光纤光栅传感技术在桩周摩阻力模型试验中的应用

范 磊，张 烨，刘 曦，董岳林，孙 腾

(1. 长安大学，陕西 西安 710064 2. 陕西建工集团机械施工有限公司，陕西 西安 710032)

光纤光栅传感技术在桩周摩阻力模型试验中的应用

范 磊1，张 烨2，刘 曦1，董岳林1，孙 腾1

(1. 长安大学，陕西 西安 710064 2. 陕西建工集团机械施工有限公司，陕西 西安 710032)

我国西北地区分布着大面积自重湿陷性黄土，浸水湿陷后会导致桩土相对位移增大，导致产生较大的负摩阻力，湿陷性所带来的桩身负摩阻力会给桩基工程带来来巨大危害。本文借助60g.ton土工离心机开展了系列离心模型试验，将轻质，微型，抗电磁干扰的光学传感技术与土工离心模型试验相结合，通过室内标定试验结果和传统电阻式应变仪试验结果对比分析得到桩周土体湿陷条件下桩身摩阻力变化规律，分析了不同相对密度细沙作为持力层条件下桩身摩阻力变化规律，同时验证FBG传感器在离心场中工作的稳定性。

光纤传感；离心试验；湿陷性黄土；桩基摩阻力

我国西北地区存在着大面积的自重湿陷性黄土，浸水湿陷后土体产生巨大的沉降，导致桩土相对位移急剧增大，导致桩侧负摩阻力增大，是降低桩基承载力、桩身位移增大的重要因素[1]。如何避免由于黄土湿陷性产生的负摩阻力给桩基工程带来的巨大危害，已经成为人们关注的重点问题[2]。由于黄土湿陷机理复杂，理论方法尚不成熟，现场试验仍是主要手段，国内外许多学者进行了大量的现场试验[3-7]，取得了许多宝贵的一手资料，这些资料为后续研究奠定了基础。但现场试验耗时耗力且受干扰因素多，土工离心模型试验可以有效解决这一问题。众所周知，传统的电信号应变测试结果装置受测试场域电磁环境影响较大且电信号应变仪多为单点测试，大量繁复的安装过程所带来的误差也很难避免。光纤传输线体更轻更细，光纤光栅技术在桩基础受力与变形测试中受到欢迎。寇海磊等[8]在桩身预埋FBG光纤传感器，对PHC 管桩休止期内桩身应力进行监测，从桩侧摩阻力及端阻力时效性对桩基承载力变化进行分析。余小奎等[9]利用光纤传感监测技术锤击PHC 管桩成功进行测试。马豪豪[10]在土工离心模型试验中首次进行了FBG应变传感器的应用，取得了良好的测试效果。本文借助60g.ton 土工离心机开展离心模型试验，利用离心机机械手施压系统来实现桩基的施工和施荷过程，并通过自行研制的土体增湿装置实现了原状黄土的大面积湿陷，将光纤光栅传感技术应用于离心场中桩身不同位置和不同时段的应变特征测试，进而获取桩周土湿陷条件下桩周摩阻力的分布规律。

1 离心场FBG传感系统

光纤布拉格光栅反射光的中心波长λB与其所处位置的温度场以及应力场的改变有关，对于光纤光栅反射光，其中心波长的变化在一定程度上可以反映外界被监测信号的变化状况。对于光栅，在其受到拉伸的时候，或者受热膨胀的时候，λB将增大；当光栅受到压缩或者温度降低时，λB将减小。

光纤光栅通过射率的变化实现光波之间的耦合。当入射光进入光纤时，布拉格光栅会反射特定波长的光，该波长满足以下的特定条件[11]:

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB为反射光的中心波长，一般为1 510～1 590 nm；neff为光纤的有效折射率；Λ为光纤光栅的栅距。

反射光的中心波长λB与光栅周期和纤芯的有效折射率有关，光纤光栅中心波长改变量Δλ和桩身纵向应变Δε的关系为：

(2)

式中：λB为光纤光栅中心波长；ΔλB为光纤光栅中心波长改变量；Pe为光纤材料的弹光系数，这里取0.22。

光纤光栅传感器的粘贴以及封装保护是监测桩身应变的关键点之一。由于光纤光栅传感器的直径只有250 μm，试验过程中可以将光栅传感器和传导光纤直接封装在管桩模型表面，同步完成光纤光栅传感器的封装与保护工作。具体操作如下：模型试验中所使用的光纤光栅传感器由定制的裸纤进行自行设计封装，传感器部位裸纤用环氧树脂AB胶粘贴于桩体测试位置表面，其余数据传输光纤用4层热缩管层层保护，封装完成后光纤如图1所示。传感器从管桩端部开始，间隔30 mm均匀布置，即沿管桩深度分别在20 mm、50 mm、80 mm、110 mm、140 mm、170 mm和200 mm位置处布置7个传感器，模型箱中桩基布置如图2所示。

图 1 桩基模型FBG传感器封装

图2 离心模型箱测试桩基布置图

2 离心模型过程

试验中湿陷性黄土层采用原状湿陷性黄土，原状湿陷性土块如图3所示。在湿陷性黄土层下布设10 cm厚度细砂层，为模拟持力层不同压实条件下桩周摩阻力，试验过程中分别考虑细砂相对密度为0.68、0.78和0.89三种工况。

试验基于长安大学土工离心机离心场浸水装置[12]进行改进，输水系统由储水箱、输水管、电磁阀、独立开关等组成，储水箱由不锈钢板焊接而成，固定在离心机转臂上。黄土层的饱和度达到85%即达到了完全饱和湿陷状态，试验过程中浸水水箱中储备水量需确保土体能够达到饱和状态，并通过电动开关控制浸水量，从而实现桩周土层的完全湿陷。模型试验相似比例n=60，模型桩为直径10 mm的圆柱形铝质金属管，桩长205 mm。桩基施工和加荷过程运用长安大学土工离心机加荷载系统来实现，该系统由机械手主机和电气系统构成，其中机械手Z轴向能提供最大18 kN的垂直荷载，利用其拉压功能模拟静压桩及施加荷载过程。试验过程中将桩模型固定在机械手Z轴底端，然后利用机械手的精确定位功能使管桩就位，调节Z轴的移动速度，以合适的速度将桩管压入土中。桩顶荷载也由Z轴施加，试验过程中桩顶施加1 kN轴向荷载。为保证FBG传感器在土工离心场中采集数据稳定可靠，试验对FBG应变传感器和传统电阻式(ER)应变片进行了对比验证，即在同一根模型桩中同一桩位处两侧等高处分别粘贴FBG传感器和ER应变片如图4所示。可以看出，运用传统应变传感器测试桩身应变，应变测试元件粘贴面积大且引出数据线繁多，不仅影响桩土之间相互作用机制，而且每个测点元件的引出线所形成一大束导线将会占据离心机大部分的集流环空间，且这些导线成束绑扎，信号传输过程中相互干扰，极大地影响了测试精度，但FBG传感器只需一条导线，轻质，微型，抗电磁干扰优势明显。为避免外壁粘贴应变片影响摩阻力和信号线引出等问题，粘贴FBG传感器时，在模型桩身开细槽，矩形槽身边长为2 m，FBG传感器直接粘贴于凹槽内部；ER应变片采用外壁粘贴应变片，在桩身凿细孔，信号线从管内集中引出。对桩身施加同一荷载，分别采集应变变化数据如图5所示。数据对比分析可知，两种传感器测试结果虽总体规律相似，但仍具有一定偏差，其中ER应变片测试结果整体上比FBG应变传感器测试结果偏小。另外，在测试后期，ER应变片在测试过程中有部分测试元件损坏现象，从而说明FBG应变传感器能够在离心场条件下有效获取试验应变变化数据，且从测试安装工艺和测试准确度方面具有较高稳定性。

图3 原状湿陷性黄土土块

图4 ER传感器和FBG传感器对比测试图5测试结果比较

3 试验测试结果分析

分别考虑两种轴向荷载，三种细沙相对密度条件下，持力层桩侧摩阻力如图6所示。

(a) 湿陷条件下3 kN轴压桩周摩阻力平均值 (b) 湿陷条件下1 kN轴压桩周摩阻力平均值

图6桩周摩阻力平均值

从图6可以看出：黄土层浸水湿陷条件下桩基周围产生了明显的负摩阻力，最大平均值达30.6 kPa；比较发现，相同轴向荷载下桩底持力层相对密度越大，桩身摩阻力分布特征越稳定，这是因为当桩端持力层相对密实度较小时，浸水初期桩周土湿陷使桩周产生了负摩阻力，但在桩顶荷载的作用下，桩基础相对于桩周土又产生了明显的相对向下位移，出现正摩阻力。

(a) 湿陷条件下3 kN轴压桩身轴力 (b) 湿陷条件下1 kN轴压桩身轴力

图7桩身轴力

在两种轴向压力作用下，桩身轴力如图7所示。相对于有荷载1 kN，轴向荷载为3 kN时，基底持力层承担了更多的轴向压力，细沙相对密度减小导致桩底轴力增大，3 kN轴压下桩身轴力最大达到3.85 kN，中性点深度比随着基底持力层的稳定也在逐渐地增加，在中性点位置处达到峰值；当Dr=0.89时，中性点深度比最大值能达到1左右，这主要是由于桩端持力层刚度增大，导致桩身沉降量大大降低，进而导致桩土相对位移增加，从而使中性点的位置下移，离心试验测试结果验证表明：黄土地基表层浸水条件下，产生湿陷变形的黄土深度在6 m左右，桩身上部轴力逐渐增大，直到中性点位置处达到峰值，最后逐渐减小；当基底持力层承载力较低时，中性点一般在桩身中点上部。

4 结语

将轻质，微型，抗电磁干扰的FBG传感技术与土工离心模型试验相结合，通过室内标定试验结果和传统电阻式应变仪对比分析验证了该传感器具有精度高、实施方便等优点。FBG传感器测试所得的湿陷性黄土在浸水条件下桩周摩阻力的影响因素和变化规律是合理的，测试结果得出了桩周湿陷性黄土桩周摩阻力的产生机制和分布特征以及湿陷条件下桩身轴力分布规律，对黄土地区桩基础复合地基施工、设计起到一定的参考作用。

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ApplicationofFBGsensingtechnologyinmodeltestofpilefrictionresistance

FAN Lei1, ZHANG Ye2, LIU Xi1, DONG Yue-lin1, SUN Teng1

(1.Chang'anUniversity,Xi'an710064,China; 2.SCEGCMechanizedConstructionGroupCompanyLTD，Xi'an710032,China)Abstract：In northwest China, the large area of collapsible loess is distributed, and the relative displacement of pile and soil will increase after soaking in the wet depression, which leads to the large negative friction, and the friction caused by the wet subsidence will bring great harm to the pile foundation project. With the help of 60g.ton geotechnical centrifuge, a series of centrifugal model tests were carried out to combine the light, micro and electromagnetic interference optical sensing technology with the geotechnical centrifuge model test. Based on the results of indoor calibration test and the traditional resistance strain gauge test results, the variation regularity of pile-body frictional resistance under the condition of pile-soil collapsibility is obtained, and the friction resistance of the pile body under the condition of different relative density sand as the bearing layer is analyzed. The regularity of force variation and the stability of FBG sensor working in centrifugal field are validated.Keywords：FBG; model test; collapsible loess; friction resistance of pile

2017-08-16

范 磊(1994—)，男，河南开封人，硕士研究生。

1674-7046(2017)05-0028-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.006

TU457

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