预应力高强度混凝土管桩桩身受力特性测试技术研究进展*

2020-09-10马加骁张明义王永洪

工程地质学报 2020年4期

马加骁张明义② 王永洪②

（①青岛理工大学土木工程学院，青岛266033，中国）

（②山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛266033，中国）

0 引言

预应力高强度混凝土管桩（Prestressed High Strength Concrete Pipe Pile，简称PHC管桩）采用钢筋先张预应力、桩身高速离心成型工艺，经高温高压蒸汽养护而成的中空钢筋混凝土管桩。PHC管桩具有成桩效率高、桩长控制灵活、竖向承载力高、造价经济、应用范围广等诸多优点，在工民建、市政、桥隧、港口等工程领域中备受青睐（Coyle et al.，1966；Bueland，1973；Fleming，1992；张明义，2004）。

自1884年，Hennegue采用混凝土研制成桩，混凝土桩基首次出现。1906年，德国工程师在混凝土桩中埋入箍筋，提高了混凝土桩的承载能力。1915年，W.R.Hume将离心技术运用到混凝土桩制作工艺中，使混凝土更加密实，进一步提高了桩的承载能力。随后，日本在1934年用离心法研制出环形混凝土桩，并于1962年首次将预应力工艺应用于环形混凝土桩，经过多次工艺改进和技术创新，至20世纪60年代末，成功研制出PHC管桩。与国外相比，我国混凝土管桩行业起步较晚，在20世纪40年代、60年代成功研制出钢筋混凝土离心管桩、预应力混凝土管桩，于80年代末引进了日本PHC管桩的生产工艺。随着我国基础设施建设的加速，PHC管桩行业快速发展，生产工艺也逐渐改善。如今，PHC管桩已被广泛应用于各工程领域中。

为进一步提升PHC管桩的承载性能、优化设计参数、提高经济效益，需对PHC管桩的桩身受力情况进行更为深入的研究。但是，测试过程中存在传感器安装困难、存活率低、桩身破坏大、数据精确性低等难点，且与桩身的受力情况、制作工艺、沉桩方式、管壁结构等因素有关（Nicolaa et al.，1999；Yasufuku et al.，2001；Budek et al.，2008；寇海磊等，2014）。目前，国内外学者采用多种卓有成效的测试技术对PHC管桩桩身受力特性进行了研究，并取得了诸多成果。根据瑞士K.Kovari教授提出的概念结合新兴测试技术，将现有PHC管桩桩身受力测试技术分为点法监测、线法监测、全分布式光纤监测、准分布式光纤光栅监测。本文将从这4类测试技术的原理、应用现状、传感器安装方法及其优缺点进行总结性介绍，并对相关测试技术的发展及研究方向进行展望。PHC桩工艺改进、传感器安装方法创新、多种测试技术结合、测试数据优化、探寻新的测试技术将是未来的研究热点。

1 点法监测

点法监测是只能对PHC管桩桩身测试元件埋设处的应力－应变信息进行测量的监测方法，此类监测方法的原理简单、技术成熟、操作简便、容错率高，但存在测量精度低、漂移量大、以点概面等缺点，常用的监测元件有钢筋计、应变片、土压力盒等。

1.1 钢筋计监测

PHC管桩中常用振弦式钢筋计，振弦式钢筋计是其内部钢弦张力变化，引起钢弦自振频率的改变，通过传感器测定其频率的变化可得到所测钢筋的应力－应变。根据桩身混凝土和钢筋计共同受力且应变相等的变形协调条件，可推算桩身轴力分布及不同位置处的桩侧摩阻力，PHC管桩中钢筋计的安装方法可分为填芯法和预埋法。钢筋计的主要技术参数如表1所示。钢筋计钢弦的自振频率与钢弦受力的基本关系为式（1）：

式中：f为钢弦振动频率；L为钢弦有效长度；σ为钢弦应力；ρ为钢弦材料的密度。

表1 钢筋计的主要技术参数Table 1 Main technical parameters of reinforcement meter

填芯法是利用PHC管桩桩身的空芯，将钢筋计按设计位置安装于钢筋笼上后填置于PHC管桩空芯中，填充混凝土使钢筋计和管桩变形协调。施峰（2004）将钢筋计安装于桩顶、桩端和土层分界面所对应的钢筋笼上，钢筋笼置入管芯内注入C40混凝土振捣密实后测试效果良好。苏振明（2005）对8根PHC管桩进行破坏荷载试验，采用填芯法并对钢筋计和屏蔽电缆采取可靠防潮绝缘措施，通过钢筋笼上的钢筋计测量标定断面受力，得到管桩的极限侧摩阻力和极限端阻力。张忠苗等（2008）同样利用PHC管桩的空芯填置带有钢筋计的钢筋笼，填充C60混凝土振捣密实，考虑开闭口影响在桩端、桩顶未填充混凝土，经试验测得PHC管桩的承载力比静力经验公式高18.53%，并且将PHC与方桩静载试验进行对比，发现PHC管桩与方桩的端阻变化规律相同，但PHC管桩的端阻明显高于方桩（图1）。对于优化PHC管桩设计、指导工程桩型选择具有重要意义。

图1 各试桩端阻比变化Fig.1 Curves of share of base resistance of test piles

预埋法是将钢筋计预先安装于PHC管桩的钢筋笼上，再进行浇筑、离心、养护等制作工艺。蔡健等（2006）和周万清等（2007）在PHC管桩中预埋钢筋计，分别在桩身布设了43层、34层测试断面，管桩采用水养护和自然养护结合的养护方法提高钢筋计存活率，对深厚软土地区中PHC管桩的受力特性进行研究。潘艳辉等（2007）对钢筋计的预埋安装方法进行了研究，详细介绍了钢筋计安装、施工、监测的方法，提出了提高预埋钢筋存活率的可行性建议，探究了静力触探与PHC管桩承载力间的预估关系，对PHC管桩中钢筋计的高效应用具有很好的借鉴意义。黄良机等（2008）在超长PHC管桩的生产过程中将钢筋计预埋于管桩钢筋笼上，对高应变下管桩的荷载－位移曲线进行动静对比研究，钢筋计在高应变下的测试效果良好。吴跃东等（2015）采用钢筋计预埋法并结合出线头支托防护、信号线内侧布线、控制钢筋笼吊点、控温养护等行之有效的方法，使PHC管桩内钢筋计存活率达到100%。

填芯法与预埋法相比操作方便、钢筋计的存活率明显提高，但是填芯法使钢筋计与桩身的变形协调存在差异、改变了桩身弹性模量及桩端开口性状，影响测量精度。

1.2 应变片监测

应变片是利用电阻应变原理制成的测试元件，内部金属构件应变及温度变化会引起阻值变化，通过测量阻值变化量得到所测应力，应变片需通过温度补偿消除温度改变产生的附加误差，常用的方法有使用温度自补偿应变片和桥路补偿。应变片可应用于PHC管桩桩身受力特性的测试，但存在很大局限性。应变片的主要技术参数如表2所示。

表2 应变片的主要技术参数Table 2 Main technical parameters of strain gauge

冷伍明等（2004）和律文田等（2006）为解决PHC桩身表面粘贴的应变片在沉桩过程中易损坏的问题，发明了一种新的应变片预埋方法，在PHC管桩制作过程中预先埋设工字钢板并预留穿线孔洞，成桩后在钢板表面粘贴应变片、加盖保护层（图2）。阮翔（2011）、史永强等（2012）采用内贴法将应变片粘贴于每节PHC管桩距两端300 mm处的内壁上并用津环氧树脂的纱布进行保护，每个测试截面在桩身上粘贴12个应变片（图3）。应变片虽安装简单、造价较低，但在PHC管桩中安装位置受限不能对重点部位进行监测，在PHC管桩中的应用较少。

图2 预制管桩应变片安装示意图Fig.2 Pre-embedded parts of strain gauges in precast pile

1.3 土压力盒监测

PHC管桩桩身内力监测中常采用振弦式土压力盒，其工作原理与振弦式钢筋计类似，受力时感应板变形引起盒内钢弦振动频率的改变，通过传感器监测钢弦频率变化，得到桩身所受的土压力值，土压力盒因安装困难在PHC管桩桩身的测试中应用较少。土压力盒的主要技术参数如表3所示。

图3 桩壁内应变片粘贴示意图Fig.3 Schematic diagram of strain gauge in pile wall

表3 土压力盒的主要技术参数Table 3 Main technical parameters of earth pressure cell

陈福全等（2002）使用桩端预埋法，在管桩制作过程中将土压力盒预埋于桩端，对5根管桩进行静载试验量测其桩端力、桩侧摩阻力的变化规律。冷伍明等（2004）借鉴其应变片的预埋方法，在管桩制作过程中在管壁上预埋圆木块、穿线孔，成桩后在预定位置处安装土压力盒并涂抹环氧树脂，对管桩的侧向土压力进行检测（图4）。张忠苗等（2011）将特制的土压力盒对称安装于桩端，在管桩内壁焊接钢管穿入测线，防止测线被土体破坏，用以研究PHC管桩端阻与土塞效应的相关性（图5）。土压力盒的安装方法较为繁琐，对桩身受力的监测的全面性较差，所以在PHC管桩中土压力盒的应用较少。

图4 桩侧土压力盒安装示意图Fig.4 Installed sketch of earth pressure cell in pile wall

2 线法监测

图5 桩端土压力盒安装示意图Fig.5 Installed sketch of earth pressure cell at pile tip

线法监测克服了点法监测的局限性，可对测量线上的位移信息进行连续精准的监测，与传统测试技术相比在监测精度、可靠性、稳定性、可重复性上有较大的提升，但测管的安装要求高、监测成本高。基于线法原理，苏黎世瑞士联邦技术学院研制的滑动测微计、三向位移计可应用于PHC管桩桩身受力的线法监测（Kovari et al.，1974；Carvalho et al.，1977；Kovari et al.，1977，1983）。滑动测微计和三向位移计的主要技术参数如表4所示。

表4 滑动测微计和三向位移计的主要技术参数Table 4 Main technical parameters of sliding micrometer and three displacement meter

滑动测微计是在桩身上设置的环形测标，通过球锥定位原理用探头监测测标间的位移情况，记录每级加载后管桩的应变值可计算桩身轴力及侧摩阻力，且探头具体温度自补偿功能。三向位移计与滑动测微计工作原理相同，但测头增加了两个倾斜传感器，可以监测所测结构的径向位移。管桩轴力的计算公式为式（2），管桩单位侧摩阻力的计算公式为式（3）：

式中：Ni为桩身i截面轴向力；Eg为桩身钢筋弹性模量；Eh为桩身混凝土弹性模量；Agi为桩身i截面的纵向钢筋总面积；Ahi为桩身i截面混凝土截面积；εi为桩身i截面的应变值。

式中：Ni为桩身i轴向力；Di为桩身i截面直径；h为两截面的间距。

刘争宏等（2010）提出了三向位移计及滑动测微计在PHC管桩中的合理安装方法，采用填芯法通过扶正器将测管固定于管桩轴心，再浇筑含膨润土的水泥浆使测管与管壁的变形协调，测得天然工况及浸水工况下桩身承载特性及湿陷性黄土中PHC管桩的沉降与桩身压缩的关系。此工况下管桩不符合等代墩基法刚性体的假定，对优化湿陷性黄土地区PHC管桩的设计具有参考价值。刘飞等（2011）使用测管安装垂直要求较低的滑动测微计，用上述填芯法将其固定于管桩空芯内，对载荷试验中PHC管桩的轴力及侧阻力进行了监测。

上述点法、线法的相关传感器较为常见，桩身受力的监测不仅受传感器本身优缺点的影响，传感器的安装方法对桩身受力监测的影响同样不容忽视，各传感器安装方法的优缺点分析如表5所示。

表5 安装方法优缺点对比Table 5 Advantages and disadvantages of installation methods

3 全分布式光纤监测

全分布式光纤监测是基于OTDR（Optical Time Domain Reflectometer）原理，使光纤兼具传感监测与数据传输功能，在监测区布设光纤形成分布式光纤传感系统，通过解调仪对该区域的应力－应变情况进行连续监测（Horiguchi et al.，1989；苗鹏勇等，2017）。分布式光纤传感系统具有耐久性强、量测精度高、监测全面等优势，在PHC管桩桩身受力监测中被广泛应用，但也存在光纤易断、经济性差、数据处理复杂等问题，基于布里渊散射原理的分布式光纤监测技术可分为BOTDR、BOTDA、BOFDA（Glisic et al.，2002；Ohno et al.，2002；施斌，2017）。

3.1 BOTDR监测

BOTDR（Brillouin Optical Time Domain Reflector）又称布里渊时域反射计，是在光纤一端注入泵浦光脉冲，自发布里渊散射向背向传输信号，光纤应变及温度变化会改变背向散射光的频率，通过干涉仪、MZI等检测仪器的滤波作用筛选出背向散射光的漂移量，进而推算出光纤的轴向应变及PHC管桩的受力状态（Kurashima et al.，1993；Kee et al.，2000）。BOTDR基本原理如图6所示。背向布里渊散射光频率的漂移量与光纤应变值间的比例关系为式（4）：

式中：v（ε）为发生应变时布里渊散射光频率的漂移量；v（0）为无应变时布里渊散射光频率的漂移量；ε为光纤的应变量。

图6 BOTDR原理示意图Fig.6 Schematic diagram of BOTDR

施斌（2006）为研究淮南田集电厂拟建工程中PHC管桩沉桩桩身破坏的问题，采用刻槽法在桩身表面上呈十字状预埋2道U型光纤，桩端附近呈环状埋设6道光纤，分别监测PHC管桩的轴向和径向应变，成功测得桩尖处的土塞作用使桩身在反弯点处发生破坏。邢皓枫等（2009）借助某电厂PHC管桩加固古河道地基项目，将光纤在管桩制作过程中呈U型对称预埋于桩身，采用的光纤经特殊处理拥有较好的力学性能以确保光纤在测试过程中不被损坏，通过BOTDR采集埋设光纤的数据信息，测得试桩过程中各级荷载下桩身受力状态与沉桩深度的变化规律，测试效果良好。魏广庆等（2009）使用桩身开槽的方法埋设光纤，在光纤上加盖高弹模胶合剂粘合和缓冲保护材料，对静载荷试验下桩身的受力状态进行测试，分析了此方法的误差来源及不足，并提出了多项优化措施。

3.2 BOTDA监测

BOTDA（Brillouin Time Domain Analysis）由Horiguchi et al.（1990）首次提出，又称受激布里渊时域分析技术。通过在光纤的两端分别注入泵浦光和连续光，当两束光的频差符合布里渊频移时弱的泵浦信号被放大，通过对光纤中耦合连续光的功率进行监测可得到光纤埋设处PHC管桩的应变信息（Kishida et al.，2004；Li et al.，2008；施斌等，2018）。为进一步提高监测的空间分辨率和测量精度，加拿大教授Bao et al.（1995）在光纤中注入预泵浦脉冲光，通过近似洛伦兹型分布的布里渊增益谱分析可得光纤监测处的应变信息，称为PPP-BOTDA（Pulse-prepump Brillouin Optical Time Domain Analysis）技术（Bao et al.，1995；Kalosha，2006）。PPP-BOTDA基本原理如图7所示。

图7 PPP-BOTDA原理示意图Fig.7 Schematic diagram of PPP-BOTDA

李忠义等（2014）采用填芯法研究PHC管桩在水平荷载下的受力特性，通过焊接梯形钢筋架，将监测光纤用粘合剂、铠装保护套固定于钢筋架内侧，后填置于PHC管桩的空芯中，浇筑C50细石混凝土使桩身与监测光纤的应变耦合，经测试所埋设光纤的成活率较高。童恒金等（2014）基于BOTDA技术精度高、分布式的特点，采用上述方法在桩身空芯中埋设监测光纤，结合桩身外侧位移传感器、室内模型试验对PHC管桩在水平荷载下的桩身受力及挠曲变形进行监测，取得了较为理想的监测效果。江宏（2011）首次将PPP-BOTDA技术用于桩身应变监测，其在塑料管上开槽用胶合剂将监测光纤呈U型固定于管内，与滑动测微计、测微管一同送入PHC管桩空芯内，填充混凝土使测试元件与桩身应变相同。通过试验证明在光纤中注入阶梯式脉冲光能明显提高测试精度和空间分辨率，如实测曲线所示此方法能监测整桩的应变规律、接桩位置清晰且滑动测微计的测试结果具有较好的一致性，为PPPBOTDA技术推广应用提供了实测依据，桩身实测曲线如图8所示。

图8 桩身实测应变分布曲线Fig.8 The strain distributing chart

3.3 BOFDA监测

BOFDA（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis）受激布里渊频域分析技术由德国学者Garus et al.（1997）首次提出，BOFDA是光纤中注入连续泵浦光和斯托克斯光，通过监测两束光之间的频差，利用基带传输函数、脉冲响应函数可得到频移、温度和应变的线性关系，利用褶积变换过程能优化测试精度及空间分布率（Garus et al.，1996；Brown et al.，2007；Bernini et al.，2012）。BOFDA基本原理如图9所示。

图9 BOFDA原理示意图Fig.9 Schematic diagram of BOFDA

王兴等（2015）通过试验验证了BOFDA技术的空间分布率较高，结合钢筋计对试桩过程中BOFDA监测技术的可行性进行了分析，实测数据表明BOFDA作为一种新的监测技术具有较高的精确性、较好的空间分布率，可应用于PHC管桩的内力监测中。缪长健等（2018）为克服海上超长PHC管桩内力监测的诸多难题，采用强度较高的金属基应变光纤呈十字形埋设于PHC管桩的4条主筋上，对桩端的传感光纤及引线加以保护后浇筑成桩，利用BOTDA技术对静载试验下PHC管桩的内力进行监测，安装过程如图10所示。

图10 光纤安装示意图Fig.10 Optical fiber installation diagram

由于布里渊散射对应变和温度交叉敏感，需进行温度补偿分离温度对监测的影响，目前，PHC管桩监测中常用的温度补偿方法有：加装温补光缆隔离应变影响只监测温度响应，直接扣除温度影响；通过测温传感器测量温度，通过布里渊散射与应变和温度间的关系式扣除温度影响，进行间接温度补偿等。

4 准分布式光纤光栅监测

FBG（Fiber Bragg Grating）光纤布拉格光栅，通过在光纤主体材料中掺入微量光敏性元素改变折射率而制成的一种能反射特定波长光的光学传感器。自1989年，Morey首次将光纤光栅应用于监测以来，因其精度高、漂移小、稳定性强等诸多优点，被广泛应用于土木工程、地质工程、航天工程等众多工程监测中（Rao，1999；Li et al.，2004；Kister et al.，2007）。Prohaska et al.（1992）、Sylvain et al.（1997）、Nellen et al.（1999）、Chan et al.（2006）等学者对FBG在土木监测中的应用进行了深入的研究，将不同中心波长的FBG连接成多个光栅形成准分布式FBG监测网，成功应用于PHC管桩的桩身受力监测中。

FBG传感的工作原理为应变、温度的改变引起FBG反射光中心波长的变化，通过监测波长的漂移可得所测建（构）筑物的物应变。反射光中心波长λB、纤芯折射率neff、光栅栅距Λ之间的比例关系式为式（5）：

应变、温度的改变能使FBG的中心波长产生漂移，联立后的计算公式为式（6）：

式中：ΔλB为中心波长漂移；λB为反射光中心波长；Kε为应变传感灵敏度系数；KT为光栅温度传感灵敏度系数；Δε为轴向应变变化量；ΔT为温度变化量。FBG基本原理如图11所示。

图11 FBG原理示意图Fig.11 Schematic diagram of FBG

FBG的中心波长漂移受应变、温度的双重影响，应进行温度补偿提高监测精度。目前常用于PHC管桩监测的温度补偿方法有：在光纤上串联温度补偿光栅或安装FBG温度计，从而隔离温度影响；使用低温敏FBG传感器，实现温度补偿；FBG结合神经网络对所测数据进行分析，扣除温度影响。

冯春等（2009）进行了FBG在打入桩中的埋设工艺试验研究，提出采用防振黏扣包裹法兰接头和减振套管套装数据连接线的方法对易损处加以保护。为验证减振措施的可行性，设计并进行了现场打桩试验、室内简支梁锤击试验和黏扣的减振性能试验，试验结果表明减振后振幅减小50%，如图12所示。此试验确定了使用刻槽法所安装FBG的易损位置，提出了行之有效的保护措施，为提高FBG在PHC管桩中的存活率提供了可借鉴的经验。秋仁东等（2013）为研究水平荷载下PHC管桩的受力特性，采用抗拉、抗折性能较好的管片封装FBG，通过桩身刻槽、槽内清理、对位安装、封胶保护的方法将其埋设于PHC管桩桩身，分别采用锤击和静压法沉桩后对6根管桩施加单向多循环荷载，试验证明埋设的47个FBG传感器存活率高达100%且能对桩身受力状态进行精密监测，安装过程如图13所示。王永洪等（2018）在PHC管桩制作过程中采用夹持件、附加钢筋将FBG传感器固定于主筋上，通过安装铠装光缆、安设十字钢箍、套装不锈钢软管提高FBG的存活率，预埋的FBG传感器经过离心、蒸养、沉桩等工序后仅1个FBG失效。

图12 未减振与减振时加速度传感器的时域图Fig.12 Acceleration vs time before and after protection measures

图13 FBG安装示意图Fig.13 FBG installation diagram

分布式、准分布式传感器较易损坏，应采取保护措施提高其存活率。刻槽法对传感器损坏相对较小，在试验中可采用强度较高的单模紧套光缆、管片封装式FBG，使用高强胶剂封装等方法加以保护。预埋法对传感器的安装要求更高，在采用金属基光缆、封装式FBG等方法的基础上，还应对法兰接头、桩底、桩端等易损位置加装金属或PVC套管、包裹缓冲材料、支撑十字钢箍以提高传感器存活率。监测技术本身的优缺点如表6所示。