光纤检测技术在海上钢管桩试桩中的应用*

石振明　宋　晶

光纤检测技术在海上钢管桩试桩中的应用*

石振明①②宋晶①②

( ①同济大学地下建筑与工程系上海200092)

( ②同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092)

摘要试桩检测包括对桩身完整性测试和承载力测试两部分。试桩检测为设计参数的确定以及桩基沉桩设备和沉桩工艺选择提供依据，确保工程的安全可靠。在综合考虑试桩地区气候和地质条件等客观因素后，采用合适的检测手段，对提高检测结果的精确性和减少成本等方面很有意义。垂直静载试验是常用测定桩极限承载力的方法，准确性高。在对桩身质量检测上，有钻心取样法、低应变、高应变和声波透射法等检测手段。在海上钢管桩试桩工程中，其检测结果的精确性和可靠性受制约因素多。光纤检测技术具有可靠性强、准确性高及实施简便等优点，是根据BOTDR和FBG技术测试出桩身轴向应变及桩周应力的分布规律，是一种比较新的可靠检测手段。但是目前，光纤检测技术在海上试桩检测应用的案例少。本文提到的工程案例中，采用垂直静载试验、光纤检测试验和高应变测试，达到综合评估，为工程建设提供可靠参数

关键词桩身质量承载力光纤测试竖向静载试验高应变测试

0引言

海上试桩条件一般较差，潮位、潮流、波浪、大风等不利外部条件，都会影响打桩工作的顺利进行。在综合考虑工程区域地质条件和自然环境等客观因素后，为了削弱外界因素对试桩检测的不良影响和提高试桩检测结果的精度，选择合适的检测手段，是很有必要的(杨志方等， 2004)。

试桩检测包括对桩身承载力和桩身完整性检测。在确定桩身承载力方面，垂直静载试验具有准确性高的特点，尤其在大型桩检测上，更为常见。在桩身完整性检测方面，钻心检测技术具有费用高、用时长、以点代面的缺点，容易造成缺陷漏判，但在桩身强度测定、桩底成渣厚度检测等方面具有优势。低应变检测技术具有费用低、用时少的特点，可以确定缺陷的类型和位置分布，但在精确分析桩身离析程度和缺陷具体位置上乏力。声波投射法精准性高，在桩身缺陷判断方面比较可靠，但在实际检测过程中，考虑到声测管的埋设，抽样检测的分布性比较差，而且桩身直径要满足规定的条件，检测费用较高。高应变测试可以确定桩身承载力和桩身完整性，具有较高的精准度，检测费用比较低，但抽样桩检测数量多于竖向静载试验，而且受测试人员水平和桩-土相互作用模型等问题影响较大(伍鹏等， 2006； 孙庆安等， 2010)。

分布式光纤检测技术是一种较新的检测手段，具有准确性高、可靠性强和方便实施的特点，在桩身完整性和确定桩身轴力和桩周土摩擦力方面具有很大潜力。光纤检测技术是利用布拉格光纤光栅(FBG)技术和布里渊光时域反射(BOTDR)技术测试出桩身轴向应变的分布规律，达到对沉桩过程中桩身动态应力应变及后期休止期间的桩身完整性、桩身内力分布、侧向摩阻力分布等内容的检测与监测。光纤检测技术依赖光纤传感器的成活率和准确性。光纤传感器相对传统传感器具有以下优点。(1)抗干扰能力强，数据采集可靠。通过对被测信息进行波长编码，可避免光纤光栅受到光纤安装弯曲以及光源功率波动等因素的影响。(2)测量精度高。利用布里渊散射光精准的投射和反射特性，可以精确地测量出桩身应变和温度的变化。(3)测量点多，分布范围广。在同一条光纤上可以埋设多个光栅，在工程检测中，可实现分布式测量。(4)传感器较小，结构简单，可用于多种情况，方便安装到被测物体内部。(5)具有良好的抗化学腐蚀、抗电磁干扰的能力，对环境的适应性强。(6)可实现测量点精准地空间定位。(7)在系统安装和长期的检测使用中，可以不再定标(李宏男等， 2002； 丁小平等， 2006)。

利用光纤检测技术的优点，李忠义等(2014)对PHC桩通过植入感测光纤，发现BOTDA技术的测试挠度数据与位移传感器所测数据基本一致，准确可信，并提出了PHC桩的感测光纤植入工艺，保证了感测光纤的成活。朴春德(2008)在大直径钻孔灌注桩中，通过同时埋设光纤传感器和钢筋应力计，对桩身进行检测，其结果表明，BOTDR技术可对桩身轴力、桩侧摩擦阻力以及桩端阻力进行量测，实现桩身完整性的评估，具有操作简单、可靠性强的特点； 在抵抗外界环境干扰，协调被测物体等方面具有优势； 并提出了一套适用于钻孔灌注桩的光纤传感器埋设方法和检测手段，提高了传感器的存活率。冯江等(2014)介绍某海边城市高层建筑钻孔灌注桩桩基采用BOTDR技术检测过程，表明光纤检测技术具有精准性高，抗干扰能力强的特点，在钻孔灌注桩完整性检测方面是适用的。刘永莉等(2012)在对抗滑桩上布置光纤传感器，对抗滑桩进行桩身应变监测。研究结果表明该种测量方法，实现了从抗滑桩浇注完成至滑坡推力作用整个过程的应变变化监测，成功采集到抗滑桩受力过程中桩身任意深度处的应变。雷文凯等(2014)通过现场试验，分析了灌注桩在水化热过程中桩身温度分布与其完整性的关系，进而建立起一套利用光纤测温技术来实现灌注桩完整性检测的体系。

在工程桩完整性检测方面，光纤检测技术具有很大的潜力。上述工程实例说明了其准确性、优越性的特点。由于不同的桩基检测方法选取要考虑工程地质特点、场地环境等要素，因此，光纤检测普遍性的应用还需要被大量实践验证。

本文涉及的工程桩检测案例，处于港区码头段，地质条件差，受海浪天气影响大，基础采用大型钢管桩。本文以垂直静载试验、结合BOTDR技术和FBG技术，测定桩身应力及桩周摩擦力试验，并通过高应变试验，综合检测钢管桩桩身强度和完整性，为工程顺利安全进行，提供了可靠参数。

1工程概况

某跨海大桥工程进行了海上特大钢管桩试桩检测试验，共两组，每组试验桩1根，锚桩4根。T1组，设计桩径为1.5m，桩长为85.7m，壁厚22mm。T2组，设计桩径为1.5m，桩长为78.7m，壁厚22mm。

本次试验主要内容是：对各试桩进行竖向静载试验，测试桩的极限承载力，采用快速维持荷载法进行，进行循环加载试验，循环次数为3次。T1组试桩设计最大加载力约为15000kN；T2组试桩设计最大加载力约为15500kN。测试各试桩各土层分层侧摩阻力和桩尖阻力。测试试桩T1、T2打桩过程中各试桩桩身的打桩应力。对两组试桩进行高应变测试。

1.1水文

测区波浪多为风浪以及风浪和涌浪兼有的混合浪，涌浪主要集中在ENE和SSE向，风浪以N～NE向最多，平均周期分别是15.2s和14.1s。

根据实际浪潮观测资料，试桩地区附近海域潮位有以下特点：东部河口处最高潮位高于外海，北部的最低潮位低于南部，潮落差最大点出现在中部。最大潮差5.68m，平均潮差4.00m。

1.2试验桩地区地层

T1、T2试桩的地层分布(表1，表2)。

表1　T1试桩地层分布表

表2　T2试桩地层分布表

图1　反力装置立面图Fig. 1　Elevation of device for providing counter-force

2竖向静载试验

2.1试验设备

本次试验采用如图1 所示的反力装置。主梁和副梁均为两根8m×0.4m×0.8m的钢梁。锚桩材料为工程桩，与副梁之间利用钢筋连接。通过4个加载量最大为5×103kN的油压千斤顶施加竖向荷载，并根据油压传感器测算桩顶荷载大小。在桩顶按照十字对称的方式安装4只电测位移计，用以测定加载过程中桩顶的沉降量。

2.2静荷载试验结果及分析

试验采用快速维持荷载法，并进行循环加载，加载次数为3次。表3记录T1、T2最大加载量下的最大沉降量、最大回弹量及对极限承载力的估计。图2 和图3 分别为T1、T2第3次试桩Q-s和s-lgt曲线。

表3　工程试桩静载试验汇总表

图2　T1第3次试桩Q-s和s-lgt曲线Fig. 2　Third Q-s curve and s-lgt curve of T1 pile test

图3　T2第3次试桩Q-s和s-lgt曲线Fig. 3　Third Q-s curve and s-lgt curve of T2 pile test

图2、图3 曲线表明：当桩顶荷载达到最大加载量时，T1、T2试桩的Q-s曲线下降量在规定的范围内，无明显破坏特征。s-lgt曲线从开始到最终加载完成的过程中，曲线末尾段均未出现严重的向下弯曲现象，沉降量趋于稳定。根据以上分析，结合表3沉降观测数据可知，T1、T2试桩均未破坏，其单桩竖向极限抗压承载力分别为T1不小于1.5×104kN，T2为不小于1.55×104kN。

3桩身应力测试

3.1测试方案

采用光纤测试技术对T1、T2进行桩身应力测试。利用布拉格光纤光栅(FBG)技术和布里渊光时域反射(BOTDR)技术测试出桩身轴向应变的分布规律，达到对沉桩过程中桩身动态应力应变及后期休止期间的桩身完整性、桩身内力分布、侧向摩阻力分布等内容的检测与监测。同时通过光纤光栅温度计获取不同地层的地温信息，用于温度补偿计算。

3.2光纤布设方案

本次试验在试验桩上沿着桩身轴向布设两组光纤传感器，分别安装在钢管桩内壁表面(图4)。

图4　光纤铺设示意图Fig. 4　Schematic drawing of laying fiber

在钢管桩中埋设传感光纤，并在竖向荷载作用下，使其变形与桩身轴向变形一致； 利用光纤检测装置，量测传感光纤的应变分布，得到桩身轴向应变，通过计算，得到桩身轴力和侧摩擦阻力分布(冯江等， 2014)。在检测过程中，为了获得良好的传感器存活率和采集数据的可靠性，按照以下方法进行光纤传感器铺设。

(1)放样。将布设光纤路径在钢管桩内壁上标识出，防止出现歪斜偏离等现象，避免测试结果带入偏差。

(2)清理。将管壁表面的灰尘清理干净，防止黏贴不牢。

(3)放线。将光纤沿放样线布置，并加于一定的预拉张力，作初步固定。通过对传感光纤预先施加一定的整体拉应力，可以防止由于应变分布突变所引起的多峰现象，方便应变解析。预拉张力应按照先固定两端点位置，后整体黏贴的顺序进行施加，可以避免初始应变分布不均的现象(魏广庆等， 2009)。

(4)涂胶。将环氧树脂均匀覆盖在光纤表面，固定光纤，使光纤传感器与钢管桩身紧密接触，以利于变形传递。

(5)保护。对光纤进行防碰撞、防刮擦等保护。

3.3检测实施

根据本次试桩采用的两种光纤检测技术，可在不同阶段进行特定针对性的研究。

在打桩过程中运用FBG技术，实现动态应力的监测。采用重锤打击桩帽，使钢管桩进入预定土层，利用光纤引线，实现远程测试； 并通过高频光纤光栅解调仪对埋设于桩身中的光纤传感器进行数据采集。通过对不同打入深度时的桩身动态应变测试，分析桩身应力分布情况及锤击冲击波在桩身内传递过程，以此研究桩基打入过程中桩身内力传递及桩土作用关系。

在静载试验过程中运用BOTDR技术，实现桩身轴力及桩侧摩阻力的测试。结合钢管桩的竖向静载试验，当每级荷载作用下位移量不再变化或变化值达到规定要求后，进行钢管桩身应变测试试验。测试过程如图5 所示。

图5　静力载荷试验过程监测示意图Fig. 5　Schematic drawing of vertical static loading test

3.4计算原理和方法

3.4.1桩身应变计算(魏广庆等， 2009)

在实际工程中，钢管桩受到垂直荷载作用，会产生轴向应变，其应变量大小可以通过埋设在桩中的光纤传感器进行量测。取埋深为z处所测得的钢管桩轴向应变为εa(z)，则位于桩身段的变形为：

(1)

式中，z1、z2表示桩身两界面处的埋深，则任一埋设z处的竖向位移，可表示成桩顶处的竖向位移量扣除其上部的桩身压缩量：

(2)

当z取桩长L时，则S(L)表示桩端位移。

3.4.2桩身内力分析

桩任意一深度z处的轴力Q(z)可表示(单辉祖， 2004)为：

(3)

式中，E(z)表示钢管桩的弹性模量；A(z)表示钢管桩的横截面积； 本工程案例的钢管桩，直径固定，材料一致，E(z)、A(z)可取为常数。当z等于桩长L时，Q(L)就表示为桩端阻力。根据垂直荷载在桩身中的传递规律可知(施斌等， 2007)：

(4)

式中，qs(z)表示桩侧摩阻力系数；C表示钢管桩桩身周长； Δε表示某土层内钢管桩桩身两截面之间的轴向应变变化量； Δz表示钢管桩桩身两截面间距。

3.5打桩应力测试结果

在T1、T2桩身周围布置4个监测断面，其位置分别位于距离桩顶2m、20m、40m及60m处。本次FBG试验选取钢管桩打入土层45m处(测阵一)，以及桩打入距设计深度前1m处(测阵二)，进行测试分析。测试结果(表4)。

表4　T1、T2试桩打桩应力监测汇总表

T1桩长85.7m，T2桩长78.7m，从表中的数据分析，测阵1到测阵2，T1最大拉应力和最大压应力增量数值却小于T2。其原因与桩打入不同的土层性质有关。打桩时的土阻力是桩侧摩擦土阻力和桩端土阻力之和，土阻力越大，所需要的锤击能量越大。能量波在桩身传播，桩内出现压应力和拉应力。李飒等(2012)分析了大直径钢管桩在黏土和砂土中打桩能量，其结果表明随着打入深度的增加，砂土中所需要的锤击能量要大于黏土； 并指出土体在打桩过程中，进入某一土层的土阻力由上覆土层阻力和该土层桩端阻力和侧摩擦阻力构成。

T1桩长深度范围内以黏性土为主，桩端持力层为黏土。T2桩73.13m上主要为黏土层，桩端持力层为粉砂。在测阵1段45m深度处，T1、T2土层分别为淤泥质粉质黏土和粉质黏土，土质相近。其最大压应力接近。测阵2段T1为84.7m，为粉质黏土层；T2为77.7m，为粉砂层。虽然T1比T2长了7m，其由于桩侧增加的摩擦阻力远远不及T2持力层变为粉砂层产生的桩端土阻力变化大，所以最终结果，表现为T1桩从测阵1到测阵2最大拉应力和最大压应力增量数值小于T2。

图6为试桩T1、T2在测阵二各断面对应打桩应力的监测曲线。打桩瞬间，T1、T2试桩监测断面出现最大压应力，并逐渐减小向拉应力转变，两者往复交替，有较好的规律性； 随着时间的推移，能量消散，振幅不断减小，桩身应力逐渐稳定。此外，随着深度的增加，桩身应力和应力波持续时间逐渐减小，以上特征符合能量传递规律。

图6　T1(左)、T2(右)测阵二各断面应力监测曲线Fig. 6　Monitoring stress curves in testing zone 2 of T1(left)，T2(right)

根据测阵一到测阵二应力增长变化分析以及曲线应力传递特性分析，说明应力监测曲线合符规律； 打桩应力变化情况与地层特性相一致，测试数据真实合理，说明FBG技术可适用于打桩过程中应力的监测，且测试结果可靠。

3.6静载试验中桩身应力测试结果

布里渊散射光受应变和温度的影响，钢管桩身中BOTDR测试所得到的应变量由桩身轴向变化和温度变化构成。为了正确量测桩身应变，需要进行温度补偿。式(5)和式(6)为布里渊散射光频移与应变以及温度的数学关系式。通过数学换算，可以直接获得应变与温度的关系式(7)。在实际工程中，可将温度所引起的应变从总应变中直接减去，得到实际桩身应变(丁勇等， 2007)。

dν/dT=1MHz/℃

(5)

dv/dX=493MHz/%

(6)

式中，v为布里渊散射光频移；T为温度；X为应变； 用式(5)除以(6)得到式(7)：

(7)

式(7)表明，温度每变化1℃，应变测量值便会相应的变化20.3×10-6%。

在钢管桩中通过埋设光纤光栅温度计获取不同地层的地温信息。利用式(7)，从总的应变测量值中扣除温度变化引起的应变量，实现温度补偿。图7 为温度补偿后T1、T2试桩各级荷载下各断面桩身轴力分布。

图7中所测曲线表明：随着施加荷载的增加，发挥摩擦力效应的土层区域深度也相应的增加。两根试桩在最大试验荷载作用下均未达到破坏，桩身完好，桩端阻力为零。每级荷载下的桩身轴力递减速率呈现由缓至陡的趋势，其原因主要是桩顶荷载由桩身轴力和侧摩阻力共同承担，试桩地区土层上部多为软土层，下部为粉质黏土(T1)和粉砂(T2)，影响着桩周摩擦力的分布，检测曲线也出现相应的变化特征。根据以上分析，曲线的分布变化与实际地层的环境特性是相符合的。

图7　各级荷载下各断面的T1、T2桩身轴力分布Fig. 7　Stress distribution of pile in different position on T1，T2 piles with different vertical loading

表5　T1试桩在最大试验荷载下发挥的摩阻力

表6　T2试桩在最大试验荷载下发挥的摩阻力

T1、T2试桩在最大试验荷载下发挥的摩阻力如表5、表6所示。

由于在最大试验荷载下桩均未破坏，T1、T2土层最大侧摩阻力不低于表5、表6摩擦力计算值。

4高应变测试

4.1测试内容与方法

根据推荐性行业标准《公路工程基桩动测技术规程》(JTG/TF81-01-2004)对T1、T2试桩进行高应变检测。本工程同时使用CASE法和CAPWAP法进行计算，两种方法可相互校核。由于CAPWAP法的计算结果较之CASE法更为可靠，最终提供的结果为CAPWAP法计算结果。

4.2测试设备

采用岩海RS型高应变测试系统(图8)。加速度传感器：CA-YD-106型，电压灵敏系数为6.93mv·g-1，最大容许加速度为8×103m·s-2； 应变传感器：CYB-YB-F1K型，测量范围为0～1000με，灵敏度系数为3.655μV/με，桥压为2V。激振设备采用自由锤。

图8　设备配置及流程图Fig. 8　Device and flowchart of high strain test

4.3检测结果及分析

T1、T2单桩竖向抗压极限承载力设计值都为12000kN，试验获得的单桩竖向抗压极限承载力均满足设计的要求。图9 分别是T1(左)、T2(右)试桩高应变测试曲线图。

图9　T1(左)、T2(右)试桩高应变测试曲线Fig. 9　High strain testing curve of T1(left)，T2(right)

T1单桩竖向抗压极限承载力为15879kN；T2单桩竖向抗压极限承载力为17458kN，这与竖向静载试验的结果是相符合的。高应变检测曲线光滑连续且完整，可知桩是完整的，这与光纤检测结果一致。

在实际工程中发现，高应变测试对检测人员技术水平要求高，需要较强的理论知识和实践经验，要求其对现场情况、原始资料方面准确分析，制定合适的检测方案。此外，要保证传感器正确安装。在选择检测时间上，要充分考虑桩周土的时间效应。光纤试验关键点在于保证光纤传感器采集数据的可靠性，具有操作简单，抗干扰能力强特点。考虑到海上复杂的工程地质条件，场地环境等因素的影响，选择光纤检测技术较优。

5结论

(1)光纤检测技术适用于钢管桩侧摩阻力、桩身轴力量测，具有分布式、长距离、一端检测等优点。在桩身完整性检测方面，对比高应变测试，在环境复杂的海上钢管桩试桩中，采用光纤检测技术较优。

(2)本文采用的一套光纤传感器铺设方法是行之有效的，有较高的应变计存活率和数据采集的可靠性，为进一步数据推导提供了基础，较准确地反映出钢管桩应力传递特点，为光纤检测技术在桩基监测和检测中的使用提供了工程经验。

(3)运用FBG技术可实现钢管桩打桩过程中桩身内力量测，其测试结果可信。

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APPLICATIONOFFIBEROPTICSDETECTIONTECHNIQUETOTESTINGSTEEL-PIPEPILESON-SEA

SHIZhenming①②SONGJing①②

( ①Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

( ②Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092)

AbstractThe content of piles test contains pile integrity testing and bearing capacity testing. Its purpose is to determine parameters and choose proper method and device for piles sinking. It needs to take climate and geological conditions in the area of piles test into consideration. Choosing a suitable detection is important to improve parameter accuracy and reduce cost of piles. Vertical static loading test is a reliable analysis of bearing capacity of piles. The methods of pile integrity testing include analysis of core boring, low strain testing, and high strain testing and ultrasonic transmission method. The accuracy of those methods are affected in testing piles on-sea. Fiber optics detection is simple to operate. The accuracy is high. Fiber optics detection is based on BOTDR and FBG theory. But there is just few engineering cases referring to piles test on-sea with fiber optics detection This paper shows an engineering case on piles test referring to three methods. They are the pile integrity testing, fiber optics detection and high strain testing. The successful pile test states the fiber optics detection as a new method is reliable and high accuracy．

Key wordsPile integrity, Bearing capacity, Fiber optics detection, Vertical static loading test, High strain test

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.019

* 收稿日期：2015-06-05; 收到修改稿日期： 2015-08-24.

基金项目：国家自然科学基金项目(41372272，41402257)资助.

第一作者简介：石振明(1968-)，男，博士，教授，从事地质工程教学和研究工作. Email: shi_tongji@tongji.edu.cn

中图分类号：TU473

文献标识码：A