光纤传感技术在桩身内力测试中的应用

来源: 发布时间:2019-07-10 08:53:07

  摘要:介绍了布里渊光时域反射计的传感原理,结合实例对分布式光纤传感技术的测试结果进行分析,并与振弦式钢筋计检测结果进行对比,结果表明,使用分布式光纤传感技术,可获得桩身轴力、侧摩阻力及桩端阻力的分布特征,相对于振弦式钢筋计,具有分布式、长距离、耐久性好、成活率高、抗干扰强和与被测物协调性能好等优点,可作为一种新型的分布式桩基检测技术加以推广。

  关键词:桩身内力;分布式光纤传感技术

  1.引言

  试桩工程中,为分析确定桩侧地层侧摩阻力及桩端阻力,需进行桩身内力测试。目前在桩身内里测试中常用应变式、振弦式传感器,但由于成桩工艺对传感器的限制,基本无法做到高密度布设,成活率也难以保证。

  分布式光纤以光纤为传感和传输介质,无需其他传感器,易于植入钢筋或混凝土外表,与钢筋或混凝土协调变形性能好,已在成型构件监测中得到应用。

  2.测试原理

  当光纤沿线存在温度变化或者发生轴向应变时,光纤中的背向布里渊散射光的频率会产生漂移,其漂移量与光纤温度或应变的变化呈线性关系。若要得到光纤分布范围内温度或应变的变化,仅需测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)即可。

  3.静载试验中桩身变形及受力分析

  静载试验中对每一级荷载都进行测试,初始应变在没有加压前进行测试,每级荷载稳定后采集数据,采集结束后方可加(卸)下一级荷载。

  由于光纤是埋入桩身混凝土内的,在竖向压力下,光纤将与混凝土协调变形,仪器测试得到的是光纤的轴向应变即为桩身混凝土的轴向应变 。桩身轴力 可按下式计算:

  其中,Ec为桩身混凝土的弹性模量,A为桩身截面面积。

  桩侧摩阻力 可按下式计算

  式中: 为某土层内选定的桩身两截面间轴向应变变化量。

  4.实例分析

  以某电厂试桩工程为例,试桩采用单节15mPHC管桩,桩径500mm,砼强度等级为C80。基桩贯穿的地层依次为:(1)层填土、(2)层粉砂、(3-1)层粉质粘土、(3-2)层粘土、(3-3)层粉质粘土、(4)层细砂。试验采用堆载法进行,加载级差为250kN。

  4.1光纤埋设

  本次光纤的铺设以桩身混凝土为载体。试桩桩材进场后,在桩身侧面画线开槽,槽规格以满足光纤可完整埋入为准。将光纤顺直埋入槽内,定点固定,然后用高强胶剂封槽。

  4.2各土层侧摩阻力

  桩身侧摩阻力按土层进行计算,在同一土层的桩身上取各点间小段,利用上文轴力计算方法该小段内侧摩阻力,然后根据各土层侧摩阻力区土层内各小段侧摩阻力平均值。

  图1 SZ2#桩静载各土层摩阻力发挥图

  从图1可以看出,随着荷载的增大,桩侧摩阻力随着增大,其中(3-2)层粘土和(4)层细砂侧摩阻力最大。

  4.3桩端阻力计算

  根据实测桩底的应变值计算出桩的端阻力。由图2可以看出,在小荷载阶段,桩端阻力尚未得到发挥,此时施加的荷载全部由桩侧阻力承担。当荷载增加至1000kN时,桩端阻力开始发挥并随着荷载增加而增大。

  图2 SZ2#桩端阻力变化图

  5.与振弦式应变钢筋计检测结果的对比

  受工艺的限制,振弦式钢筋计无法实现在各个深度截面密集布置,如果在两个截面的钢筋计之间出现地层突变,桩身轴力图上将无法体现出来,从而导致桩侧阻力的不准确。光纤传感器的采样密度远远高于振弦式钢筋计的采样密度,对地层突变的敏感性也远优于振弦式钢筋计,可以更加准确的反应桩侧阻力的变化趋势。再者,优于灌注桩浇筑或预制桩成型过程中均存在一定的不确定性因素,如导管剐蹭,焊接强度不够,钢筋预拉等,加之钢筋计导线较多,振弦式钢筋计在预埋之后成活率不理想的情况时有发生,相对来讲,光纤传感器成活率要理想的多。

  6.结语

  分布式光纤传感技术能够成功地应用于基桩的内力检测,可测出桩身的应变分布,并可进一步计算出桩身内力、桩周摩阻力及桩端阻力。相对于振弦式钢筋计具有长距离、分布式、成活率高、耐久性好等优点,可作为一种新型的桩基内力测试检测技术加以推广。

  参考文献

  [1] 丁勇,施斌,崔何亮. 光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究[J]. 岩土工程学报,2005.

  [2] 魏广庆,施斌,贾建勋等. 分布式光纤传感技术在预制桩基桩内力测试中的应用[J]. 岩土工程学报,2009.

  [3] 朴春德,施斌,魏广庆等. 分布式光纤传感技术在钻孔灌注桩检测中的应用[J]. 岩土工程学报,2008.

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