分布式光纤感测技术在成都地区旋挖成孔灌注桩桩身内力测试中的应用

李 睿， 高 原， 周 煦， 顾 嫚， 潘劲昌， 李 旭

(成都市建工科学研究设计院，四川成都 610051)



分布式光纤感测技术在成都地区旋挖成孔灌注桩桩身内力测试中的应用

李 睿， 高 原， 周 煦， 顾 嫚， 潘劲昌， 李 旭

(成都市建工科学研究设计院，四川成都 610051)

采用布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术(BOFDA)在单桩竖向静载荷试验的同时对旋挖成孔灌注桩进行桩身内力测试，通过测试得到桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布及桩端阻力的大小及分布规律，为优化基桩设计和指导基桩施工提供技术依据和建议。文章的研究成果表明，成都地区软岩中旋挖成孔灌注桩按嵌岩桩设计严重低估了侧摩阻力的作用，有很大的优化空间。

旋挖成孔灌注桩； 端承桩； 桩身内力测试； 分布式光纤感测技术(BOFDA)

成都地区旋挖成孔灌注桩大量应用于各类工程中，施工技术较为成熟，但其设计是否合理，地勘参数取值是否恰当，特别是以软质岩作为桩端持力层的旋挖成孔灌注桩按嵌岩桩端承桩进行设计，是否严重低估了桩侧摩阻力的发挥，都值得研究。本文通过单桩竖向静载荷试验时的桩身内力测试，了解桩身轴力发挥机理、桩侧摩阻力及桩端阻力的分布规律，分析基桩承载力发挥机理，指导设计单位对基桩进行优化设计，具有十分重要的意义。目前对桩身内力测试的常规做法为采用振弦式钢筋应力计进行测试，该方法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，同时受安装焊接质量、埋设过程中不易保护等因素影响，测试结果误差较大。

基于布里渊光频域分析的分布式感测技术(BOFDA)具有分布式测量、测试距离长、不易损坏且操作简便等优点,克服了点式测试技术的不足，具有十分明显的优势，但由于测试设备较为昂贵，在基桩的应用中偏少。

本文以成都地区某安置房项目旋挖成孔灌注桩分布式光纤感测技术的成功应用为例，介绍基于BOFDA的桩身分布式检测的方法，分析桩身荷载传递规律，具有重要的工程实践意义。

1 BOFDA光纤感测技术测试桩身内力原理

1.1 BOFDA感测原理

基于布里渊散射光频域分布式光纤感测技术(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，简写BOFDA)是通过测试复杂的基带传输函数来推算布里渊散射光频移，该基带函数和沿光纤相向传输的泵浦光和斯托克斯光的振幅有关。布里渊散射光频移同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线全程的温度和应变分布信息。

由光纤的一端向光纤中注入脉冲光，并在同一端用BOTDR接收布里渊背向散射光。因此由某一点返回的布里渊散射光到BOTDR发射端的距离可由下式计算得到：

(1)

式中：c为真空中的光速；n为光纤的折射率；T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

图1是布里渊频移与光纤应变之间的线性关系，线性关系的斜率取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定。

图1 光纤应变计算原理

光纤的应变量与布里渊频移可用下式表示：

(2)

根据上述原理，只要被测基桩中埋设的光纤在荷载作用下和桩身混凝土同步应变，即可实现桩身轴力分布式应变监测。

1.2 桩身应力计算原理

测试得到的是光纤的轴向压应变ε(Z)，由于光纤固定在桩身混凝土内，在静载压力下光纤轴向应变与桩身混凝土轴向应变一致，因此桩身混凝土的压应变也为应变ε(Z)。

桩身压应力σ(Z)为：

σ(Z)=ε(Z)·Ec

(3)

式中：Ec为桩身混凝土的弹性模量。

桩身轴力Q(Z)为：

Q(Z)=σ(Z)·A

(4)

式中：A为桩身截面面积。

桩的荷载传递基本微分方程为：

(5)

式中：qs(Z)为桩侧分布摩阻力；Q(Z)为桩身轴向力；U为桩身周长。

式(5)可以简化为：

(6)

式中：ΔQ(Z)为某土层内桩身两截面间轴力变化量；ΔZ为该土层内桩身两截面间深度差。

将式(3)、式(4)代入式(6)中有：

(7)

式中：Δε为某土层内桩身两截面间轴向应变变化量。

根据仪器测试光纤应变分布结果和式(3)、式(4)、式(7)就可得所有测试结果。

计算时两个重要参数要确定：桩身截面面积A和桩身混凝土的弹性模量E。本次测试数据分析桩身截面面积为确定值，弹性模量E确定可以根据混凝土的标号及配筋率查询相关规范。

2 工程案例

2.1 工程概况

成都市天府新区某安置房项目柱下独立基础下布旋挖成孔灌注桩，桩端持力层为中风化粉砂质泥岩，设计要求天然单轴抗压强度值frk≥4.34 MPa，受检试桩1和试桩2桩径均为1.0 m，嵌岩深度为4.0 m，单桩设计承载力特征值为2 500 kN。场地内地层自上而下分布为粉质黏土、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂质泥岩。地基土物理力学性质指标见表1。

表1 地基土物理力学性质指标

2.2 旋挖成孔灌注桩BOFDA应力检测原理

本次测试的基桩中呈十字对称方式，布设了5.0 mm的GFRP加筋应变传感光纤和金属基索状光缆。光纤的铺设以钢筋为载体，光纤被预先捆绑在钢筋笼的主筋上。为防止在浇灌混凝土过程中混凝土对光纤的直接冲撞，光纤的布设要沿着钢筋的侧边进行铺设，铺设过程中采用定点捆扎方式让光纤保持挺直。为能系统了解桩身应变情况，以及保证光纤的成活率和数据的可靠性，采用U型方案铺设，具体铺设方式如图2所示。

BOFDA对基桩的应变监测是与桩的静载荷试验同步进行的。在检测之前先对桩身进行初值测试，之后每加一级荷载稳定后检测传感光纤应变值，直至最大荷载。本次内力监测未测试卸载应变值。

图2 光纤铺设方式

2.3 检测结果分析

本次试验采用单桩竖向抗压静载试验，试验依据JGJ 106-2014《建筑基桩检测技术规范》，最大加载量为设计要求的单桩承载力特征值2.0倍，每级荷载沉降稳定后进行光纤应变测试。静载试验结果详细Q～S曲线见图3。

图3 试桩Q-S曲线

某级荷载作用下，应变总体趋势从桩顶到桩底逐渐减小，各条测线应变曲线在部分深度位置发生跳跃起伏。当桩顶荷载达到最大试验荷载时，4条测线桩顶应变均达到最大，但4条测线桩顶应变大小不一，这主要是由静载实验时荷载偏心所致(图4、图5)。

表2为试桩1和试桩2试验桩在各荷载级别下桩身侧摩阻力计算表，并根据其表值绘制出试验桩各级荷载下各土层侧摩阻力的发挥值图(图6、图7)。

由图8和图9可知，试桩1和试桩2在某级荷载作用下，桩身轴力随桩体埋深增加而不断减小。

试桩1和试桩2桩体下部强风化粉质泥岩和中风化粉质泥岩两层岩体在整个试验过程中，其侧摩阻力起主要的荷载反力作用，为主要持力层。粉质黏土在整个实验过程中，其侧摩阻力完全发挥，分别于4 500 kN荷载和4 000 kN荷载时，开始发挥到最大，最大侧摩阻力均约为90 kPa，较该项目岩土工程勘察报告所提建议值75 kPa有所提高，继续增大荷载，其摩阻力增长较小。继续增大荷载，强风化粉质泥岩和中风化粉质泥岩，随着荷载增大其侧摩阻力增长较快，侧摩阻力尚未发挥完全，若继续增大实验荷载，二者侧摩阻力将继续增大。

表2 试验桩各土层侧摩阻力计算 kPa

图5 试桩2各级荷载下应变分布曲线

图6 试桩1试验桩桩身内力分布

图7 试桩2试验桩桩身内力分布

图8 试桩1各土层摩阻力发挥

图9 试桩2各土层摩阻力发挥

试桩1和试桩2测试得到的桩端阻力大小和变化趋势见表2和图10。在前两级荷载(1 000 kN、1 500 kN)作用下，桩端受力较小和未受力，受桩顶荷载影响很小，桩体受荷反力基本由桩身侧摩阻力提供。当荷载达到5 000 kN，试桩1桩端荷载为934.09 kN，桩端荷载为桩顶荷载的18.68 %；试桩2桩端荷载为1 183.06 kN，桩端荷载为桩顶荷载的23.66 %。此时试桩1端阻力为1 189.92 kPa，试桩2端阻力为1 507.08 kPa，两桩端荷载阻力未达到桩端岩体的破坏极限值，若继续增大试验荷载，桩端阻力将继续增大。本次试验试桩1和试桩2端阻力较小，均为端承摩擦桩。

图10 试桩静载荷桩端阻力变化

3 结论

(1)基于BOFDA的分布式光纤感测技术对旋挖成孔灌注桩桩身内力测试方法是可行的，可以检测基桩的应变分布、变形规律、桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布、桩端阻力大小，具有分布式、长距离、抗干扰强、寿命长、与被检测物同步协调性能好等优势。

(2)本次试验中两桩桩侧强风化粉质泥岩和中风化粉质泥岩，其侧摩阻力提供反力较大，但均尚未发挥完全，若继续增大实验荷载，二者侧摩阻力将继续增大；两试桩上部粉质黏土段侧摩阻力均发挥完全，较该项目岩土工程勘察报告所提建议值75 kPa略有提高。

(3)当试验荷载达到最大5 000 kN时，试桩1端阻力约为934.09 kN，占总荷载的18.68 %；试桩2端荷载为1 183.06 kN，桩端荷载达到总荷载的23.66 %。本次试验两桩均以岩土体侧摩阻力为主要反力提供，桩端提供反力相对较少，本次试验试桩1和试桩2为端承摩擦桩，可见成都地区按嵌岩桩设计的旋挖成孔灌注桩的承载力还有较大提升空间。

[1] 魏广庆， 施斌， 余小奎， 等. BOTDR分布式检测技术在复杂地层钻孔灌注桩测试中的应用研究[J]．工程地质学报，2008，16(6).

[2] 朴春德， 施斌， 魏广庆， 等. 分布式光纤传感技术在钻孔灌注桩检测中的应用[J].岩土工程学报，2008(7).

[3] 张丹，施斌，吴智深，等. BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用[J]．土木工程学报，2003，36(11)：83-87.

[4] JGJ 106-2014 建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014．

投稿须知

1.投稿文章论点明确，文字精练，数据可靠，每篇论文(含图表)一般在4000字左右，包括：题目(中文一般不超过20个汉字)、作者姓名、作者单位及邮政编码、中文摘要(100字～300字)、关键词(3个～8个)、正文、参考文献。

2.量和单位符号等必须符合国家标准规定。稿中外文字母、符号必须分清大、小写，正、斜体，黑、白体，上、下角标的字母、符号，其位置高低应有明显区别。

3.文中图、表，随文出现插图，请用计算机绘图。图中文字符号应与正文一致，字体大小为六号宋体。照片要清晰、层次分明。

4.文中章节编号采用三级顶格排序：一级标题形如1、2、3、……排序，二级标题形如1.1、1.2、1.3……排序，三级标题形如1.1.1、2.2.2、3.3.3……排序。

5.参考文献必须是公开发表且在文中确实引用的专著、期刊文章、学位论文、技术标准等，按文中引用的先后顺序编写，并在文中引用处标注文献编号。参考文献著录格式如下：

专著：主要责任者.文献题名[M].版本项(第一版不著录).出版地：出版者，出版年： 引用页码.

连续出版物：主要责任者.文献题名[J].刊名，出版年，卷(期)：引用页码.

论文集、会议录：主要责任者.文献题名[C].论文集编者名.论文集名称.论文集出版地：出版者，出版年.

学位论文：主要责任者.文献题名[D].学位论文申请地：学位论文申请学校，申请年.

技术标准：主要责任者.标准编号 标准名称[S].出版地：出版者，出版年.

6.来稿请提供作者简介，注明姓名、出生年月、性别、民族(汉族可以不注)、学位(或在读学历)、技术职称、所从事的技术工作或者研究方向等。

7.来稿为科研基金项目的请注明项目名称和项目编号。

8.投稿请将电子版发送到本刊投稿邮箱scjzbjb@163.com。

《四川建筑》编辑部

李睿(1982～)，男，工程师， 从事岩土工程设计、研究和建筑检测鉴定工作。

TU473.1+6

A

[定稿日期]2017-04-20