石振明　宋　晶

光纖檢測技術在海上鋼管樁試樁中的應用*

石振明①②宋晶①②

( ①同濟大學地下建筑與工程系上海200092)

( ②同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室上海200092)

摘要試樁檢測包括對樁身完整性測試和承載力測試兩部分。試樁檢測為設計參數的確定以及樁基沉樁設備和沉樁工藝選擇提供依據，確保工程的安全可靠。在綜合考慮試樁地區(qū)氣候和地質條件等客觀因素后，采用合適的檢測手段，對提高檢測結果的精確性和減少成本等方面很有意義。垂直靜載試驗是常用測定樁極限承載力的方法，準確性高。在對樁身質量檢測上，有鉆心取樣法、低應變、高應變和聲波透射法等檢測手段。在海上鋼管樁試樁工程中，其檢測結果的精確性和可靠性受制約因素多。光纖檢測技術具有可靠性強、準確性高及實施簡便等優(yōu)點，是根據BOTDR和FBG技術測試出樁身軸向應變及樁周應力的分布規(guī)律，是一種比較新的可靠檢測手段。但是目前，光纖檢測技術在海上試樁檢測應用的案例少。本文提到的工程案例中，采用垂直靜載試驗、光纖檢測試驗和高應變測試，達到綜合評估，為工程建設提供可靠參數

關鍵詞樁身質量承載力光纖測試豎向靜載試驗高應變測試

0引言

海上試樁條件一般較差，潮位、潮流、波浪、大風等不利外部條件，都會影響打樁工作的順利進行。在綜合考慮工程區(qū)域地質條件和自然環(huán)境等客觀因素后，為了削弱外界因素對試樁檢測的不良影響和提高試樁檢測結果的精度，選擇合適的檢測手段，是很有必要的(楊志方等， 2004)。

試樁檢測包括對樁身承載力和樁身完整性檢測。在確定樁身承載力方面，垂直靜載試驗具有準確性高的特點，尤其在大型樁檢測上，更為常見。在樁身完整性檢測方面，鉆心檢測技術具有費用高、用時長、以點代面的缺點，容易造成缺陷漏判，但在樁身強度測定、樁底成渣厚度檢測等方面具有優(yōu)勢。低應變檢測技術具有費用低、用時少的特點，可以確定缺陷的類型和位置分布，但在精確分析樁身離析程度和缺陷具體位置上乏力。聲波投射法精準性高，在樁身缺陷判斷方面比較可靠，但在實際檢測過程中，考慮到聲測管的埋設，抽樣檢測的分布性比較差，而且樁身直徑要滿足規(guī)定的條件，檢測費用較高。高應變測試可以確定樁身承載力和樁身完整性，具有較高的精準度，檢測費用比較低，但抽樣樁檢測數量多于豎向靜載試驗，而且受測試人員水平和樁-土相互作用模型等問題影響較大(伍鵬等， 2006； 孫慶安等， 2010)。

分布式光纖檢測技術是一種較新的檢測手段，具有準確性高、可靠性強和方便實施的特點，在樁身完整性和確定樁身軸力和樁周土摩擦力方面具有很大潛力。光纖檢測技術是利用布拉格光纖光柵(FBG)技術和布里淵光時域反射(BOTDR)技術測試出樁身軸向應變的分布規(guī)律，達到對沉樁過程中樁身動態(tài)應力應變及后期休止期間的樁身完整性、樁身內力分布、側向摩阻力分布等內容的檢測與監(jiān)測。光纖檢測技術依賴光纖傳感器的成活率和準確性。光纖傳感器相對傳統傳感器具有以下優(yōu)點。(1)抗干擾能力強，數據采集可靠。通過對被測信息進行波長編碼，可避免光纖光柵受到光纖安裝彎曲以及光源功率波動等因素的影響。(2)測量精度高。利用布里淵散射光精準的投射和反射特性，可以精確地測量出樁身應變和溫度的變化。(3)測量點多，分布范圍廣。在同一條光纖上可以埋設多個光柵，在工程檢測中，可實現分布式測量。(4)傳感器較小，結構簡單，可用于多種情況，方便安裝到被測物體內部。(5)具有良好的抗化學腐蝕、抗電磁干擾的能力，對環(huán)境的適應性強。(6)可實現測量點精準地空間定位。(7)在系統安裝和長期的檢測使用中，可以不再定標(李宏男等， 2002； 丁小平等， 2006)。

利用光纖檢測技術的優(yōu)點，李忠義等(2014)對PHC樁通過植入感測光纖，發(fā)現BOTDA技術的測試撓度數據與位移傳感器所測數據基本一致，準確可信，并提出了PHC樁的感測光纖植入工藝，保證了感測光纖的成活。樸春德(2008)在大直徑鉆孔灌注樁中，通過同時埋設光纖傳感器和鋼筋應力計，對樁身進行檢測，其結果表明，BOTDR技術可對樁身軸力、樁側摩擦阻力以及樁端阻力進行量測，實現樁身完整性的評估，具有操作簡單、可靠性強的特點； 在抵抗外界環(huán)境干擾，協調被測物體等方面具有優(yōu)勢； 并提出了一套適用于鉆孔灌注樁的光纖傳感器埋設方法和檢測手段，提高了傳感器的存活率。馮江等(2014)介紹某海邊城市高層建筑鉆孔灌注樁樁基采用BOTDR技術檢測過程，表明光纖檢測技術具有精準性高，抗干擾能力強的特點，在鉆孔灌注樁完整性檢測方面是適用的。劉永莉等(2012)在對抗滑樁上布置光纖傳感器，對抗滑樁進行樁身應變監(jiān)測。研究結果表明該種測量方法，實現了從抗滑樁澆注完成至滑坡推力作用整個過程的應變變化監(jiān)測，成功采集到抗滑樁受力過程中樁身任意深度處的應變。雷文凱等(2014)通過現場試驗，分析了灌注樁在水化熱過程中樁身溫度分布與其完整性的關系，進而建立起一套利用光纖測溫技術來實現灌注樁完整性檢測的體系。

在工程樁完整性檢測方面，光纖檢測技術具有很大的潛力。上述工程實例說明了其準確性、優(yōu)越性的特點。由于不同的樁基檢測方法選取要考慮工程地質特點、場地環(huán)境等要素，因此，光纖檢測普遍性的應用還需要被大量實踐驗證。

本文涉及的工程樁檢測案例，處于港區(qū)碼頭段，地質條件差，受海浪天氣影響大，基礎采用大型鋼管樁。本文以垂直靜載試驗、結合BOTDR技術和FBG技術，測定樁身應力及樁周摩擦力試驗，并通過高應變試驗，綜合檢測鋼管樁樁身強度和完整性，為工程順利安全進行，提供了可靠參數。

1工程概況

某跨海大橋工程進行了海上特大鋼管樁試樁檢測試驗，共兩組，每組試驗樁1根，錨樁4根。T1組，設計樁徑為1.5m，樁長為85.7m，壁厚22mm。T2組，設計樁徑為1.5m，樁長為78.7m，壁厚22mm。

本次試驗主要內容是：對各試樁進行豎向靜載試驗，測試樁的極限承載力，采用快速維持荷載法進行，進行循環(huán)加載試驗，循環(huán)次數為3次。T1組試樁設計最大加載力約為15000kN；T2組試樁設計最大加載力約為15500kN。測試各試樁各土層分層側摩阻力和樁尖阻力。測試試樁T1、T2打樁過程中各試樁樁身的打樁應力。對兩組試樁進行高應變測試。

1.1水文

測區(qū)波浪多為風浪以及風浪和涌浪兼有的混合浪，涌浪主要集中在ENE和SSE向，風浪以N～NE向最多，平均周期分別是15.2s和14.1s。

根據實際浪潮觀測資料，試樁地區(qū)附近海域潮位有以下特點：東部河口處最高潮位高于外海，北部的最低潮位低于南部，潮落差最大點出現在中部。最大潮差5.68m，平均潮差4.00m。

1.2試驗樁地區(qū)地層

T1、T2試樁的地層分布(表1，表2)。

表1　T1試樁地層分布表

表2　T2試樁地層分布表

圖1　反力裝置立面圖Fig. 1　Elevation of device for providing counter-force

2豎向靜載試驗

2.1試驗設備

本次試驗采用如圖1 所示的反力裝置。主梁和副梁均為兩根8m×0.4m×0.8m的鋼梁。錨樁材料為工程樁，與副梁之間利用鋼筋連接。通過4個加載量最大為5×103kN的油壓千斤頂施加豎向荷載，并根據油壓傳感器測算樁頂荷載大小。在樁頂按照十字對稱的方式安裝4只電測位移計，用以測定加載過程中樁頂的沉降量。

2.2靜荷載試驗結果及分析

試驗采用快速維持荷載法，并進行循環(huán)加載，加載次數為3次。表3記錄T1、T2最大加載量下的最大沉降量、最大回彈量及對極限承載力的估計。圖2 和圖3 分別為T1、T2第3次試樁Q-s和s-lgt曲線。

表3　工程試樁靜載試驗匯總表

圖2　T1第3次試樁Q-s和s-lgt曲線Fig. 2　Third Q-s curve and s-lgt curve of T1 pile test

圖3　T2第3次試樁Q-s和s-lgt曲線Fig. 3　Third Q-s curve and s-lgt curve of T2 pile test

圖2、圖3 曲線表明：當樁頂荷載達到最大加載量時，T1、T2試樁的Q-s曲線下降量在規(guī)定的范圍內，無明顯破壞特征。s-lgt曲線從開始到最終加載完成的過程中，曲線末尾段均未出現嚴重的向下彎曲現象，沉降量趨于穩(wěn)定。根據以上分析，結合表3沉降觀測數據可知，T1、T2試樁均未破壞，其單樁豎向極限抗壓承載力分別為T1不小于1.5×104kN，T2為不小于1.55×104kN。

3樁身應力測試

3.1測試方案

采用光纖測試技術對T1、T2進行樁身應力測試。利用布拉格光纖光柵(FBG)技術和布里淵光時域反射(BOTDR)技術測試出樁身軸向應變的分布規(guī)律，達到對沉樁過程中樁身動態(tài)應力應變及后期休止期間的樁身完整性、樁身內力分布、側向摩阻力分布等內容的檢測與監(jiān)測。同時通過光纖光柵溫度計獲取不同地層的地溫信息，用于溫度補償計算。

3.2光纖布設方案

本次試驗在試驗樁上沿著樁身軸向布設兩組光纖傳感器，分別安裝在鋼管樁內壁表面(圖4)。

圖4　光纖鋪設示意圖Fig. 4　Schematic drawing of laying fiber

在鋼管樁中埋設傳感光纖，并在豎向荷載作用下，使其變形與樁身軸向變形一致； 利用光纖檢測裝置，量測傳感光纖的應變分布，得到樁身軸向應變，通過計算，得到樁身軸力和側摩擦阻力分布(馮江等， 2014)。在檢測過程中，為了獲得良好的傳感器存活率和采集數據的可靠性，按照以下方法進行光纖傳感器鋪設。

(1)放樣。將布設光纖路徑在鋼管樁內壁上標識出，防止出現歪斜偏離等現象，避免測試結果帶入偏差。

(2)清理。將管壁表面的灰塵清理干凈，防止黏貼不牢。

(3)放線。將光纖沿放樣線布置，并加于一定的預拉張力，作初步固定。通過對傳感光纖預先施加一定的整體拉應力，可以防止由于應變分布突變所引起的多峰現象，方便應變解析。預拉張力應按照先固定兩端點位置，后整體黏貼的順序進行施加，可以避免初始應變分布不均的現象(魏廣慶等， 2009)。

(4)涂膠。將環(huán)氧樹脂均勻覆蓋在光纖表面，固定光纖，使光纖傳感器與鋼管樁身緊密接觸，以利于變形傳遞。

(5)保護。對光纖進行防碰撞、防刮擦等保護。

3.3檢測實施

根據本次試樁采用的兩種光纖檢測技術，可在不同階段進行特定針對性的研究。

在打樁過程中運用FBG技術，實現動態(tài)應力的監(jiān)測。采用重錘打擊樁帽，使鋼管樁進入預定土層，利用光纖引線，實現遠程測試； 并通過高頻光纖光柵解調儀對埋設于樁身中的光纖傳感器進行數據采集。通過對不同打入深度時的樁身動態(tài)應變測試，分析樁身應力分布情況及錘擊沖擊波在樁身內傳遞過程，以此研究樁基打入過程中樁身內力傳遞及樁土作用關系。

在靜載試驗過程中運用BOTDR技術，實現樁身軸力及樁側摩阻力的測試。結合鋼管樁的豎向靜載試驗，當每級荷載作用下位移量不再變化或變化值達到規(guī)定要求后，進行鋼管樁身應變測試試驗。測試過程如圖5 所示。

圖5　靜力載荷試驗過程監(jiān)測示意圖Fig. 5　Schematic drawing of vertical static loading test

3.4計算原理和方法

3.4.1樁身應變計算(魏廣慶等， 2009)

在實際工程中，鋼管樁受到垂直荷載作用，會產生軸向應變，其應變量大小可以通過埋設在樁中的光纖傳感器進行量測。取埋深為z處所測得的鋼管樁軸向應變?yōu)棣臿(z)，則位于樁身段的變形為：

(1)

式中，z1、z2表示樁身兩界面處的埋深，則任一埋設z處的豎向位移，可表示成樁頂處的豎向位移量扣除其上部的樁身壓縮量：

(2)

當z取樁長L時，則S(L)表示樁端位移。

3.4.2樁身內力分析

樁任意一深度z處的軸力Q(z)可表示(單輝祖， 2004)為：

(3)

式中，E(z)表示鋼管樁的彈性模量；A(z)表示鋼管樁的橫截面積； 本工程案例的鋼管樁，直徑固定，材料一致，E(z)、A(z)可取為常數。當z等于樁長L時，Q(L)就表示為樁端阻力。根據垂直荷載在樁身中的傳遞規(guī)律可知(施斌等， 2007)：

(4)

式中，qs(z)表示樁側摩阻力系數；C表示鋼管樁樁身周長； Δε表示某土層內鋼管樁樁身兩截面之間的軸向應變變化量； Δz表示鋼管樁樁身兩截面間距。

3.5打樁應力測試結果

在T1、T2樁身周圍布置4個監(jiān)測斷面，其位置分別位于距離樁頂2m、20m、40m及60m處。本次FBG試驗選取鋼管樁打入土層45m處(測陣一)，以及樁打入距設計深度前1m處(測陣二)，進行測試分析。測試結果(表4)。

表4　T1、T2試樁打樁應力監(jiān)測匯總表

T1樁長85.7m，T2樁長78.7m，從表中的數據分析，測陣1到測陣2，T1最大拉應力和最大壓應力增量數值卻小于T2。其原因與樁打入不同的土層性質有關。打樁時的土阻力是樁側摩擦土阻力和樁端土阻力之和，土阻力越大，所需要的錘擊能量越大。能量波在樁身傳播，樁內出現壓應力和拉應力。李颯等(2012)分析了大直徑鋼管樁在黏土和砂土中打樁能量，其結果表明隨著打入深度的增加，砂土中所需要的錘擊能量要大于黏土； 并指出土體在打樁過程中，進入某一土層的土阻力由上覆土層阻力和該土層樁端阻力和側摩擦阻力構成。

T1樁長深度范圍內以黏性土為主，樁端持力層為黏土。T2樁73.13m上主要為黏土層，樁端持力層為粉砂。在測陣1段45m深度處，T1、T2土層分別為淤泥質粉質黏土和粉質黏土，土質相近。其最大壓應力接近。測陣2段T1為84.7m，為粉質黏土層；T2為77.7m，為粉砂層。雖然T1比T2長了7m，其由于樁側增加的摩擦阻力遠遠不及T2持力層變?yōu)榉凵皩赢a生的樁端土阻力變化大，所以最終結果，表現為T1樁從測陣1到測陣2最大拉應力和最大壓應力增量數值小于T2。

圖6為試樁T1、T2在測陣二各斷面對應打樁應力的監(jiān)測曲線。打樁瞬間，T1、T2試樁監(jiān)測斷面出現最大壓應力，并逐漸減小向拉應力轉變，兩者往復交替，有較好的規(guī)律性； 隨著時間的推移，能量消散，振幅不斷減小，樁身應力逐漸穩(wěn)定。此外，隨著深度的增加，樁身應力和應力波持續(xù)時間逐漸減小，以上特征符合能量傳遞規(guī)律。

圖6　T1(左)、T2(右)測陣二各斷面應力監(jiān)測曲線Fig. 6　Monitoring stress curves in testing zone 2 of T1(left)，T2(right)

根據測陣一到測陣二應力增長變化分析以及曲線應力傳遞特性分析，說明應力監(jiān)測曲線合符規(guī)律； 打樁應力變化情況與地層特性相一致，測試數據真實合理，說明FBG技術可適用于打樁過程中應力的監(jiān)測，且測試結果可靠。

3.6靜載試驗中樁身應力測試結果

布里淵散射光受應變和溫度的影響，鋼管樁身中BOTDR測試所得到的應變量由樁身軸向變化和溫度變化構成。為了正確量測樁身應變，需要進行溫度補償。式(5)和式(6)為布里淵散射光頻移與應變以及溫度的數學關系式。通過數學換算，可以直接獲得應變與溫度的關系式(7)。在實際工程中，可將溫度所引起的應變從總應變中直接減去，得到實際樁身應變(丁勇等， 2007)。

dν/dT=1MHz/℃

(5)

dv/dX=493MHz/%

(6)

式中，v為布里淵散射光頻移；T為溫度；X為應變； 用式(5)除以(6)得到式(7)：

(7)

式(7)表明，溫度每變化1℃，應變測量值便會相應的變化20.3×10-6%。

在鋼管樁中通過埋設光纖光柵溫度計獲取不同地層的地溫信息。利用式(7)，從總的應變測量值中扣除溫度變化引起的應變量，實現溫度補償。圖7 為溫度補償后T1、T2試樁各級荷載下各斷面樁身軸力分布。

圖7中所測曲線表明：隨著施加荷載的增加，發(fā)揮摩擦力效應的土層區(qū)域深度也相應的增加。兩根試樁在最大試驗荷載作用下均未達到破壞，樁身完好，樁端阻力為零。每級荷載下的樁身軸力遞減速率呈現由緩至陡的趨勢，其原因主要是樁頂荷載由樁身軸力和側摩阻力共同承擔，試樁地區(qū)土層上部多為軟土層，下部為粉質黏土(T1)和粉砂(T2)，影響著樁周摩擦力的分布，檢測曲線也出現相應的變化特征。根據以上分析，曲線的分布變化與實際地層的環(huán)境特性是相符合的。

圖7　各級荷載下各斷面的T1、T2樁身軸力分布Fig. 7　Stress distribution of pile in different position on T1，T2 piles with different vertical loading

表5　T1試樁在最大試驗荷載下發(fā)揮的摩阻力

表6　T2試樁在最大試驗荷載下發(fā)揮的摩阻力

T1、T2試樁在最大試驗荷載下發(fā)揮的摩阻力如表5、表6所示。

由于在最大試驗荷載下樁均未破壞，T1、T2土層最大側摩阻力不低于表5、表6摩擦力計算值。

4高應變測試

4.1測試內容與方法

根據推薦性行業(yè)標準《公路工程基樁動測技術規(guī)程》(JTG/TF81-01-2004)對T1、T2試樁進行高應變檢測。本工程同時使用CASE法和CAPWAP法進行計算，兩種方法可相互校核。由于CAPWAP法的計算結果較之CASE法更為可靠，最終提供的結果為CAPWAP法計算結果。

4.2測試設備

采用巖海RS型高應變測試系統(圖8)。加速度傳感器：CA-YD-106型，電壓靈敏系數為6.93mv·g-1，最大容許加速度為8×103m·s-2； 應變傳感器：CYB-YB-F1K型，測量范圍為0～1000με，靈敏度系數為3.655μV/με，橋壓為2V。激振設備采用自由錘。

圖8　設備配置及流程圖Fig. 8　Device and flowchart of high strain test

4.3檢測結果及分析

T1、T2單樁豎向抗壓極限承載力設計值都為12000kN，試驗獲得的單樁豎向抗壓極限承載力均滿足設計的要求。圖9 分別是T1(左)、T2(右)試樁高應變測試曲線圖。

圖9　T1(左)、T2(右)試樁高應變測試曲線Fig. 9　High strain testing curve of T1(left)，T2(right)

T1單樁豎向抗壓極限承載力為15879kN；T2單樁豎向抗壓極限承載力為17458kN，這與豎向靜載試驗的結果是相符合的。高應變檢測曲線光滑連續(xù)且完整，可知樁是完整的，這與光纖檢測結果一致。

在實際工程中發(fā)現，高應變測試對檢測人員技術水平要求高，需要較強的理論知識和實踐經驗，要求其對現場情況、原始資料方面準確分析，制定合適的檢測方案。此外，要保證傳感器正確安裝。在選擇檢測時間上，要充分考慮樁周土的時間效應。光纖試驗關鍵點在于保證光纖傳感器采集數據的可靠性，具有操作簡單，抗干擾能力強特點?？紤]到海上復雜的工程地質條件，場地環(huán)境等因素的影響，選擇光纖檢測技術較優(yōu)。

5結論

(1)光纖檢測技術適用于鋼管樁側摩阻力、樁身軸力量測，具有分布式、長距離、一端檢測等優(yōu)點。在樁身完整性檢測方面，對比高應變測試，在環(huán)境復雜的海上鋼管樁試樁中，采用光纖檢測技術較優(yōu)。

(2)本文采用的一套光纖傳感器鋪設方法是行之有效的，有較高的應變計存活率和數據采集的可靠性，為進一步數據推導提供了基礎，較準確地反映出鋼管樁應力傳遞特點，為光纖檢測技術在樁基監(jiān)測和檢測中的使用提供了工程經驗。

(3)運用FBG技術可實現鋼管樁打樁過程中樁身內力量測，其測試結果可信。

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APPLICATIONOFFIBEROPTICSDETECTIONTECHNIQUETOTESTINGSTEEL-PIPEPILESON-SEA

SHIZhenming①②SONGJing①②

( ①Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092)

( ②Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092)

AbstractThe content of piles test contains pile integrity testing and bearing capacity testing. Its purpose is to determine parameters and choose proper method and device for piles sinking. It needs to take climate and geological conditions in the area of piles test into consideration. Choosing a suitable detection is important to improve parameter accuracy and reduce cost of piles. Vertical static loading test is a reliable analysis of bearing capacity of piles. The methods of pile integrity testing include analysis of core boring, low strain testing, and high strain testing and ultrasonic transmission method. The accuracy of those methods are affected in testing piles on-sea. Fiber optics detection is simple to operate. The accuracy is high. Fiber optics detection is based on BOTDR and FBG theory. But there is just few engineering cases referring to piles test on-sea with fiber optics detection This paper shows an engineering case on piles test referring to three methods. They are the pile integrity testing, fiber optics detection and high strain testing. The successful pile test states the fiber optics detection as a new method is reliable and high accuracy．

Key wordsPile integrity, Bearing capacity, Fiber optics detection, Vertical static loading test, High strain test

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.019

* 收稿日期：2015-06-05; 收到修改稿日期： 2015-08-24.

基金項目：國家自然科學基金項目(41372272，41402257)資助.

第一作者簡介：石振明(1968-)，男，博士，教授，從事地質工程教學和研究工作. Email: shi_tongji@#edu.cn

中圖分類號：TU473

文獻標識碼：A