范 磊，張 燁，劉 曦，董岳林，孫 騰

(1. 長安大學(xué)，陜西 西安 710064 2. 陜西建工集團(tuán)機(jī)械施工有限公司，陜西 西安 710032)

光纖光柵傳感技術(shù)在樁周摩阻力模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

范 磊1，張 燁2，劉 曦1，董岳林1，孫 騰1

(1. 長安大學(xué)，陜西 西安 710064 2. 陜西建工集團(tuán)機(jī)械施工有限公司，陜西 西安 710032)

我國西北地區(qū)分布著大面積自重濕陷性黃土，浸水濕陷后會導(dǎo)致樁土相對位移增大，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的負(fù)摩阻力，濕陷性所帶來的樁身負(fù)摩阻力會給樁基工程帶來來巨大危害。本文借助60g.ton土工離心機(jī)開展了系列離心模型試驗(yàn)，將輕質(zhì)，微型，抗電磁干擾的光學(xué)傳感技術(shù)與土工離心模型試驗(yàn)相結(jié)合，通過室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變儀試驗(yàn)結(jié)果對比分析得到樁周土體濕陷條件下樁身摩阻力變化規(guī)律，分析了不同相對密度細(xì)沙作為持力層條件下樁身摩阻力變化規(guī)律，同時(shí)驗(yàn)證FBG傳感器在離心場中工作的穩(wěn)定性。

光纖傳感；離心試驗(yàn)；濕陷性黃土；樁基摩阻力

我國西北地區(qū)存在著大面積的自重濕陷性黃土，浸水濕陷后土體產(chǎn)生巨大的沉降，導(dǎo)致樁土相對位移急劇增大，導(dǎo)致樁側(cè)負(fù)摩阻力增大，是降低樁基承載力、樁身位移增大的重要因素[1]。如何避免由于黃土濕陷性產(chǎn)生的負(fù)摩阻力給樁基工程帶來的巨大危害，已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題[2]。由于黃土濕陷機(jī)理復(fù)雜，理論方法尚不成熟，現(xiàn)場試驗(yàn)仍是主要手段，國內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)[3-7]，取得了許多寶貴的一手資料，這些資料為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。但現(xiàn)場試驗(yàn)耗時(shí)耗力且受干擾因素多，土工離心模型試驗(yàn)可以有效解決這一問題。眾所周知，傳統(tǒng)的電信號應(yīng)變測試結(jié)果裝置受測試場域電磁環(huán)境影響較大且電信號應(yīng)變儀多為單點(diǎn)測試，大量繁復(fù)的安裝過程所帶來的誤差也很難避免。光纖傳輸線體更輕更細(xì)，光纖光柵技術(shù)在樁基礎(chǔ)受力與變形測試中受到歡迎?？芎＠诘萚8]在樁身預(yù)埋FBG光纖傳感器，對PHC 管樁休止期內(nèi)樁身應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，從樁側(cè)摩阻力及端阻力時(shí)效性對樁基承載力變化進(jìn)行分析。余小奎等[9]利用光纖傳感監(jiān)測技術(shù)錘擊PHC 管樁成功進(jìn)行測試。馬豪豪[10]在土工離心模型試驗(yàn)中首次進(jìn)行了FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)用，取得了良好的測試效果。本文借助60g.ton 土工離心機(jī)開展離心模型試驗(yàn)，利用離心機(jī)機(jī)械手施壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)樁基的施工和施荷過程，并通過自行研制的土體增濕裝置實(shí)現(xiàn)了原狀黃土的大面積濕陷，將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于離心場中樁身不同位置和不同時(shí)段的應(yīng)變特征測試，進(jìn)而獲取樁周土濕陷條件下樁周摩阻力的分布規(guī)律。

1 離心場FBG傳感系統(tǒng)

光纖布拉格光柵反射光的中心波長λB與其所處位置的溫度場以及應(yīng)力場的改變有關(guān)，對于光纖光柵反射光，其中心波長的變化在一定程度上可以反映外界被監(jiān)測信號的變化狀況。對于光柵，在其受到拉伸的時(shí)候，或者受熱膨脹的時(shí)候，λB將增大；當(dāng)光柵受到壓縮或者溫度降低時(shí)，λB將減小。

光纖光柵通過射率的變化實(shí)現(xiàn)光波之間的耦合。當(dāng)入射光進(jìn)入光纖時(shí)，布拉格光柵會反射特定波長的光，該波長滿足以下的特定條件[11]:

λB=2neffΛ

(1)

式中：λB為反射光的中心波長，一般為1 510～1 590 nm；neff為光纖的有效折射率；Λ為光纖光柵的柵距。

反射光的中心波長λB與光柵周期和纖芯的有效折射率有關(guān)，光纖光柵中心波長改變量Δλ和樁身縱向應(yīng)變Δε的關(guān)系為：

(2)

式中：λB為光纖光柵中心波長；ΔλB為光纖光柵中心波長改變量；Pe為光纖材料的彈光系數(shù)，這里取0.22。

光纖光柵傳感器的粘貼以及封裝保護(hù)是監(jiān)測樁身應(yīng)變的關(guān)鍵點(diǎn)之一。由于光纖光柵傳感器的直徑只有250 μm，試驗(yàn)過程中可以將光柵傳感器和傳導(dǎo)光纖直接封裝在管樁模型表面，同步完成光纖光柵傳感器的封裝與保護(hù)工作。具體操作如下：模型試驗(yàn)中所使用的光纖光柵傳感器由定制的裸纖進(jìn)行自行設(shè)計(jì)封裝，傳感器部位裸纖用環(huán)氧樹脂AB膠粘貼于樁體測試位置表面，其余數(shù)據(jù)傳輸光纖用4層熱縮管層層保護(hù)，封裝完成后光纖如圖1所示。傳感器從管樁端部開始，間隔30 mm均勻布置，即沿管樁深度分別在20 mm、50 mm、80 mm、110 mm、140 mm、170 mm和200 mm位置處布置7個傳感器，模型箱中樁基布置如圖2所示。

圖 1 樁基模型FBG傳感器封裝

圖2 離心模型箱測試樁基布置圖

2 離心模型過程

試驗(yàn)中濕陷性黃土層采用原狀濕陷性黃土，原狀濕陷性土塊如圖3所示。在濕陷性黃土層下布設(shè)10 cm厚度細(xì)砂層，為模擬持力層不同壓實(shí)條件下樁周摩阻力，試驗(yàn)過程中分別考慮細(xì)砂相對密度為0.68、0.78和0.89三種工況。

試驗(yàn)基于長安大學(xué)土工離心機(jī)離心場浸水裝置[12]進(jìn)行改進(jìn)，輸水系統(tǒng)由儲水箱、輸水管、電磁閥、獨(dú)立開關(guān)等組成，儲水箱由不銹鋼板焊接而成，固定在離心機(jī)轉(zhuǎn)臂上。黃土層的飽和度達(dá)到85%即達(dá)到了完全飽和濕陷狀態(tài)，試驗(yàn)過程中浸水水箱中儲備水量需確保土體能夠達(dá)到飽和狀態(tài)，并通過電動開關(guān)控制浸水量，從而實(shí)現(xiàn)樁周土層的完全濕陷。模型試驗(yàn)相似比例n=60，模型樁為直徑10 mm的圓柱形鋁質(zhì)金屬管，樁長205 mm。樁基施工和加荷過程運(yùn)用長安大學(xué)土工離心機(jī)加荷載系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)由機(jī)械手主機(jī)和電氣系統(tǒng)構(gòu)成，其中機(jī)械手Z軸向能提供最大18 kN的垂直荷載，利用其拉壓功能模擬靜壓樁及施加荷載過程。試驗(yàn)過程中將樁模型固定在機(jī)械手Z軸底端，然后利用機(jī)械手的精確定位功能使管樁就位，調(diào)節(jié)Z軸的移動速度，以合適的速度將樁管壓入土中。樁頂荷載也由Z軸施加，試驗(yàn)過程中樁頂施加1 kN軸向荷載。為保證FBG傳感器在土工離心場中采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)對FBG應(yīng)變傳感器和傳統(tǒng)電阻式(ER)應(yīng)變片進(jìn)行了對比驗(yàn)證，即在同一根模型樁中同一樁位處兩側(cè)等高處分別粘貼FBG傳感器和ER應(yīng)變片如圖4所示?？梢钥闯?，運(yùn)用傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器測試樁身應(yīng)變，應(yīng)變測試元件粘貼面積大且引出數(shù)據(jù)線繁多，不僅影響樁土之間相互作用機(jī)制，而且每個測點(diǎn)元件的引出線所形成一大束導(dǎo)線將會占據(jù)離心機(jī)大部分的集流環(huán)空間，且這些導(dǎo)線成束綁扎，信號傳輸過程中相互干擾，極大地影響了測試精度，但FBG傳感器只需一條導(dǎo)線，輕質(zhì)，微型，抗電磁干擾優(yōu)勢明顯。為避免外壁粘貼應(yīng)變片影響摩阻力和信號線引出等問題，粘貼FBG傳感器時(shí)，在模型樁身開細(xì)槽，矩形槽身邊長為2 m，F(xiàn)BG傳感器直接粘貼于凹槽內(nèi)部；ER應(yīng)變片采用外壁粘貼應(yīng)變片，在樁身鑿細(xì)孔，信號線從管內(nèi)集中引出。對樁身施加同一荷載，分別采集應(yīng)變變化數(shù)據(jù)如圖5所示。數(shù)據(jù)對比分析可知，兩種傳感器測試結(jié)果雖總體規(guī)律相似，但仍具有一定偏差，其中ER應(yīng)變片測試結(jié)果整體上比FBG應(yīng)變傳感器測試結(jié)果偏小。另外，在測試后期，ER應(yīng)變片在測試過程中有部分測試元件損壞現(xiàn)象，從而說明FBG應(yīng)變傳感器能夠在離心場條件下有效獲取試驗(yàn)應(yīng)變變化數(shù)據(jù)，且從測試安裝工藝和測試準(zhǔn)確度方面具有較高穩(wěn)定性。

圖3 原狀濕陷性黃土土塊

圖4 ER傳感器和FBG傳感器對比測試圖5測試結(jié)果比較

3 試驗(yàn)測試結(jié)果分析

分別考慮兩種軸向荷載，三種細(xì)沙相對密度條件下，持力層樁側(cè)摩阻力如圖6所示。

(a) 濕陷條件下3 kN軸壓樁周摩阻力平均值 (b) 濕陷條件下1 kN軸壓樁周摩阻力平均值

圖6樁周摩阻力平均值

從圖6可以看出：黃土層浸水濕陷條件下樁基周圍產(chǎn)生了明顯的負(fù)摩阻力，最大平均值達(dá)30.6 kPa；比較發(fā)現(xiàn)，相同軸向荷載下樁底持力層相對密度越大，樁身摩阻力分布特征越穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)樁端持力層相對密實(shí)度較小時(shí)，浸水初期樁周土濕陷使樁周產(chǎn)生了負(fù)摩阻力，但在樁頂荷載的作用下，樁基礎(chǔ)相對于樁周土又產(chǎn)生了明顯的相對向下位移，出現(xiàn)正摩阻力。

(a) 濕陷條件下3 kN軸壓樁身軸力 (b) 濕陷條件下1 kN軸壓樁身軸力

圖7樁身軸力

在兩種軸向壓力作用下，樁身軸力如圖7所示。相對于有荷載1 kN，軸向荷載為3 kN時(shí)，基底持力層承擔(dān)了更多的軸向壓力，細(xì)沙相對密度減小導(dǎo)致樁底軸力增大，3 kN軸壓下樁身軸力最大達(dá)到3.85 kN，中性點(diǎn)深度比隨著基底持力層的穩(wěn)定也在逐漸地增加，在中性點(diǎn)位置處達(dá)到峰值；當(dāng)Dr=0.89時(shí)，中性點(diǎn)深度比最大值能達(dá)到1左右，這主要是由于樁端持力層剛度增大，導(dǎo)致樁身沉降量大大降低，進(jìn)而導(dǎo)致樁土相對位移增加，從而使中性點(diǎn)的位置下移，離心試驗(yàn)測試結(jié)果驗(yàn)證表明：黃土地基表層浸水條件下，產(chǎn)生濕陷變形的黃土深度在6 m左右，樁身上部軸力逐漸增大，直到中性點(diǎn)位置處達(dá)到峰值，最后逐漸減??；當(dāng)基底持力層承載力較低時(shí)，中性點(diǎn)一般在樁身中點(diǎn)上部。

4 結(jié)語

將輕質(zhì)，微型，抗電磁干擾的FBG傳感技術(shù)與土工離心模型試驗(yàn)相結(jié)合，通過室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變儀對比分析驗(yàn)證了該傳感器具有精度高、實(shí)施方便等優(yōu)點(diǎn)。FBG傳感器測試所得的濕陷性黃土在浸水條件下樁周摩阻力的影響因素和變化規(guī)律是合理的，測試結(jié)果得出了樁周濕陷性黃土樁周摩阻力的產(chǎn)生機(jī)制和分布特征以及濕陷條件下樁身軸力分布規(guī)律，對黃土地區(qū)樁基礎(chǔ)復(fù)合地基施工、設(shè)計(jì)起到一定的參考作用。

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ApplicationofFBGsensingtechnologyinmodeltestofpilefrictionresistance

FAN Lei1, ZHANG Ye2, LIU Xi1, DONG Yue-lin1, SUN Teng1

(1.Chang'anUniversity,Xi'an710064,China; 2.SCEGCMechanizedConstructionGroupCompanyLTD，Xi'an710032,China)Abstract：In northwest China, the large area of collapsible loess is distributed, and the relative displacement of pile and soil will increase after soaking in the wet depression, which leads to the large negative friction, and the friction caused by the wet subsidence will bring great harm to the pile foundation project. With the help of 60g.ton geotechnical centrifuge, a series of centrifugal model tests were carried out to combine the light, micro and electromagnetic interference optical sensing technology with the geotechnical centrifuge model test. Based on the results of indoor calibration test and the traditional resistance strain gauge test results, the variation regularity of pile-body frictional resistance under the condition of pile-soil collapsibility is obtained, and the friction resistance of the pile body under the condition of different relative density sand as the bearing layer is analyzed. The regularity of force variation and the stability of FBG sensor working in centrifugal field are validated.Keywords：FBG; model test; collapsible loess; friction resistance of pile

2017-08-16

范 磊(1994—)，男，河南開封人，碩士研究生。

1674-7046(2017)05-0028-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.05.006

TU457

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