钻孔灌注桩承载性能长期监测技术要求

吕颖钊

(杭州市公路管理局，杭州　310030)



钻孔灌注桩承载性能长期监测技术要求

吕颖钊

(杭州市公路管理局，杭州310030)

摘要：桩基础承载性能的跟踪监测是一个重要而复杂的问题。本文根据桩基础长期监测的技术特点，结合实际工程经验，对钻孔灌注桩承载性能长期监测的基本要求、监测设备、监测点布置、监测元件安装与保护、数据量测与分析等方面进行了系统的阐述。研究成果简明扼要、针对性强，以期为桥梁桩基础承载性能的现场监测项目提供指导。

关键词：钻孔灌注桩；承载性能；现场监测；技术要求

0引言

自20世纪80年代以来，钻孔灌注桩的使用逐渐增多，工程技术人员发现钻孔灌注桩的承载力在成桩后存在随时间变化的趋势，并开展了一些研究和试验。1982年，美国率先在西雅图西线公路桥EA-31号墩进行了桩基础承载性能的长期监测，历时长达20年。我国苏通大桥较早开展了主墩群桩基础承载性能的现场监测[1]。近期，钱江通道南接线工程选取了典型桩基进行了钻孔灌注桩施工期和运营期承载性能的现场监测[2,3]。鉴于传感技术发展，钱江通道南接线工程在埋设弦式钢筋计和压力盒的基础上，还埋设了光纤光栅传感器，丰富了监测手段。依托工程实际开展桩基础承载性能的长期监测，不仅能促进桩基础评价、养护方法的提升，也能提高新建桥梁桩基础设计和既有桥梁桩基础评估的针对性和合理性。对深埋在岩土层中的桩基础承载性能进行长期监测时，监测工作与施工进度需紧密结合，跨越时间包含施工期与运营期，由于施工流程多，监测环境复杂，受外界环境影响大，因此，对监测传感器的技术性能、环境适应性和安装工艺以及监测与施工协调同步等要求较高。

本文根据桩基础长期监测的技术特点，结合实际工程经验，对钻孔灌注桩承载性能长期监测的仪器设备、测点布置、现场监测等方面进行了系统的总结和分析，可为桥梁桩基础的现场监测提供借鉴。

1钻孔灌注桩现场监测基本要求

桩基承载性能长期监测工作的实施过程，主要包括技术资料收集、监测范围选取、监测方案编制、监测元件安装与保护、监测数据采集与分析等内容。监测系统的正常运行，取决于监测过程各阶段相关工作的有效实施。

(1)技术资料收集

在监测方案编制前，对监测场地进行现场调查研究，完整收集需监测桥梁的地质勘察、设计、施工、环境情况等资料。掌握桩基与桥梁上部结构特点、桥梁各部件的施工组织方案，了解监测桩基周围场地和项目的远期规划。

(2)监测范围选取

根据监测目的、基础类型等，选取监测范围。一般地，对于单排桩基础，可选择同一桥墩中的中桩和边桩共2根桩基。对于群桩基础，根据承台下桩基分布和数量进行选取，至少包含角桩与中桩。

(3)监测方案编制

根据前期调查资料，针对场地条件、施工方案等，制定满足监测要求并具有实际操作性的监测方案，明确监测内容、监测方法、测点布置、人员分工、实施计划、需有关各方配合的工作、监测元件保护注意事项等。

(4)设备仪器配备

预埋监测传感器在使用前需通过标定，检验合格后方可安装使用。采集测试设备按要求定期进行检定或校准，在有效检定或校准周期内使用。

(5)监测元件安装与保护

监测元件(传感器、导线)的安装与保护是监测过程的重要一环。除了要求各类人员在导线安装、混凝土浇筑及其他作业中不能使传感器和导线损伤外，在传感器和导线布线时，合理的走线方式也能很好的避免导线的意外损伤。

(6)监测数据采集与分析

施工期数据采集主要与桩基及以上桥梁各部件的施工节点有关，运营期采用定期方式进行数据采集。每一次数据采集应同时记录结构施工进度、荷载状况、环境条件等。当监测数据出现异常，应分析原因并及时复测。

2监测设备及性能测试

监测设备包括监测传感器与采集测试设备。

2.1监测传感器

桩基应力监测传感器可采用弦式钢筋计、电阻式钢筋计或光纤光栅钢筋计，对于分布式光纤，由于测试精度受环境因素、信号分析仪的影响较大，建议配合以上两种钢筋计使用。温度监测传感器可采用埋入混凝土中的光纤式温度传感器、热敏电阻温度传感器和半导体温度传感器。对于应力和温度监测传感器的技术要求建议如下：

(1)应力监测的钢筋计(弦式、电阻式和光纤光栅式)量程至少满足±150MPa，分辨率应达到0.1MPa。

(2)钢筋计的接头规格与监测桩基主筋相匹配，便于安装。

(3)对于其他种类的应力传感器，在进行可靠性、适用性验证后采用。

(4)温度传感器的分辨率应达到0.1℃。

(5)优先采用自带温度补偿或温度测试的应力传感器。

(6)优先采用自带智能编码的监测传感器。

(7)优先采用长期稳定性好的监测传感器。

(8)监测传感器及导线的水密性应满足1MPa水压不渗水、防潮绝缘的要求。

2.2采集测试设备

根据监测传感器类型，采用与其相匹配的采集测试设备，见表1。

表1　采集设备选用与要求

2.3传感器性能测试

混凝土浇筑时，会产生大量的水化热，导致构件内部局部温度较高。水化热引起的升温不仅会引起传感器密封胶的失效，也会导致传感部件失真或失效。

现阶段的大多数传感器，不论是光纤传感器，还是弦式传感器，抗老化性能较差时，测试数据失真或根本测不到数据。根据对光纤传感器、弦式传感器组装的大量试验，提出以下传感部件抗老化性能测试要求。

2.3.1高温老化试验

(1)工作内容

将光纤光栅传感器放置于恒温箱内进行老化试验，恒温箱的温度设置为120℃，老化时间为72小时。对于弦式传感器，也建议按上述要求进行测试。

(2)测试内容

当恒温箱从室温升至120℃并维持1小时时，通过解调仪测试光纤光栅的波长值λ1(弦式传感器则通过读数仪测得初始应变读数ε1)。待老化试验结束后，再测试光纤光栅的波长值λ2(弦式传感器则通过读数仪测得应变读数ε2)。要求λ1与λ2的偏差小于5pm(弦式传感器则要求ε1与ε2的偏差小于5με)；若偏差大于5pm(弦式传感器为偏差大于5με)，则不采用。

2.3.2高低温循环老化试验

(1)工作内容

将传感器放置于高低温循环箱内进行温度范围-20℃～80℃的温度循环，循环8次。循环步骤如下所示：

①以1℃/min的升温速度，升至80℃；

②在80℃温度下维持30min；

③以1℃/min的降温速度，从80℃降至-20℃；

④在-20℃温度下维持30min；

⑤再以1℃/min的升温速度，升至80℃，以此循环。

(2)测试内容

对于光纤光栅传感器，通过解调仪分别测试传感器第一次与最后一次稳定于80℃的波长值λ1、λ2，传感器的波长值要求λ1与λ2的偏差小于5pm；若偏差大于5pm，则不采用。

对于弦式传感器，则要求第一次与最后一次稳定于80℃的应变值读数ε1、ε2的偏差小于5με；若偏差大于5με，则不采用。

2.3.3稳定性测试

(1)工作内容

将传感器放置于经过计量检定的标定设备或专用设备进行稳定性测试。

通过标定设备对传感器进行加载，使传感器处于满量程状态，维持7天。

(2)测试内容

定期(间隔1天)对传感器的波长或应变值进行测试，要求所有测试数据与第一次测试的波长偏差不大于5pm(扣除温度影响)或应变值偏差不大于5με。

3监测点布置

3.1监测点监测项目要求

监测点监测项目分为桩顶受力监测、桩身受力监测两大类。桩顶受力监测可采用压力传感器进行监测，桩身轴力监测宜采用钢筋计进行监测。桩顶受力监测和桩身轴力监测可不同时进行，但开展桩身轴力监测的桩基应同步开展桩顶受力监测。

3.2监测断面

(1)桩顶受力监测

对于桩柱式基础，桩顶受力监测可在同一墩位下选取中桩和边桩进行监测。

对于群桩基础，应选取中桩、边桩和角桩进行监测。

(2)桩身轴力监测

对于桩柱式基础，桩顶受力监测可在同一墩位下选取中桩和边桩进行监测。

对于群桩基础，应选取中桩、边桩和角桩进行监测。

监测断面为不同土层的交界面处，距桩底、桩顶的距离不小于1倍桩径。对于厚度超过10m的同一土层，等厚度增加监测断面，相邻两监测断面不超过5m。

3.3监测点数量

同一监测断面对称布置2～4个应力监测传感器。具体要求如下：

(1)桩径小于1.0m的桩基，同一监测断面可布置2个。

(2)桩径为1.0m至1.6m的桩基，同一监测断面宜布置3个。

(3)桩径大于1.6m的桩基，同一监测断面宜布置4个。

4监测元件安装与保护

监测元件(传感器、导线)的安装与保护是监测过程的重要一环。除了要求各类人员在导线安装、混凝土浇筑及其他作业中不能使传感器和导线损伤外，在传感器和导线布线时，合理的走线方式也能很好的避免导线的意外损伤。

4.1编制完善监测元件安装图

监测元件现场安装前，应绘制详细的传感器布置图和导线走线方式。包括：传感器与每一节钢筋笼的相对位置，传感器与主筋的连接方式、安装方位，导线绑扎方式、走线方向等。

4.2现场传感器的检定

技术人员对运抵现场的各类传感器进行量测，检查元件是否完好，否则重新购置。在传感器安装前再次进行量测，防止使用不好的元件。

4.3编制完善的导线安装要求

编写详细的导线安装要求，特别是在导线引出桩顶需要拐弯、穿越其他物体时。导线应尽量沿钢筋安装，不应扭曲。

导线布置应清晰，导线引出桩顶后，再次引出承台等结构物的出口应尽量少(避免与施工作业的交叉干扰)。

(1)对所有钢筋计进行统一编号，详细记录好每个测试点所对应的测试元件的编号。

(2)钢筋计和导线利用钢筋笼结构特点，钢筋计与主筋可采用焊接或螺纹对接，焊接时，为避免钢筋笼下放过程中钢筋计触碰孔壁，或导管下放过程中碰到钢筋计，钢筋计不能安装在钢筋笼径向的主筋两侧，而应安装在钢筋笼环向的主筋两侧，在焊接的过程中实时对钢筋计用水进行冷却，避免焊接产生的高温传到钢筋计。同样，避免监测导线在施工过程中出现破坏，监测导线沿着钢筋计所在的主筋侧面绑扎，且导线布置在最外层螺旋筋和加强筋之间。导线成束后的直径不能大于主筋直径，若导线较多时，可以分成两束分别捆绑在主筋的两个侧面上，确保导线在钢筋笼下放过程中不受到损伤。

(3)钢筋笼分节加工时，布置在每节钢筋笼上的测试元件导线均比节段钢筋笼长且呈分散分布。同一主筋不同测试断面的传感器导线采用胶带捆绑成一束，便于在钢筋笼下放时能够快速由下面一节钢筋笼引至上面一节钢筋笼，节省钢筋笼下放时间，如图1所示。

图1　按顺序绑扎安放的导线

(4)每节钢筋笼加工时长出的导线，捆绑成束，规则盘卷，固定在该节钢筋笼上远离起吊点的地方，防止钢筋笼在转运和起吊时损伤测试元件导线，也可将盘为一卷的导线采用尼龙袋包装保护。

(5)用塑料扎丝捆绑导线时，需使导线保持笔直，不得有松散、成堆等现象。若无法避免此类现象产生，需在该位置加焊短钢筋进行保护。

(6)所有钢筋笼均下放完成后，将位于同一方向桩基顶部的监测传感器导线均引入到金属管或PVC管中(最好采用金属管)，金属管的管底至少应在设计桩顶以下约1m，露出地面至少1m，长出的导线采用尼龙编织袋包装后固定在金属管顶端，金属管还应与钢筋笼绑扎牢固，在后期开挖和桩头破除时起到保护导线的作用。安装完成后，绘制监测传感器实际位置与布置图。

(7)开挖和桩头破除施工时，协调施工单位施工作业时不要破坏金属管，防止里面的传感器导线在此阶段破坏，影响后期监测效果。

(8)承台钢筋绑扎时，检查引出桩头的金属管是否破坏，对施工破坏的金属管进一步检查传感器导线是否破坏，对破坏的导线进行更换并将传感器导线引出到承台顶面，引出的位置避开墩身浇筑位置，并能避免后期的墩身和箱梁施工支架、模板的影响，引出的导线仍用金属管或PVC管保护，露出承台顶面约1m，如图2所示。

图2　导线引出承台后采用PVC管保护

(9)墩身和箱梁施工阶段，协调施工单位在墩身浇筑和箱梁施工过程中，注意保护好引出的导线。

5数据量测与分析

5.1数据量测

施工期数据采集主要与桩基及以上桥梁各部件的施工节点有关，运营期采用定期方式进行数据采集。每一次数据采集应同时记录结构施工进度、荷载状况、环境条件等。当监测数据出现异常，应分析原因并及时复测。

5.1.1施工期间监测频次。

(1)施工期间每个月至少监测1次。

(2)传感器安装完成前、后均应记录读数。

(3)桩基混凝土浇筑完成24小时后测量读数，并以承台或系梁钢筋绑扎前的稳定读数作为初始值。

(4)桩基顶以上每一个桥梁构件或部件施工前后测量读数。

(5)施工期间，桩基础以上的荷载发生明显变化或进行特殊工序施工时，应增加监测次数。

5.1.2运营期间监测频次

(1)传感器存活期间应定期进行数据采集。第1年每3个月监测1次，以后每半年监测1次。

(2)运营期间，监测桥梁遇突发性事件或桩周环境发生明显变化，增加监测频次。

5.2数据分析

(1)数据处理分析时，应修正温度影响、系统误差等。

(2)根据每一次监测数据绘制桩身轴力变化图和各土层桩侧摩阻力分布图。

(3)根据桩基础以上荷载变化情况，与监测结果进行对比分析。

6结语

对于桥梁结构，桩基础的承载能力是一个重要但复杂的技术指标，通过对实体工程桩基础从施工期到运营期进行全过程现场监测，是获得切合实际的桩基础承载性能变化数据的有效方法。本文对桩基础承载性能现场监测的实施过程进行了系统的阐述，研究成果可为桥梁桩基础承载性能的现场监测项目提供指导。

参考文献：

[1]江苏省交通科学研究院股份有限公司．苏通大桥桩基础轴力监测阶段分析报告[R]．南京：江苏省交通科学研究院股份有限公司，2014．

[2]张理轻，吕颖钊，杨宇．桥梁施工全过程超长钻孔灌注桩承载性能的现场监测[J]．浙江交通职业技术学院学报，2014，15(1)：15-20．

[3]吕颖钊.加载方式对钻孔灌注桩侧摩阻力影响的现场监测[J]．公路交通科技:应用技术版，2015，(5)：156-158．

Technical Requirements for Field Monitoring of Drilled Pile’ Bearing Performance

LV Ying-zhao

(Hangzhou Highway Administration Bureau，Hangzhou 310030，China)

Abstract：The field monitoring of drilled pile’bearing Performance is an important and complicated problem. According to technical characteristics of drilled pile’long-term monitoring and combined with practical engineering experience, these aspects were expounded in detail such as basic requirements, monitoring equipments, monitoring stations arrangement, monitoring components installation and protection, data measurement and analysis of drilled pile’long-term monitoring. The result is concise and targeted, which can provide guidance to field monitoring of drilled pile’bearing performance.

Key words：drilled pile；bearing performance；field monitoring；technical requirement

收稿日期：2015-12-20

作者简介：叶恒梅(1983-)，女，湖北黄石人，讲师，硕士，E-mail：187213169@qq.com。

中图分类号:U443.154?

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1671-234X.2016.01.004

文章编号：1671-234X(2016)01-0017-05