顶、桩底标高分别为+9.0 m和-9.50 m,围堰面积为17.90 m×12.60 m,围堰内共设置4道支撑,第1道支撑为中空设计,间距为3.5 m,第2道支撑为中空设计,间距为3.0 m,第3道支撑和第4道支撑间距增设中间对撑,间距分别为2.5 m和3.0 m,围堰底采用厚度1 m的C20混凝土进行干封底施工,整个承台分为2次浇筑,第1次厚度为1.5 m,第2次厚度为2.5 m。钢板桩围堰设计示意见图1。

钢板桩采用NSP型拉森钢板桩(有效高度和厚度分别为0.6 m、0.21 m和1.8 cm),弹性模量为206 GPa,允许最大应力273 MPa,允许最大剪应力156 MPa,允许最大抵抗弯矩516 kN·m。

图1 钢板桩围堰设计平面图(mm)

3 分布式光纤监测方案

3.1 监测桩点布设

在钢板桩围堰施工过程中,选取3根钢板桩(编号1号桩、2号桩、3号桩)进行分布式光纤安装和监测,监测点布设方案见图2。

图2 分布式光纤测点布设示意图(mm)

3.2 监测仪器设备

分布式光纤信号采用瑞士产分布式光纤解调仪进行采集;传感器采用金属基索状应变感测光缆,每个监测点光缆长度为60 m,传感器接头采用APC接头,每个监测点2个,采用日本产光纤熔接机对光纤进行熔接施工。

3.3 监测方案

由于钢板桩围堰施工采用分步开挖方式,因此分布式光纤测试分为以下几个工况:工况1是在第1～2层支撑完成和钢板桩围堰打设完成后,工况2是在第3层内支撑和立柱安装后;工况3是在第 4 层内支撑和立柱安装后;每个工况下各个监测点均进行10次测试。

布里渊散射光时域反射仪的数据采样间距为0.25 m,测试数据包括桩身应力、桩身应变、桩身弯矩和桩身扰度。数据监测完成后,先采用小波分析对原始数据进行去噪处理,然后利用移动平均法对数据进行平滑处理,从而得到钢板桩各种参数的变化趋势。

4 监测结果分析

4.1 桩身应变

测试得到6#墩钢板桩在不同工况下的应变分布曲线见图3。由图3可知:1号、2号和3号桩随着开挖深度的增加,应变峰值大小逐渐增大,而应变峰值位置在逐渐下移,钢板桩围堰水平支撑可以有效降低桩身的应变值,并且在支撑处会出现应变的突变情况;由于土体分布不均和每次监测时水体温度有所区别,因此造成应变曲线呈波动状态;当4道支撑全部施工(工况3)完成后,1号桩、2号桩以及3号桩的最大应变值分别为1 023με、665με和800με。

(a)1号桩

(b)2号桩

(c)3号桩

4.2 桩身应力

测试得到6#墩钢板桩在不同工况下的应力分布曲线见下页图4。由图4可知:当1～2道支撑施工完成后,1号桩、2号桩和3号桩的最大应力在20～30 MPa,最大应力出现在桩长约10～12 m处;当第3道支撑施工完成后,1号桩、2号桩和3号桩的最大应力分别为105 MPa、80 MPa和70 MPa,最大应力出现在桩长12～16 m处;当第4道支撑施工完成后,1号桩、2号桩和3号桩的最大应力分别为205MPa、130 MPa和150 MPa,出现在桩长12～14 m处。当4道支撑全部施工完成后,钢板桩的最大应力为205 MPa,<273 MPa,因此在钢板桩施工过程中均满足NSP IV型拉森钢板桩允许应力的要求,施工安全。

(a)1号桩

(b)2号桩

(c)3号桩

4.3 桩身弯矩

测试得到6#墩钢板桩在不同工况下的桩身弯矩分布曲线见图5。由图5可知:在工况1下,1号桩、2号桩和3号桩的最大弯矩分别为61 kN·m、32 kN·m和50 kN·m;在工况2下,1号桩、2号桩和3号桩的最大弯矩分别为156 kN·m、122 kN·m和115 kN·m;在工况3下,1号桩、2号桩和3号桩的最大弯矩分别为380 kN·m、230 kN·m和265 kN·m;在不同工况下,3根桩的最大弯矩均<516 kN·m的抗弯矩要求,施工安全。弯矩转折点与实际支撑点位置基本重合,表明弯矩转折主要是由内支撑和基坑开挖面造成的;随着开挖深度的增加,桩身最大弯矩逐渐增大,弯矩峰值位置也逐渐下移,水平支撑处弯矩会出现明显的突变。

(a)1号桩

(b)2号桩

(c)3号桩

4.4 桩身挠度

由于本工程桩基处于软土地层中,在基坑开挖过程中,钢板桩不可避免地会出现旋转现象,当进行内支撑施工时,桩身水平位移会受到限制,从而导致桩身挠度发生。监测得到的不同工况下桩身挠度分布曲线见图6。从图6中可知:在工况1时,由于基坑开挖深度较小,此时各根桩的挠度均较小,且均≤5 mm;当第3道支撑施工完成后,各根桩的挠度有较大幅度增加,1号桩、2号桩和3号桩的最大桩身最大挠度分别为17 mm、14.5 mm和11.5 mm;当第4道支撑施工完成后,挠度进一步增加,1号桩、2号桩和3号桩的最大桩身最大挠度分别为23 mm、16 mm和21 mm。随着开挖深度的增加,桩身挠度逐渐增大,但是基坑全部完成后,最大挠度也未超过50 mm,因此本工程施工过程中挠度满足对应的施工规范。

(a)1号桩

(b)2号桩

(c)3号桩

5 结语

基于分布式光纤监测手段,对桥梁渗水桩基钢板桩围堰各个施工阶段进行了监测分析,得出如下结论:

(1)随着开挖深度的增加,钢板桩的应变、应力、弯矩和挠度均逐渐增大,最大值出现位置逐渐向桩身下移。

(2)内支撑和基坑开挖面会造成桩身受力变形出现转折点,合理的内支撑设置位置可以有效减小桩身的受力变形。

(3)围堰施工完成后,应变、应力、弯矩和挠度最大值分别为1 023με、205 MPa、380 kN·m和23 mm,均未超过施工或者材料允许值,施工过程安全。

(4)分布式光纤监测受环境的影响更小,监测范围更广,耐久性更好,可为深水桩基围堰提供更加精确可靠的数据,可为相关类似工程提供经验借鉴。