劉立新, 任祥瑞，雷志強(qiáng)，毛景權(quán)，羅威力

(1.中交一公局橋隧工程有限公司，湖南 長沙 410000；2.廣州大學(xué))

鋼板樁是橋梁基礎(chǔ)建設(shè)中被廣泛應(yīng)用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，是橋梁樁基水下承臺(tái)建設(shè)中最常見的支護(hù)形式之一。鋼板樁的優(yōu)點(diǎn)有止水效果好、可回收、施工快、施工成本低等。然而鋼板樁的安全可靠性往往比較低，施工時(shí)容易出現(xiàn)安全事故，若圍堰監(jiān)測手段不足或者監(jiān)測精度不滿足要求，很容易出現(xiàn)樁的失穩(wěn)、坍塌，造成生命財(cái)產(chǎn)損失。目前，圍堰監(jiān)測的傳統(tǒng)方法采用點(diǎn)式傳感器，如應(yīng)變計(jì)、測斜儀等。此類傳感器具有布點(diǎn)多、路線多、易受環(huán)境的影響、安裝不便、人工成本高等缺點(diǎn)。另外，由于傳統(tǒng)監(jiān)測傳感器需要人工讀數(shù)、記錄等，很難實(shí)現(xiàn)長期長距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為了克服工程監(jiān)測存在的弊端、消除施工過程的安全隱患、實(shí)現(xiàn)信息化施工，探索出一種新的圍堰監(jiān)測方式非常必要。

近年來，分布式光纖傳感技術(shù)逐漸被用于工程監(jiān)測中，因?yàn)楣饫w傳感器具有分布式測量、抗電磁干擾、不怕水、耐高溫、耐腐蝕、易安裝、容易實(shí)現(xiàn)長距離監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感監(jiān)測技術(shù)廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，其在邊坡、樁基、管道、大壩、隧道、基坑、橋梁等結(jié)構(gòu)施工與運(yùn)行階段中的監(jiān)測都有應(yīng)用，取得了良好的效果，具有很大的應(yīng)用前景。但是尚未見有文獻(xiàn)報(bào)道應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測鋼板樁圍堰施工全過程的變形。

該文提出一種光纖測量鋼板樁受力變形的新方法。在鋼板樁上埋設(shè)分布式傳感光纖，使傳感光纖與鋼板樁合為一體，共同變形，此時(shí)鋼板樁成為具有感知變形能力的構(gòu)件，它能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測鋼板樁的應(yīng)變、彎矩、撓度等數(shù)值，確保圍堰開挖的可靠性與安全性。該方法可分析圍堰內(nèi)排水與開挖過程支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形的變化規(guī)律，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性，可作為圍堰施工過程的一項(xiàng)安全指標(biāo)。通過對廣州花都至東莞高速公路某合同段仙村涌2號(hào)大橋鋼板樁圍堰的監(jiān)測實(shí)例分析，以驗(yàn)證該技術(shù)在現(xiàn)場適應(yīng)性、剔除溫度影響、遠(yuǎn)程分布式測量等方面的應(yīng)用效果。

1 分布式光纖監(jiān)測原理

1.1 BOTDA原理

BOTDA是近年來興起的一種新的光纖傳感技術(shù)。此技術(shù)原理以光纖為介質(zhì)，通過在光纖兩端發(fā)送脈沖和連續(xù)光波，光纖中的布里淵頻率會(huì)產(chǎn)生偏移，從而感知和傳輸外界發(fā)生改變的信號(hào)。布里淵頻移量與光纖應(yīng)變成正比關(guān)系。所以，光纖應(yīng)變可以通過布里淵頻移量由下式求出：

(1)

1.2 工作原理

應(yīng)用BOTDA對鋼板樁進(jìn)行分布式檢測。將傳感光纖埋設(shè)在鋼板樁的腹板表面上，然后把安裝有分布式傳感光纖的鋼板樁豎直沉入河床地基中，在圍堰抽水和開挖過程中受水平方向上水、土壓力的作用。在此作用下，光纖傳感器和樁身發(fā)生變形協(xié)調(diào)，在光纖一端通過分布式光纖解調(diào)儀對樁內(nèi)傳感光纖長度上任一點(diǎn)的應(yīng)變信息進(jìn)行檢測，可得到布里淵頻移νB(ε,T)，通過公式εc=νB(ε,T)/K求得鋼板的應(yīng)變值，式中εc為鋼板樁應(yīng)變值；K為布里淵頻移的影響系數(shù)，由應(yīng)變值可以求得鋼板樁相應(yīng)力學(xué)參數(shù)。

2 傳感光纖安裝工藝

為了不削弱鋼板樁的截面面積和保護(hù)光纖傳感器在沉樁時(shí)不受破壞，該文提出一種新的傳感光纖安裝方法：從樁頂開始到樁底，在鋼板樁腹板中軸線上側(cè)焊接2根保護(hù)鋼筋，在鋼板樁腹板中軸線下側(cè)焊接1根角鋼，將傳感光纖黏結(jié)在2根保護(hù)鋼筋形成的凹槽以及鋪設(shè)在空腹的角鋼上面，鋪設(shè)在樁中的傳感光纖呈U字形回路，鋪設(shè)在保護(hù)鋼筋形成的凹槽上的光纖測量內(nèi)力產(chǎn)生的應(yīng)變，鋪設(shè)在空腹角鋼上的光纖測量溫度產(chǎn)生的應(yīng)變。為了在圍堰施工檢測時(shí)能夠方便地連接光纖解調(diào)儀，在樁頭需要留出一定長度的光纖傳感器。為了防止后期施工時(shí)，樁頭處的光纖受到人為破壞或者環(huán)境的影響，在樁頭預(yù)留光纖應(yīng)進(jìn)行封裝保護(hù)，以免影響光纖的使用壽命。傳感光纖的安裝工藝如圖1、2所示。

圖1 光纖測量線路構(gòu)成示意圖

3 傳感光纖應(yīng)變標(biāo)定室內(nèi)試驗(yàn)

傳感光纖標(biāo)定試驗(yàn)主要考察應(yīng)變遞增時(shí)分布式光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)測得的光纖布里淵頻率變化趨勢，驗(yàn)證應(yīng)變變化與系統(tǒng)所測布里淵頻率之間的線性關(guān)系，評價(jià)系統(tǒng)的應(yīng)變測試能力。

圖2 鋼板樁測量系統(tǒng)布置側(cè)面示意圖

試驗(yàn)采用的傳感光纖原長度為3 m，對傳感光纖施加軸力，使傳感光纖產(chǎn)生軸向變形，用激光干涉儀測定受拉傳感光纖的伸長量，通過應(yīng)變量控制數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，采集傳感光纖變形時(shí)的布里淵頻率變化量。應(yīng)變每增加0.003%，傳感光纖解調(diào)儀采集一次數(shù)據(jù)，直至傳感光纖的伸長量達(dá)到9 mm時(shí)停止采集，得到光纖應(yīng)變與布里淵頻率、頻移累計(jì)的關(guān)系，如表1、圖3所示。

表1 光纖應(yīng)變與布里淵頻移的關(guān)系

由圖3可得：應(yīng)變變化與布里淵頻移累計(jì)呈良好的線性關(guān)系，傳感光纖應(yīng)變對布里淵頻移的影響系數(shù)為：

圖3 光纖應(yīng)變與布里淵頻移累計(jì)的關(guān)系

4 數(shù)據(jù)處理方法

BOTDA對鋼板樁的檢測結(jié)果是傳感光纖段在每個(gè)工況下的應(yīng)變頻譜，得出的應(yīng)變頻譜含有噪聲，波動(dòng)性比較大，難以得出鋼板樁應(yīng)變變化規(guī)律，所以需要對應(yīng)變頻譜進(jìn)行消噪和平滑處理。首先運(yùn)用小波分析法對應(yīng)變頻譜進(jìn)行消噪，再運(yùn)用移動(dòng)平均法進(jìn)行平滑處理，如圖4所示。

圖4 原始、消噪與平滑處理信號(hào)

圖4為某工程對長度18 m的鋼板樁圍堰進(jìn)行施工全過程檢測，運(yùn)用小波變換對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理的信號(hào)。從圖4可以看出：降噪后的曲線更加光滑，有效抑制了高頻信號(hào)，降噪效果明顯。對降噪后數(shù)據(jù)采用移動(dòng)平均法進(jìn)行修勻，可有效消除數(shù)據(jù)的波動(dòng)性，能消除和減小外界偶然因素的影響，顯示鋼板樁的應(yīng)變變化趨勢。

由于溫度的變化影響B(tài)OTDA頻移的讀數(shù)。因此，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減輕溫度對布里淵頻移的影響。該工程通過鋪設(shè)專用的溫度補(bǔ)償光纖來進(jìn)行溫度補(bǔ)償。由式(1)可知：BOTDA的測量值包含了溫度和應(yīng)變的共同影響，假定BOTDA 的測量值為應(yīng)變測量值，則該應(yīng)變測量值由兩個(gè)部分組成：

εc=εε+εT

(2)

式中：εc為總應(yīng)變；εε為真應(yīng)變；εT為溫度應(yīng)變。

在同一溫度場內(nèi)的不同光纖εε可能不相同，但是εT是相同的，因此，εε可由式(2)求得。

根據(jù)鋼板樁的應(yīng)變，可以計(jì)算得到鋼板樁彎矩，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：M(x)為樁身彎矩值；I為每根樁的慣性矩；E為彈性模量；Δε為應(yīng)變改變量。

根據(jù)彎矩計(jì)算公式(3)，可計(jì)算樁的撓度分布：

(4)

式中：yd為某截面處的撓度；C和D為由邊界條件決定的參數(shù)。

由于該文工程土體條件較軟，在圍堰的抽水與開挖過程中，鋼板樁底部會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)樁受到水平作用的支撐力時(shí)，水平位移受到限制，樁底旋轉(zhuǎn)值無法測量，因此在得到樁體軸向應(yīng)變的前提下，需要用全站儀監(jiān)測的樁頂水平位移作為邊界條件，利用這些邊界條件求出樁身撓度。

5 圍堰監(jiān)測應(yīng)用實(shí)例

5.1 工程概況

廣州花都至東莞高速公路某橋墩建于軟巖地層中，水下軟巖強(qiáng)度性質(zhì)不穩(wěn)定，地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見表2。

表2 土層及填土的物理參數(shù)值

圍堰采用鋼板樁(參數(shù)見表3)插打圍合而成，圍堰長×寬×高=17.90 m×12.60 m×18 m，水深4～9 m，開挖深度為水面以下6 m，鋼板樁嵌固深度為5 m，水平方向上設(shè)有4道支撐。

表3 拉伸鋼板樁截面參數(shù)

該圍堰采用逆做法施工，先下放第1、2道內(nèi)支撐系統(tǒng)，再打設(shè)鋼板樁圍堰。排水開挖基坑內(nèi)土層，邊開挖邊支撐?；娱_挖如圖5所示，開挖分6個(gè)工況，各工況如下：

圖5 基坑開挖示意圖(單位：cm)

(1)工況1：安裝1、2道支撐，以1、2道內(nèi)支撐的圍檁為基準(zhǔn)線，打設(shè)鋼板樁圍堰。

(2)工況2：圍堰內(nèi)抽水，基坑開挖至第3層支撐下0.5 m。

(3)工況3：安裝支撐3，基坑向下開挖1 m。

(4)工況4：基坑向下開挖至支撐4以下0.5 m。

(5)工況5：安裝支撐4，基坑向下開挖1.5 m。

(6)工況6：基坑開挖到底。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)基坑開挖的6個(gè)工況，分布式光纖傳感技術(shù)對鋼板樁進(jìn)行檢測過程是與圍堰基坑開挖同步進(jìn)行的。在鋼板樁沉樁后對樁身進(jìn)行初值測試，之后每個(gè)工況測一次，直至開挖到底、混凝土墊層施工完成。數(shù)據(jù)處理時(shí)把每個(gè)工況下所測的變形數(shù)據(jù)減去初始值就是鋼板樁的變形值。

5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

BOTDA儀器的數(shù)據(jù)采樣間距為0.25 m，根據(jù)式(2)得到樁身隨樁長變化的應(yīng)變值分布曲線，并對應(yīng)變分布曲線除噪和平滑處理，結(jié)果如圖6所示。

圖6 樁身應(yīng)變分布圖

根據(jù)式(3)計(jì)算得到各工況下鋼板樁的彎矩分布圖，如圖7所示。從圖7可以看出：鋼板樁樁身彎矩值隨著開挖工況的進(jìn)行而增加，在開挖過程中，最大彎矩約為220 kN·m；在樁長約1、4.5、7、9以及13 m處的基坑底分別出現(xiàn)彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)，實(shí)際支撐點(diǎn)位置分別為1、4.5、7.5、10 m，基坑底處為13 m，可以判斷彎矩轉(zhuǎn)折點(diǎn)主要由內(nèi)支撐和基坑開挖面的土體造成；樁身彎矩峰值隨著開挖的進(jìn)行逐步下移；符合實(shí)際情況。根據(jù)計(jì)算鋼板樁的抵抗彎矩為516 kN·m，圍堰施工的最大彎矩小于其抵抗彎矩，滿足施工要求。

圖7 樁身彎矩分布圖

根據(jù)樁身撓度公式(4)計(jì)算出樁的撓度，如圖8所示。

圖8 樁身撓度分布圖

從圖8可知：工況6基坑開挖到底，樁身最大撓度約為17 mm；隨著基坑開挖深度逐漸增大，樁身撓度增加；彎矩值越大處，樁身撓度越大；樁身最大撓度處隨著開挖的進(jìn)行逐步下移。根據(jù)規(guī)范，樁身允許的最大撓度為50 mm，圍堰施工最大位移小于其允許撓度，因此該工程施工過程中撓度滿足施工要求。

從圖7、8可看出：支撐不僅改變了彎矩和撓度的數(shù)值大小，也改變了曲線峰值的位置。隨著圍堰開挖深度的增加，鋼板樁的彎矩和撓度增大；水平支撐能夠有效減小彎矩和撓度的大小，在支撐安裝的位置會(huì)出現(xiàn)明顯的突變。

為了驗(yàn)證分布式光纖對鋼板樁圍堰監(jiān)測的有效性，在鋼板樁附近埋設(shè)了一根測斜管，通過測斜儀測量出工況6鋼板樁的水平位移，并與分布式光纖監(jiān)測的樁身撓度比較，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：測斜儀測量出的鋼板樁撓度曲線與分布式光纖監(jiān)測的樁身撓度曲線具有很高的相似度，兩者的誤差較小，兩者之差在2 mm范圍內(nèi)，說明分布式傳感光纖技術(shù)監(jiān)測結(jié)果有效且準(zhǔn)確，將此技術(shù)應(yīng)用于鋼板樁圍堰監(jiān)測是一種行之有效的方法。

6 結(jié)論

(1)將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于圍堰施工過程中鋼板樁試樁的應(yīng)變、彎矩和撓度等檢測，其具有分布式測量、抗磁干擾、耐高溫、防水、抗腐蝕、便于安裝、容易實(shí)現(xiàn)長距離監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。

(2)傳感光纖在鋼板樁中埋設(shè)時(shí)工藝十分重要，該文提出一套埋設(shè)工藝，既能保護(hù)光纖，又不削弱鋼板樁截面，解決了傳感光纖在鋼板上的埋設(shè)工藝問題。

(3)在分布式光纖檢測中，考慮了監(jiān)測周期內(nèi)環(huán)境溫度的變化，專門鋪設(shè)了溫度補(bǔ)償光纖，以消除溫度場變化的影響，提高了監(jiān)測精度。

(4)分布式光纖傳感技術(shù)是在鋼板樁圍堰施工中的首次嘗試，為基坑開挖全過程提供了有效檢測數(shù)據(jù)。此技術(shù)作為一種新型圍堰測試技術(shù)，可為今后基坑工程檢測提供一種新的檢測手段。