基于分布式光纤传感技术的钢板桩施工全过程演化规律

2020-09-04刘立新任祥瑞雷志强毛景权罗威力

中外公路 2020年3期

刘立新, 任祥瑞，雷志强，毛景权，罗威力

(1.中交一公局桥隧工程有限公司，湖南长沙 410000；2.广州大学)

钢板桩是桥梁基础建设中被广泛应用的支护结构，是桥梁桩基水下承台建设中最常见的支护形式之一。钢板桩的优点有止水效果好、可回收、施工快、施工成本低等。然而钢板桩的安全可靠性往往比较低，施工时容易出现安全事故，若围堰监测手段不足或者监测精度不满足要求，很容易出现桩的失稳、坍塌，造成生命财产损失。目前，围堰监测的传统方法采用点式传感器，如应变计、测斜仪等。此类传感器具有布点多、路线多、易受环境的影响、安装不便、人工成本高等缺点。另外，由于传统监测传感器需要人工读数、记录等，很难实现长期长距离的实时监测。为了克服工程监测存在的弊端、消除施工过程的安全隐患、实现信息化施工，探索出一种新的围堰监测方式非常必要。

近年来，分布式光纤传感技术逐渐被用于工程监测中，因为光纤传感器具有分布式测量、抗电磁干扰、不怕水、耐高温、耐腐蚀、易安装、容易实现长距离监测等优点。光纤传感监测技术广泛应用于结构健康监测中，其在边坡、桩基、管道、大坝、隧道、基坑、桥梁等结构施工与运行阶段中的监测都有应用，取得了良好的效果，具有很大的应用前景。但是尚未见有文献报道应用分布式光纤传感技术监测钢板桩围堰施工全过程的变形。

该文提出一种光纤测量钢板桩受力变形的新方法。在钢板桩上埋设分布式传感光纤，使传感光纤与钢板桩合为一体，共同变形，此时钢板桩成为具有感知变形能力的构件，它能够实现实时监测钢板桩的应变、弯矩、挠度等数值，确保围堰开挖的可靠性与安全性。该方法可分析围堰内排水与开挖过程支护结构的内力和变形的变化规律，验证支护结构的有效性，可作为围堰施工过程的一项安全指标。通过对广州花都至东莞高速公路某合同段仙村涌2号大桥钢板桩围堰的监测实例分析，以验证该技术在现场适应性、剔除温度影响、远程分布式测量等方面的应用效果。

1 分布式光纤监测原理

1.1 BOTDA原理

BOTDA是近年来兴起的一种新的光纤传感技术。此技术原理以光纤为介质，通过在光纤两端发送脉冲和连续光波，光纤中的布里渊频率会产生偏移，从而感知和传输外界发生改变的信号。布里渊频移量与光纤应变成正比关系。所以，光纤应变可以通过布里渊频移量由下式求出：

(1)

1.2 工作原理

应用BOTDA对钢板桩进行分布式检测。将传感光纤埋设在钢板桩的腹板表面上，然后把安装有分布式传感光纤的钢板桩竖直沉入河床地基中，在围堰抽水和开挖过程中受水平方向上水、土压力的作用。在此作用下，光纤传感器和桩身发生变形协调，在光纤一端通过分布式光纤解调仪对桩内传感光纤长度上任一点的应变信息进行检测，可得到布里渊频移νB(ε,T)，通过公式εc=νB(ε,T)/K求得钢板的应变值，式中εc为钢板桩应变值；K为布里渊频移的影响系数，由应变值可以求得钢板桩相应力学参数。

2 传感光纤安装工艺

为了不削弱钢板桩的截面面积和保护光纤传感器在沉桩时不受破坏，该文提出一种新的传感光纤安装方法：从桩顶开始到桩底，在钢板桩腹板中轴线上侧焊接2根保护钢筋，在钢板桩腹板中轴线下侧焊接1根角钢，将传感光纤黏结在2根保护钢筋形成的凹槽以及铺设在空腹的角钢上面，铺设在桩中的传感光纤呈U字形回路，铺设在保护钢筋形成的凹槽上的光纤测量内力产生的应变，铺设在空腹角钢上的光纤测量温度产生的应变。为了在围堰施工检测时能够方便地连接光纤解调仪，在桩头需要留出一定长度的光纤传感器。为了防止后期施工时，桩头处的光纤受到人为破坏或者环境的影响，在桩头预留光纤应进行封装保护，以免影响光纤的使用寿命。传感光纤的安装工艺如图1、2所示。

图1 光纤测量线路构成示意图

3 传感光纤应变标定室内试验

传感光纤标定试验主要考察应变递增时分布式光纤应变测量系统测得的光纤布里渊频率变化趋势，验证应变变化与系统所测布里渊频率之间的线性关系，评价系统的应变测试能力。

图2 钢板桩测量系统布置侧面示意图

试验采用的传感光纤原长度为3 m，对传感光纤施加轴力，使传感光纤产生轴向变形，用激光干涉仪测定受拉传感光纤的伸长量，通过应变量控制数据采集点，采集传感光纤变形时的布里渊频率变化量。应变每增加0.003%，传感光纤解调仪采集一次数据，直至传感光纤的伸长量达到9 mm时停止采集，得到光纤应变与布里渊频率、频移累计的关系，如表1、图3所示。

表1 光纤应变与布里渊频移的关系

由图3可得：应变变化与布里渊频移累计呈良好的线性关系，传感光纤应变对布里渊频移的影响系数为：

图3 光纤应变与布里渊频移累计的关系

4 数据处理方法

BOTDA对钢板桩的检测结果是传感光纤段在每个工况下的应变频谱，得出的应变频谱含有噪声，波动性比较大，难以得出钢板桩应变变化规律，所以需要对应变频谱进行消噪和平滑处理。首先运用小波分析法对应变频谱进行消噪，再运用移动平均法进行平滑处理，如图4所示。

图4 原始、消噪与平滑处理信号

图4为某工程对长度18 m的钢板桩围堰进行施工全过程检测，运用小波变换对原始数据进行降噪处理的信号。从图4可以看出：降噪后的曲线更加光滑，有效抑制了高频信号，降噪效果明显。对降噪后数据采用移动平均法进行修匀，可有效消除数据的波动性，能消除和减小外界偶然因素的影响，显示钢板桩的应变变化趋势。

由于温度的变化影响BOTDA频移的读数。因此，需要进行温度补偿，以减轻温度对布里渊频移的影响。该工程通过铺设专用的温度补偿光纤来进行温度补偿。由式(1)可知：BOTDA的测量值包含了温度和应变的共同影响，假定BOTDA 的测量值为应变测量值，则该应变测量值由两个部分组成：

εc=εε+εT

(2)

式中：εc为总应变；εε为真应变；εT为温度应变。

在同一温度场内的不同光纤εε可能不相同，但是εT是相同的，因此，εε可由式(2)求得。

根据钢板桩的应变，可以计算得到钢板桩弯矩，其计算公式如下：

(3)

式中：M(x)为桩身弯矩值；I为每根桩的惯性矩；E为弹性模量；Δε为应变改变量。

根据弯矩计算公式(3)，可计算桩的挠度分布：

(4)

式中：yd为某截面处的挠度；C和D为由边界条件决定的参数。

由于该文工程土体条件较软，在围堰的抽水与开挖过程中，钢板桩底部会发生旋转。当桩受到水平作用的支撑力时，水平位移受到限制，桩底旋转值无法测量，因此在得到桩体轴向应变的前提下，需要用全站仪监测的桩顶水平位移作为边界条件，利用这些边界条件求出桩身挠度。

5 围堰监测应用实例

5.1 工程概况

广州花都至东莞高速公路某桥墩建于软岩地层中，水下软岩强度性质不稳定，地基土物理力学性质指标详见表2。

表2 土层及填土的物理参数值

围堰采用钢板桩(参数见表3)插打围合而成，围堰长×宽×高=17.90 m×12.60 m×18 m，水深4～9 m，开挖深度为水面以下6 m，钢板桩嵌固深度为5 m，水平方向上设有4道支撑。

表3 拉伸钢板桩截面参数

该围堰采用逆做法施工，先下放第1、2道内支撑系统，再打设钢板桩围堰。排水开挖基坑内土层，边开挖边支撑。基坑开挖如图5所示，开挖分6个工况，各工况如下：

图5 基坑开挖示意图(单位：cm)

(1)工况1：安装1、2道支撑，以1、2道内支撑的围檩为基准线，打设钢板桩围堰。

(2)工况2：围堰内抽水，基坑开挖至第3层支撑下0.5 m。

(3)工况3：安装支撑3，基坑向下开挖1 m。

(4)工况4：基坑向下开挖至支撑4以下0.5 m。

(5)工况5：安装支撑4，基坑向下开挖1.5 m。

(6)工况6：基坑开挖到底。

5.2 现场监测

根据基坑开挖的6个工况，分布式光纤传感技术对钢板桩进行检测过程是与围堰基坑开挖同步进行的。在钢板桩沉桩后对桩身进行初值测试，之后每个工况测一次，直至开挖到底、混凝土垫层施工完成。数据处理时把每个工况下所测的变形数据减去初始值就是钢板桩的变形值。

5.3 监测结果分析

BOTDA仪器的数据采样间距为0.25 m，根据式(2)得到桩身随桩长变化的应变值分布曲线，并对应变分布曲线除噪和平滑处理，结果如图6所示。

图6 桩身应变分布图

根据式(3)计算得到各工况下钢板桩的弯矩分布图，如图7所示。从图7可以看出：钢板桩桩身弯矩值随着开挖工况的进行而增加，在开挖过程中，最大弯矩约为220 kN·m；在桩长约1、4.5、7、9以及13 m处的基坑底分别出现弯矩转折点，实际支撑点位置分别为1、4.5、7.5、10 m，基坑底处为13 m，可以判断弯矩转折点主要由内支撑和基坑开挖面的土体造成；桩身弯矩峰值随着开挖的进行逐步下移；符合实际情况。根据计算钢板桩的抵抗弯矩为516 kN·m，围堰施工的最大弯矩小于其抵抗弯矩，满足施工要求。