光纤传感技术在静压管桩应力测试中的方法研究

【摘要】本文结合国家自然科学基金项目，依托杭州富阳工程实践，对光纤应力测试方法经行了系统研究，包括其光纤传感器的安装过程，贯入过程中的数据采集方法，数据的分析与处理，通过该项试验可成功分离桩端阻力及桩侧摩阻力，可以更好地研究桩的各项受力机理。

【关键词】光纤传感技术：静压管桩；桩端阻力；桩侧摩阻力

Test research curing agent of a domestic characteristic

Xu Jin-xiang,Zhang Ming-yi,Kou Hai-lei,Xie Yun-yun,Li Hong-mei,Dong Lin-wei

(School of Civil Engineering, Qingdao Technological UniversityQingdaoShandong266033)

【Abstract】In this paper, combining with the National Natural Science Foundation project, relying on engineering practice in Fuyang , the fiber stress testing method was systematically researched, including the installation of fiber optic sensors, the data collection methods in penetration process, data analysis and sorting. The test can successfully detach the pile tip resistance and pile lateral friction, which can better study the mechanism of the force.

【Key words】Fiber optic sensing technology;Static pressure tubal pile;Pile tip resistance;Pile lateral friction

1. 引言

近年来，静压桩以其无噪声、无振动、送桩深、经济效益高等优点，逐渐取代传统的锤击法及振动法广泛的应用于工程之中。与其他桩型的施工相比较，静压桩在施工时可以明确的知道压桩力的大小，这是静压桩的优点所在，但是压桩力综合反映的是桩及周围土体共同作用的合力，桩身轴力的分布及桩与周围土体的摩擦等情况却并不明显，分离桩侧摩阻力与桩端阻力的应力测试试验是关键。

桩身应力测试是桩基研究中的一项重要内容。通过分析桩身轴力随桩身埋深、荷载级别及桩土位移的变化规律来分析桩基的承载性状。目前管桩的应力测试主要是通过在桩内不同截面埋入钢筋应力计及土压力计等传感器件获取，而这些传感器件基本都是基于应变模式下的点式传感元件，其测试结果受局部桩身性质及传感元件布设密度和位置所控制［1］，主要有以下缺点：精度低，成活率低，受周围环境影响因素大。

为了寻求桩和周围土体的作用关系，准确地分离桩端阻力与桩侧摩阻力，本文提出使用光纤传感技术的FBG（准分布式）方法进行桩身应力测试。本课题组，针对提出的这种新型方法在杭州富阳进行了现场试验，对传感器的埋设装置和工艺等有了一些探索。

2. 试验仪器安装过程及测试方法

本次试验结合该工程的岩土工程勘察报告［2］划分的各土层厚度及土的类别，如表1所示，假定各土层与桩的摩擦力大小一致，在土层分界面的合适位置在桩身内埋设光纤传感器，分6层布置，每层截面上布置1个光纤应变传感器，并埋设温度传感器，传感器安装示意图如图1所示。

2.1预制管桩光纤传感器的安装工艺。

由于钢筋混凝土预制管桩都是用高速离心旋转法制做，并经高温蒸养，因此，不可能在制做桩时将光纤光栅传感器事先埋设在桩内。另一方面，若在预制桩做好后再在其表面直接粘贴光纤传感器，由于预制桩要挤土沉人土中，因此很容易将凸显在桩表面的光纤传感器及光缆损坏，因此，本课题组提出在预制管桩桩身开槽，将传感器及光缆埋入，并以环氧树脂封装，取得了比较好的效果。其具体安装方法为：

（1）在桩身需要安装光纤光栅应变传感器和温度传感器的地方做好标记，按照传感器的尺寸放线以便于开槽；用彩色马克笔将刻度标于桩身，以便于观察桩的贯入深度。

（2）桩身开槽，根据已放好的线利用打磨机以及冲击钻对桩身进行开槽，用钻机进行预钻孔以便埋入光纤光栅传感器和温度传感器，开槽时应将槽开的足够深度以保证光纤传感器完全埋入，保证其安全性，并清理桩身。

（3）现场传感器的熔接，由于常用的光栅解调仪为4通道，而如果桩身所装传感器多于4个，则需要对传感器进行串联，使用光纤熔接仪对光缆进行熔接，按照传感器的布置方位来调节光缆长度，并对熔接好的传感器进行测试。

（4）将传感器安装在已开好槽的桩身内，传感器使用AB胶与桩身固定，并记录每个传感器的原始数据以及安放位置。

（5）将布置好传感器以及光缆的桩身进行封装，封装材料选用环氧树脂，将环氧树脂与固化剂按照一定比例混合，调匀后对开槽桩进行封装，封装完成静置24小时后方可进行压桩试验，这样可以使环氧树脂达到足够的强度，更好的保护传感器以及光缆。

图1试验桩传感器安装示意图

2.2预制管桩贯入过程应力测试方法。

（1）定桩位，按照试验方案中的试验桩桩位所示预先放线定出试验桩桩位。

（2）吊桩入桩位，将已经安装好光纤传感器的桩用吊车吊起，落入桩位，将桩顶引出的光缆理顺用扎带绑扎在一起，起吊时应注意分清桩端与桩顶，靠近桩顶起吊（因为传感器接头从该端引出），当吊桩到桩位时，使光纤接头自然垂下，便于将接头接到光纤解调仪上。

（3）连接传感器与光纤光栅解调仪，将传感器的接头插入光纤光栅解调仪中，记录每个光纤传感器在压桩前的初始读数，调试光纤光栅解调仪，采集频率设置为1秒钟采集1次数据以保证其数据精确。

（4）压桩开始，同时光纤光栅解调仪开始采集数据，其测试中的难点在于两节桩数据的采集，由于由两段桩接成，在第一段桩压到接近地平时应先暂停，如果继续压会将光缆压入地下而损坏，此时应首先将光缆线从桩身预先钻的孔中通过，在第二段桩中预先放置一端绑有砖头的绳子，当起吊时砖头拉扯使绳子从桩孔中自然垂下，将光纤接头与绳子相连，另一端拉起使光缆穿过第2段桩，然后再将光纤接头从第2段桩预先钻的孔中穿出，与第2段桩上的传感器接头同时接到光纤光栅解调仪上，此时继续压桩，进行采集数据，可以保证光缆的安全。

在该过程进行中应该特别注意，由于试验桩之间距离较近，在静压桩机行走时务必会压到已压桩完毕的桩，此时要特别做好已压完桩的传感器接头保护工作，可在压完桩后挖一小坑将接口埋入，并盖以木板，以备后续能继续监测。

图2光缆埋入实物照片

图3光纤光栅传感器埋入实物照片

3. 数据处理

3.1计算过程的基本假定：

（1）桩身材料质量均一性，即桩身混凝土材料在整个桩长各截面位置上的应力应变关系是相同的。

（2）光纤传感器的变形与桩身混凝土变形一致，即光纤传感器与桩身混凝土能够共同工作。这是进行桩身轴力计算的重要前提假定。

图4压桩过程连接光缆

图5压桩过程采集数据

图6试验桩曲线图

（3）一定深度范围内的同一层土与桩身材料的摩擦力是均匀分布的。这是计算桩身摩阻力的重要前提假定。

3.2数据处理过程：

光纤光栅传感器应变公式如下所示：

Δε=ΔλS-KTS ΔλTKT KS

式中：Δε ――应变变化量（ με）。

ΔλS ――光纤光栅应变传感器中心波长的变化量（pm）。

ΔλT――光纤光栅温度传感器中心波长的变化量（pm）。

KS――光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数（pm/με ）。

KT ――光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数（ pm/℃）。

KTS――光纤光栅应变传感器的温度灵敏度系数（pm /℃）。

4. 数据分析

根据数据处理的方法，对试验桩的数据进行处理分析，可以得到压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力分别与贯入深度的关系如图6所示。

如图6的桩端阻力曲线图所示，桩端阻力并不随深度增加，其值不受土层埋藏深度的影响，而跟土层的性质有关。有什么样的土，就有什么样的桩端阻力，只有在进入不同软硬土层时，才发生突变。因此，在相似土性指标的不同土层，桩在贯入同一土层时，由于土层埋藏较深导致沉桩阻力提高，主要是桩侧摩阻力的累积。

沉桩过程中，压桩力在同一土层克服桩端阻力后，其高出的部分由桩侧摩阻力来承担，压桩力随着深度略有增加，桩侧摩阻力也应该略有增加，这表明作用在桩侧的摩阻力并不是常值，但提高的幅度并不快，可以认为，桩侧摩阻力并不是随着深度而线性增加。

5. 结束语

本文结合杭州富阳静压桩工程，对静压桩桩身进行了新型的应力测试方法即光纤应力测试的研究，本次试验共使用光纤应变传感器38个，36个正常工作，2个损坏，存活率为94.7%。

且得出的数据精度很高。但是由于目前这种测试方法的应用较少，相对传统传感器价格较高，且在后期数据整理中数据量较大，可在以后的研究中探索新的数据处理方法。

参考文献

［1］李素华，吴世明，刘忠孝．工程桩质量检测技术中的若干问题探讨［J］．岩石力学与工程学报，2002，21(1)：133～135.

Li Shula，Wu Shiming，Liu Zhongxiao．Probing into some problems in pile testing technologies．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(1)：133～135.

［2］富阳市经济适用住房（第六期）工程岩土勘察报告［R］，浙江大学建筑设计院.

［3］刘积长等．基础工程处理检测实录［M］．中国建材工业出版社，1998.

［基金项目］教育部高等学校博士点基金（No.20093721110002）资助；国家自然科学基金(No.51078196)资助。

［文章编号］1006-7619（2011）11-28-201

［作者简介］ 徐津祥（1986- ），男，籍贯：山东东营人，学历：硕士研究生，研究方向为岩土工程。