聶 俊 易麗麗

(1.廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)中心有限公司，廣東廣州 510440;2.北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司廣州分公司，廣東廣州 510000)

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁具有質(zhì)量穩(wěn)定可靠、樁身混凝土強(qiáng)度高、耐錘打性好、施工周期短、對(duì)環(huán)境影響小、單位承載力造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，近幾年已被廣泛應(yīng)用于建筑物和構(gòu)筑物的基礎(chǔ)工程中[1]。但樁基工程是一種隱蔽性工程，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，其施工質(zhì)量控制難度較大，施工不當(dāng)容易產(chǎn)生各種質(zhì)量缺陷，影響樁身的完整性和單樁的承載能力。因此，對(duì)樁基成樁質(zhì)量的檢測(cè)評(píng)估是樁基工程中一項(xiàng)必不可少的工作，也是技術(shù)難度較大的一個(gè)環(huán)節(jié)[2]。

目前，常用的樁基檢測(cè)技術(shù)主要包括樁基靜載荷試驗(yàn)、樁基動(dòng)測(cè)及超聲波檢測(cè)等方法[3]。樁基動(dòng)測(cè)以及超聲波檢測(cè)等方法作為間接的測(cè)試方法，動(dòng)態(tài)成分高，容易受外界環(huán)境的干擾，很難達(dá)到靜載荷試驗(yàn)的檢測(cè)精度，因此，靜載試驗(yàn)是目前單樁豎向抗壓承載力測(cè)試中最常用的方法。在靜載荷試驗(yàn)中為了測(cè)定各級(jí)荷載下樁身的應(yīng)變，并了解樁的承載機(jī)理，在樁身埋設(shè)各種傳感元件，如鋼筋應(yīng)力計(jì)、應(yīng)變片等。但預(yù)應(yīng)力管樁由于混凝土強(qiáng)度高、蒸汽養(yǎng)護(hù)、壁薄等特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器傳導(dǎo)線的交接處易于接觸不良、斷裂而使檢測(cè)點(diǎn)失效、成活率較低等缺點(diǎn)，使得預(yù)應(yīng)力管樁的樁側(cè)摩阻力和樁端承載力的測(cè)試工作一直是樁基檢測(cè)中的一個(gè)難點(diǎn)，因此，引入新的測(cè)試技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁的承載力特性進(jìn)行研究就顯得十分必要。

近幾年興起的光纖光柵傳感技術(shù)由于具有本質(zhì)安全、抗電磁干擾、防水防潮、抗腐蝕、耐久性長(zhǎng)、體積小、測(cè)試精度高及分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，已經(jīng)成為工程檢測(cè)中的研究熱點(diǎn)，選擇恰當(dāng)?shù)姆椒梢园压饫w光柵測(cè)試技術(shù)應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力管樁的承載力測(cè)試中，解決當(dāng)前預(yù)應(yīng)力管樁承載力測(cè)試的難題。

1 光纖光柵傳感技術(shù)的測(cè)量原理

光纖傳感系統(tǒng)的組成原理見(jiàn)圖1。激光器發(fā)出的光在傳感區(qū)域受環(huán)境信號(hào)的調(diào)制后經(jīng)過(guò)耦合器進(jìn)入光探測(cè)器，調(diào)節(jié)后得出環(huán)境信號(hào)。

圖1中的傳導(dǎo)光纖與傳感光纖為一根光纖，但一般傳感部分都需經(jīng)過(guò)特別處理以便光纖只對(duì)一種或幾種感興趣的信號(hào)敏感，現(xiàn)階段在工程中應(yīng)用的較廣泛的是Bragg光纖光柵傳感器。

圖1 光纖傳輸原理圖

Bragg光纖光柵傳感器是利用光纖中摻雜物質(zhì)具有的光敏感性，將光纖在呈周期性分布的紫外激光光場(chǎng)中曝光，在光纖內(nèi)芯形成折射率為n呈周期性分布的三維位相光柵。當(dāng)一束帶寬入射光在纖芯內(nèi)傳輸時(shí)，就會(huì)在柵距為Λ的位相光柵內(nèi)產(chǎn)生Bragg衍射窄帶光，并且該衍射窄帶光沿原路返回。

Bragg光柵傳感器就是通過(guò)對(duì)光纖內(nèi)部寫(xiě)入的光柵反射或透射Bragg波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象應(yīng)變的絕對(duì)測(cè)量，其原理如圖2所示。

圖2 Bragg光纖光柵應(yīng)變傳感器工作原理

Bragg光纖反射窄帶光的波長(zhǎng)λB滿足Bragg方程:

當(dāng)光纖產(chǎn)生軸向應(yīng)變?chǔ)艜r(shí)，反射窄帶的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變。在忽略溫度影響的前提下，波長(zhǎng)偏移量ΔλB與應(yīng)變的關(guān)系滿足下式:

其中，ρΛ為光纖受力彈性系數(shù);ρn為光纖的光彈性系數(shù)。可以看出光纖產(chǎn)生的應(yīng)變與反射波波長(zhǎng)的偏移量成正比，只要準(zhǔn)確測(cè)量出Bragg波長(zhǎng)的偏移量ΔλB，就可以計(jì)算出纖內(nèi)Bragg光柵的應(yīng)變[4，5]。

目前，光纖光柵傳感器主要應(yīng)用在大型混凝土工程、航空航天領(lǐng)域和復(fù)合材料、石油化工領(lǐng)域以及巖土工程檢測(cè)領(lǐng)域中。其中，民用工程是光纖光柵傳感器應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域，主要集中在橋梁、大壩、隧道等重要結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)光纖光柵傳感器在混凝土工程中的應(yīng)用問(wèn)題開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的歐進(jìn)萍、周智等人研發(fā)了管式、片式封裝的光纖光柵傳感器，已形成定型產(chǎn)品并在實(shí)際工程中進(jìn)行了應(yīng)用[6]。在巖土工程領(lǐng)域中，光纖光柵傳感器主要應(yīng)用在巖體變形監(jiān)測(cè)和錨桿應(yīng)力檢測(cè)中。2003年，德國(guó)的Hatenberger C S等人開(kāi)始將光纖光柵用于巖石試件的應(yīng)變測(cè)試，并做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)分析，研究發(fā)現(xiàn)，其測(cè)試精度會(huì)受粘結(jié)劑的影響。在用雙組分環(huán)氧樹(shù)脂膠作粘結(jié)劑時(shí)，測(cè)試精度可達(dá)94.2%，采用另外一種粘結(jié)劑時(shí)為84.6%[7]。在國(guó)內(nèi)，武漢理工大學(xué)的姜德生等人將光纖光柵應(yīng)用于錨桿、錨索的研究，并取得了一定的進(jìn)展[8，9]。西安科技大學(xué)的柴敬等人借助光纖光柵傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)了錨桿體的應(yīng)力分布，并與電測(cè)應(yīng)變片相對(duì)照。結(jié)果表明，光纖光柵的測(cè)試效果明顯優(yōu)于應(yīng)變片[10]。

2 光纖光柵在管樁承載力測(cè)試中的技術(shù)難點(diǎn)

根據(jù)光纖光柵應(yīng)變傳感器在其他工程領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)樁基工程的特殊性，研究傳感器在樁基中的布設(shè)方法和保護(hù)措施，把光纖光柵傳感器應(yīng)用到樁基承載力的確定試驗(yàn)中。光纖光柵傳感技術(shù)在樁基測(cè)試中的連接如圖3所示，每根光纖上安裝的光纖光柵傳感器不多于15個(gè)。

雖然光纖光柵在理論上非常適合解決管樁承載力測(cè)試中遇到的問(wèn)題，但是如果要實(shí)際應(yīng)用到預(yù)應(yīng)力管樁的摩阻力與端承力的測(cè)試中，還存在一些問(wèn)題需要去解決。

2.1 傳感器的埋設(shè)

通常光纖光柵傳感器是粘貼在構(gòu)件表面上的，而樁基工程是地下工程，直接粘貼在樁身表面，在施工過(guò)程中容易損壞傳感器，因此，對(duì)于管樁承載力測(cè)試中傳感器的安裝，必須考慮到光纖光柵傳感器的固定和光纖的保護(hù)工作，傳感器的埋設(shè)一般為開(kāi)槽埋設(shè)法和預(yù)埋法。

1)開(kāi)槽埋設(shè)。

利用光纖光柵傳感器體積小，傳導(dǎo)線連接方便的特點(diǎn)，在管樁側(cè)壁選擇2條～3條軸線，在側(cè)壁開(kāi)寬度、深度均為5 mm的槽，在傳感器埋設(shè)位置開(kāi)比傳感器稍大一些的工字槽，如圖4所示。開(kāi)槽之后清潔槽口，把光纖光柵傳感器和傳導(dǎo)光纖均放在槽中，用環(huán)氧樹(shù)脂系膠結(jié)劑進(jìn)行固定，依照此方法安裝另外兩條軸線上的傳感器，使每個(gè)測(cè)試截面上均有3個(gè)傳感器，這樣就可使傳感器與管樁的樁身形成一個(gè)整體，并且能夠?qū)渡磉M(jìn)行準(zhǔn)分布式的測(cè)量。

圖3 光纖光柵傳感技術(shù)在樁基測(cè)試中的示意圖

圖4 開(kāi)槽安裝光纖光柵傳感器示意圖

2)預(yù)埋法。

類(lèi)似于傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器在混凝土灌注樁樁身應(yīng)力測(cè)試中的安裝方法，需要在管樁的制作過(guò)程中，把焊接式的光纖光柵傳感器焊接到預(yù)應(yīng)力管樁的鋼筋籠上，再澆筑混凝土。因?yàn)殇摻罨\需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉，故該安裝方法在測(cè)試中需要剔除預(yù)應(yīng)力張拉中出現(xiàn)的光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)變化，得出的值才是試樁中樁基的承載力變化值。并且需要注意光纖光柵傳感器在焊接過(guò)程中溫度的控制，以免出現(xiàn)在焊接光纖光柵傳感器的時(shí)候把傳導(dǎo)光纖融化，導(dǎo)致安裝失敗。

2.2 應(yīng)變測(cè)試中精度傳遞的問(wèn)題

對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件，選擇合適的安裝方法尤為重要。通過(guò)對(duì)Bragg光纖光柵傳感器的封裝和安裝，并加以適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，傳感器與構(gòu)件之間就形成了一層傳力途徑。為了解光纖光柵傳感器與構(gòu)件真實(shí)應(yīng)變之間的傳遞方式，需設(shè)計(jì)合適的試驗(yàn)構(gòu)件進(jìn)行分級(jí)加載測(cè)試，通過(guò)計(jì)算和高精度應(yīng)變片的測(cè)試對(duì)比，建立光纖光柵傳感器與構(gòu)件應(yīng)變值之間的應(yīng)變傳遞表達(dá)式。在樁身應(yīng)變測(cè)量中，通過(guò)這個(gè)表達(dá)式，可以把實(shí)測(cè)的值換算成樁身的精確應(yīng)變，以剔除安裝過(guò)程中安裝方法及安裝材料等因素對(duì)測(cè)量精度的影響，得到真實(shí)的樁身應(yīng)變值，這樣對(duì)計(jì)算管樁的樁身摩阻力和樁端承載力可以提供可靠的數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)精度。

2.3 管樁接頭處傳感器的連接問(wèn)題

管樁的施工方法不同于灌注樁，管樁施工需要接樁，一般采用焊接接樁或者法蘭接樁，這就對(duì)管樁的樁身應(yīng)力測(cè)試帶來(lái)了不便，運(yùn)用Bragg光纖光柵測(cè)試管樁樁身內(nèi)力時(shí)，在管樁的接頭處，需要預(yù)留傳導(dǎo)光纖的接口，然后在管樁焊接的時(shí)候注意保護(hù)好光纖，以防溫度過(guò)高使光纖熔斷，在管樁連接完成之后，利用光纖熔接機(jī)把預(yù)留的傳導(dǎo)光纖對(duì)接起來(lái)，并保護(hù)安裝好之后，才能進(jìn)行下一步施工，以確保在管樁施工過(guò)程中光纖連接的完整。

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