分布式光纤传感技术在岩溶段桩基检测中的应用研究

2022-02-21姚正斐

铁道建筑技术 2022年1期

姚正斐

(中铁二十二局集团有限公司北京 100043)

1 引言

岩溶在我国分布广泛且具有明显的区域特征[1－2]。由于经济发展需求，岩溶区的工程建设项目越来越多，岩溶地区兴建起大量高层建筑、桥梁等结构，而这些大型结构的基础选择形式大多是灌注桩基础。岩溶溶蚀区地质环境复杂，其形成的空洞或者弱填充、孤石和石笋等复杂地质环境是岩溶区工程的薄弱点和工程事故发生的诱因[3]。当桩基附近存在溶洞时，桩基可能会发生不均匀沉降，甚至发生桩基失稳的现象。同时，岩溶水的流动会使桩身侵蚀，降低桩基的使用寿命。因此，桩基础施工后需要对其进行质量检测，以确保岩溶区灌注桩在使用阶段的稳定性和安全性。

灌注桩常用的检测手段是在桩身安装钢筋应力计、应变片等传感器，但其存在施工不便、成功率低的缺点。近年来，分布式光纤传感技术逐渐被应用于桩基检测中。朴春德等[4]运用光纤传感技术对灌注桩承载特性研究并进行了可行性验证；江宏[5]提出一种基于PPP-BOTDA的新型桩基检测技术；罗勇等[6]基于分布式光纤测试技术分析了大直径嵌岩桩承载特性；刘波等[7]基于光纤传感技术研究了螺旋挤土灌注桩的荷载传递规律及承载特性；王学敬[8]将光纤传感技术应用于复杂深基坑智能化监测，保证了基坑施工的安全性；肖衡林等[9]将光纤测温技术运用于夹泥灌注桩完整性检测，提出光纤的温度变化与夹泥灌注桩含泥量有关；宋建学等[10]通过现场桩基静载试验证明将分布式光纤技术应用于桩基完整性检测是行之有效的方法。虽然分布式光纤传感技术被应用于桩基检测中，但是关于在岩溶区灌注桩检测的研究极少。

本文将分布式光纤传感技术应用于岩溶区灌注桩完整性检测，研究灌注桩在岩溶区的荷载传递规律，并分析桩身溶洞存在的位置情况，以确保桩基础在使用阶段的安全性。通过对岩溶区灌注桩检测验证，说明该技术具有现场适应力强、测量精度高、可实现分布式测量等优点。

2 分布式光纤检测原理

2.1 BOTDA原理

BOTDA是近年来被广泛应用于土木工程中的光纤传感技术。该技术以光纤为传播介质，在光纤两端发送脉冲和连续光波，如果光纤传感器发生变形或者其温度发生变化，光纤中接收的布里渊频率会产生相应的偏移，通过布里渊频率偏移量从而得出光纤的应变，布里渊频移量与光纤应变成正比关系。光纤的布里渊频移由式(1)求出:

式中，vB(ε，T)是布里渊频移；vB(0，T0)是初始布里渊频移；为温度系数；为应变系数，T0为初始环境温度；T为测量环境的温度；Δε为应变变化值；ΔT为温度变化值。

2.2 工作原理

应用BOTDA对岩溶区灌注桩进行分布式检测。具体的做法为:将光纤固定在灌注桩的主筋上，并沿着主筋从桩顶到桩底布设光纤传感器，然后把装有光纤传感器的钢筋笼下放桩孔内，再灌注混凝土。

在静载试验下，灌注桩受到桩顶的荷载而产生变形，由于灌注桩和光纤传感器协同变形，此时，光纤传感器的变形即为灌注桩的变形。

通过光纤解调仪获取灌注桩桩身的布里渊频移vB(ε，T)，通过式(2)求得灌注桩的应变值。

式中，εC为灌注桩桩身应变值；K为布里渊频移的影响系数，一般在试验室内进行光纤标定测得。

由应变值可以求得岩溶区灌注桩的轴力与侧摩阻力，以此分析灌注桩附近溶洞的存在位置。

3 光纤传感器安装

光纤传感器的安装，首先沿着钢筋笼主筋从桩顶到桩底安装光纤传感器，每隔一定的距离与主筋采用扎带固定牢固，光纤传感器安装到钢筋笼底部时，再沿着与其对称的主筋从桩底到桩顶贴着主筋安装，安装完成后的光纤传感器在桩孔内呈U型。在桩头位置处用PVC套管对光纤传感器进行保护，光纤传感器在桩顶部预留3～5 m长，便于后期测试时将光纤传感器熔接引出接入光纤解调仪。光纤传感器安装如图1所示。

图1 光纤传感器安装

4 数据处理

光纤解调仪检测的数据是灌注桩在各荷载级数下的应变频谱，应变频谱含有噪声和波动，会对结果造成一定的干扰，难以得出灌注桩荷载传递的规律，故要对应变频谱进行去噪和平滑处理[11－12]，并将处理前后对比，如图2所示。

图2 应变频谱处理前后对比

由图2可知，经过处理后的应变频谱曲线的高频信号得到了降低，应变频谱曲线更加光滑，消除了数据存在的波动性，减小了外界因素的影响，数据处理效果明显。

由式(1)可知，光纤的测量值包含了温度应变和真实应变，则测量值由两个部分组成:

式中，εC为总应变值；εε为真实应变值；εT为温度应变值。

由于静载的持续时间比较短暂，且光纤传感器埋设在土层中，土层具有良好的保温性能，故在加载期间灌注桩桩体的温度基本不变。本文在静载试验开始前进行初始数据的采集，过程中按照时间加载的荷载量级进行第n次数据的采集。因第n次数据与初始数据的温度应变值εnT＝ε0T，根据式(3)可求得桩身的应变值ε:

式中，Qi为桩身第i断面处轴力；i为第i断面处对称分布的光纤应变平均值；E为桩身的弹性模量；A为桩身横截面积。

灌注桩桩身侧摩阻力可由式(6)求出:

式中，qsi为桩第i断面与i＋1断面间侧摩阻力；u为桩身周长；li为第i断面与第i＋1断面之间的桩长，本试验数据采样间距为0.25 m，即li＝0.25 m；R为桩半径。

5 工程实例

5.1 工程概况

选取基础工程编号为4-34钻孔灌注桩作为试验桩，桩径1 200 mm，主筋采用18根φ20钢筋，桩长12.59 m，钢筋笼长13.23 m，其中桩头外露部分钢筋长1 m，光纤可检测有效的长度为12.23 m。

根据地质钻孔揭露，该地基岩存在溶洞，见洞率为55%，存在溶沟溶槽，发育明显，中风化岩面埋深10.80～29.40 m，微风化岩埋深10.10～35.00 m，该地区为岩溶强发育区，岩溶类型为深覆盖型岩溶，溶(土)洞顶板基岩厚度普遍较小，平均厚度仅为3.47 m。

根据地质勘察资料，距试验桩最近的土层物理参数指标详见表1。

表1 土层物理参数值

5.2 静载试验

本次试验采用全自动桩基静载测试分析系统，如图3所示。

图3 全自动桩基静载测试分析系统

桩基静载试验方法采用快速维持荷载法，即每隔1 h加载1级荷载，本次试验加载荷载量级分为10级，第1级荷载量为2 000 kN，以后每级按2 000 kN递增，加载至20 000 kN时终止加载。

5.3 数据采集

静载试验加载前，用光纤解调仪采集桩身的初始数据；试验开始后，按照加载的量级采集数据，每加1级荷载采集1次数据，本次采集数据完成后，继续进行下一级荷载的加载，以此类推直至完成10级荷载的全部加载和数据采集。

通过分布式光纤解调仪得到布里渊频率，将每级采集的数据与初始数据相减，得到每级加载的布里渊频移量，从而求出桩身的受力变形规律，通过桩身的受力变形规律，进而识别出桩身附近溶洞存在的情况。

5.4 结果分析

根据式(4)求得灌注桩桩身在各级荷载作用下的应变值分布曲线，经过除噪和平滑处理后，如图4所示。由图可知，随着桩顶荷载量级的增加，桩身的应变值增大；桩身最大应变值出现在桩顶位置，最大微应变值为460；桩身最小应变值出现在桩底位置。本试验桩采用C35钢筋混凝土，其极限微应变值约为2 000，桩身最大应变值小于其极限应变值，说明成桩质量良好。在桩身约5 m和10 m位置处桩身的应变值突然增大，可能此处存在溶洞。

图4 桩身应变分布

根据式(5)计算得到桩身轴力分布图，如图5所示。由图可知，随着荷载量级的增加，桩身的轴力增大；桩身最大轴力出现在桩顶位置，最大轴力为20 000 kN，桩顶的最大轴力与加载的最大荷载相等。桩身3～5 m和7～10 m范围，桩身轴力随着桩长的增加而增大；根据桩身入土的土层物理参数表，桩身2.8～3.8 m层厚范围内为淤泥质土，淤泥质土强度低，提供给桩的侧摩阻力小，导致桩身的轴力增加，排除3～5 m范围内存在溶洞的可能性；桩身6.8～10.6 m层厚范围内为粉质黏土，与其上中砂层相比，粉质黏土具有较高的强度，提供给桩的侧摩阻力更大，桩身的轴力应该随桩长的增加而减小，但在桩身7～10 m范围，桩身轴力随着桩长的增加而增大，可以初步判断在该范围内存在溶洞，溶洞存在的空隙使桩身的轴力增大。

图5 桩身轴力分布

根据式(6)计算得到桩身侧摩阻力分布图，如图6所示。由图可知，随着荷载量级的增大，桩身的侧摩阻力增大，桩身最大轴力出现在桩顶区域。相同荷载量级条件下，桩身的侧摩阻力先增大后减小再反向增大。在桩身5～7 m和8～10 m的位置，桩身侧摩阻力存在突变的情况，由此可以判断桩身附近存在溶洞，溶洞的空隙存在使桩身周围土体与桩身分离，从而导致桩身侧摩阻力减小，减小的桩身侧摩阻力由轴力承担，导致桩身轴力增大。