目前,灌注桩桩身变形测量主要使用钢筋应力计、电阻式应变片等传感器,这些点式传感器都存在不防水、易破坏、存活率低等缺点,难以全面掌握灌注桩桩身变形特性和荷载传递规律。光频域反射光纤传感(OFDR)技术是一种集传感和传输于一体,以光为载体,光纤为媒介的新型监测技术,能在100m传感范围内实现1mm的空间分辨率。将OFDR技术应用于灌注桩桩身变形测试,可获得各级荷载下灌注桩桩身变形规律,实现高精度的分布式测量,为灌注桩桩身变形精细化研究提供参考。

试验桩为钻孔灌注桩,桩长为30m,桩径为600mm,桩身混凝土强度等级为C35,试验场内30m深度范围内地层主要由黏性土和粉性土组成。

灌注桩桩身变形试验装置及光纤布设示意图
图1. 试验装置及光纤布设示意图

采集仪为4通道的OSI-S高精度高分辨OFDR光纤解调仪,空间分辨率采用1cm。应变光纤传感器和温度补偿光纤传感器是呈“U”形铺设钢筋笼两根对称主筋上的,传感光纤以每隔30~50cm“定点绑扎”固定,为了确保传感光纤平直铺设在桩中,以防浇筑混凝土骨料时光纤变形错动,因此在固定时应对光纤传感器进行预拉,给予其一定的预应力。布设时利用套管对桩顶和桩底光纤传感器进行了套管保护,并且桩头光纤传感器并未完全布设至桩头便从桩体侧壁引出进行保护,因此在桩深2.5m以上部分和桩深27.5m以下部分为无效传感段。

灌注试桩依次经历:400、800、1200、1600kN四级加载,而后经历800、400、0kN三级卸载,灌注桩在竖向荷载作用下发生桩身变形,通过OFDR光纤传感技术测得光纤原始应变数据。图2为仪器采集的光纤原始应变数据,可以看出加载和卸载阶段,U1段和U2段的应变大致呈对称,这是由于传感光纤呈“U”形布设。

光纤原始加载阶段应变曲线

光纤原始卸载阶段应变曲线

图2. 光纤原始应变曲线

确定桩底与桩头后,以桩底为对称轴取对称两段应变值的算术平均值得出桩身应变原始分布曲线,经降噪平滑后得到桩身应变分布曲线如图3所示,可以看出每一级荷载作用下桩身变形规律明显,加载阶段随着施加的荷载以400kN逐级增加,桩身压应变稳定增加,同一深度范围内,各级荷载之间的应变差值几乎相等。

桩身应变分布曲线

桩身应变分布曲线

图3. 桩身应变分布曲线

应变最大值出现在桩深3.0mm左右处,桩身压应变整体趋势随着土体埋深的增加而逐渐减小,最终桩身应变桩底处逐渐趋于0。在桩长为5.0~7.5m范围内,桩身应变曲线出现明显的不规则内凹,主要原因有两点:一是土体存在一层硬壳层,二是此处光纤绑扎在浇灌混凝土时发生松动,该处光纤未能与桩体协调变形 导致此范围内的应变曲线偏小。

相同荷载下桩身轴力加载卸载对比
图4. 相同荷载下桩身轴力加载卸载对比

图4中对比加载与卸载阶段,由于“时间滞后效应”,卸载阶段的桩身轴力都显著大于相同荷载下加载阶段的轴力;且随时间增加,时间滞后效应也愈加显著。 这类加载、卸载过程中时间效应引起的细微轴力差,一般传统点式测量方法很容易忽略。可见OFDR分布式光纤监测技术在灌注桩测量领域的高精度优势。

本次灌注桩桩身变形现场光纤测试试验,成功实现了OFDR感测技术对灌注桩桩身变形的高精度和分布式测量,验证了OFDR分布式光纤传感技术在桩基变形工程应用中的可行性,能够识别定位加卸载过程中应力残余及时间效应现象,表明OFDR技术在灌注桩桩身变形监测领域具有极高的应用价值和推广意义。


来源:《岩土力学》灌注桩桩身变形高精度测量现场试验研究
作者:高磊1,周乐1,刘汉龙1,2,黄坚3,王洋3,韩川1
1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室
2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室
3. 上海市地矿工程勘察院


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