光纤传感技术在桩身内力测试中的应用

张明峻

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 绪论

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ε（Z）。桩身轴力Q（Z）可按下式计算：

Q（Z）=ε（Z）·Ec·A

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qs（Z）可按下式计算

qs（Z）=-A·EcUΔεΔZ

式中：Δε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

以某電厂试桩工程为例，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、（31）层粉质粘土、（32）层粘土、（33）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。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（32）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。

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.