光纤传感技术在桩基内力监测中的应用研究★

沈国根

(扬州市市政建设处，江苏 扬州 225002)

混凝土桩基结构是重要地下结构设施，也是典型的隐蔽结构，发现质量问题难，事故处理更难。因此，通过检测/监测等技术手段，了解桩基的内部状况，判断其安全情况尤为重要[1]。目前，桩基结构检测/监测方法主要有低应变法[2]、高应变法[3]、声波透射法[4]等，这些方法可以对桩的完整性等一些显著缺陷实时准确检测，但在定量计算桩基内力状况方面存在不足。在桩基内部埋设应变/应力传感器，如钢弦应变计[5]、光纤传感器[6]等，可以准确获得桩基的内力信息，从而定量评估桩基结构安全。

光纤光栅传感器具有精度高(达到1 με)、可分布式监测、设备成本低等优点[7]，在工程结构的应变/应力监测中应用较为广泛。本文采用光纤光栅技术，并对光纤光栅传感进行复合材料封装，将其应用于某桩基工程现场静载试验应用研究中，准确测量了桩基内力分布情况。

1 光纤传感技术原理

光纤光栅传感技术是光纤传感技术中应用较广泛的一种，其基本原理是：在光纤通过激光刻制一定周期长度的光栅，当入射光通过光栅时，与光栅周期长度匹配的光(即某特定波长的光)会在光栅处形成反射，并以反射光的形式被光栅解析设备捕捉并解析波长；应变和温度变化会引起光栅周期长度的变化，并且之间存在良好的线性关系，如式(1)所示，通过计算反射光波长的变化(Δλb)就能实现应变和温度变化测量。

Δλb=Kε×(ε-ε0)+KT×(T-T0)

(1)

其中，ε，T分别为应变和温度；ε0，T0分别为初始应变和初始温度；Kε，KT分别为应变和温度传感系数。考虑到光栅对应变和温度交叉敏感，因此，在实际应变/应力测量中一般需要实时温度补偿。

通过波分复用技术，一根光纤通路上可以串联若干个光栅，从而形成分布式测量。但是，光纤易脆断，在工程中直接使用存活率较低，一般需要进行特殊的封装。纤维复合材料强度高(一般超过1 000 MPa)、耐久性好、可加工性强，本文采用纤维复合材料封装光纤光栅传感器，大幅提升光纤传感技术在工程结构中的可应用性(见图1)。

2 桩基内力监测的理论和方法

光纤传感器可直接测量桩基断面的应变，然后根据力学的基本知识，可建立桩基某断面轴力Pi的计算公式。为此，本文中假定：1)桩基断面上传感器、钢筋和混凝土变形一致，即传感器测量的应变与钢筋、混凝土的应变相同；2)考虑到实际桩基内力远小于极限内力，故认为钢筋、混凝土处于弹性阶段。计算公式如下。

Pi=EcεiAc+EsεiAs

(2)

其中，εi为桩基断面i的监测应变；Ec，Es分别为混凝土和钢筋的弹性模量；Ac，As分别为混凝土和钢筋的面积。

如果发现测量应变超过了混凝土或钢筋的弹性应变限值，可进一步根据钢筋混凝土结构力学建立相应桩基断面轴力计算公式。

3 某桩基工程应用研究

3.1 试验工程概况

试验工程位于长江漫滩地貌土质中，地上11层，地下3层，设计荷载标准值约12 kN/m2每层，地基基础设计甲级。采用钻孔灌注桩，桩长60.5 m，桩径1 200 mm，混凝土等级为C35，入岩4 m，设计为摩擦端承桩。

试验为典型的静力压桩试验，采用堆载加载的方式，每级荷载为1 300 kN，总荷载量为13 000 kN。考虑到桩基轴力变化主要体现在桩顶附近区域，因此，光纤传感器的位置如图2所示，从桩顶向下0.5 m处布设第一个测点，然后每隔1 m布设一个测点，共计7个测点。

3.2 试验结果

试验桩在不同荷载工况下的桩身应变分布如图3所示，从结果可以看出：在同一荷载工况下，桩身应变随着深度增加呈逐渐减小趋势；在1 m～3 m范围内应变出现了跳跃，推测此处桩基出现了缩颈或该范围土层出现了负摩阻力。

将应变代入式(2)中，计算各断面的桩身轴力，结果如图4所示。结果表明：在桩顶处(即最上层测点)，轴力与施加的荷载数值接近，验证了计算方法的准确性；桩身轴力随深度向下逐渐递减，说明荷载从桩顶向下传递逐渐减弱，主要是因为桩周侧摩阻力的影响；在某些位置出现了回增和跳跃现象，原因与地质条件和桩质量有关。

4 结语

桩基内力是表征桩基结构安全的重要指标，本文采用光纤传感技术，对某桩基静载试验中桩基内力实时了监测应用研究，研究结果表明：

1)封装的光纤传感器可以适应混凝土结构工程的施工、加载等工况，具有一定的可施工性；

2)光纤传感技术可以准确监测桩身应变分布、计算桩身轴力。

考虑光纤传感技术分布式传感及其长期测量效果好的特点，可大幅减少现场引线及其保护工作，提高监测效率，因此，本方法具有广阔的应用前景。