聶建國，郝志鵬，梁大偉，趙幸幸

(山西省建筑科學研究院集團有限公司,山西 太原 030001)

預應力高強混凝土樁作為一種主要的樁基礎形式,在太原軟土地區(qū)得到廣泛應用。通過獲得樁身軸力、側(cè)摩阻力及樁端阻力的分布特征,分析基樁承載力發(fā)揮機理,對基樁進行優(yōu)化設計,具有十分重要的意義。因此,如何采用一種切實有效的檢測手段檢測預應力高強混凝土樁的樁身內(nèi)力,獲得試樁的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力及樁端阻力為設計提供依據(jù),是一個亟待解決的技術問題。目前的常規(guī)檢測方法為采用振弦式鋼筋應力計進行測試,該方法基于應變模式下的點式傳感元件,其測試結(jié)果受局部樁身性質(zhì)及傳感元件布設密度和位置所控制,同時受安裝焊接質(zhì)量、埋設過程中不易保護等因素影響,測試結(jié)果誤差較大。而分布式光纖傳感技術以普通光纖為傳感和傳輸介質(zhì)[1],無需其他外置傳感器件,且光纖纖細柔韌,很易植入到構(gòu)件體內(nèi)或外表,并與檢測構(gòu)件變形協(xié)調(diào)一致[2],具有分布式測量、測試距離長、不易損壞且操作簡便等優(yōu)點,在成型工程構(gòu)件檢測中得到廣泛應用。我們將采用光纖光柵表面式GFRP樁基應變計利用分布式光纖傳感技術檢測預應力高強混凝土樁的樁身內(nèi)力。

1 布里淵光時域反射技術(BOTDR)的傳感原理

利用反射布里淵光進行傳感的BOTDR是一種最為常用的分布式光纖應變檢測技術,當光纖中注入脈沖激光會發(fā)生各種散射現(xiàn)象[3];其中布里淵散射光的中心頻率與光纖的應變狀態(tài)相關,該技術就是利用該原理進行傳感。當光纖沿軸向發(fā)生應變時,光纖中的背向布里淵散射光頻率的漂移量與光纖應變呈良好的線性關系。通過測量光纖中的背向布里淵散射光頻率的漂移量,就可獲得光纖的連續(xù)應變值,并通過測試反射光與脈沖光間的時間差可進行定位。該技術與傳統(tǒng)的應變片及鋼筋應力計等點式傳感技術相比。具有連續(xù)分布和長距離檢測等突出優(yōu)點,不會出現(xiàn)因傳感器布設不周而漏檢的情況,也不會因局部異常而影響到整體測試結(jié)果的情況。

2 預應力高強混凝土空心方樁光纖光柵表面式GFRP樁基應變計的植入工藝

2.1 樁身內(nèi)力測試方法對比

在樁身內(nèi)力測試中,目前普遍采用的方法是振弦式鋼筋計、電阻應變式傳感器、滑動測微計等,這些傳統(tǒng)方法存在以下問題:操作煩瑣(應力計需要事先焊接,引線引出量大;滑動測微計需要預埋套管,后期測試時需要不斷拉放)、低存活率(混凝土澆筑、振動攪拌、地下水腐蝕、引線斷裂)、數(shù)據(jù)漂移(氣溫變化、地下水等引起應變計漂移)、數(shù)據(jù)準確度不高(需要人工讀數(shù),無法做到實時監(jiān)控)。光纖光柵表面式GFRP樁基應變計采用光纖進行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)采集可以實現(xiàn)自動化,此種光纖具有五層保護(PE護套、芳綸、鋼絞線、鎧管彈性保護套等),可以大幅度降低樁基施工過程中對光纖光柵表面式GFRP樁基應變計傳輸功能的破壞。

2.2 光纖光柵表面式GFRP樁基應變計植入方法確定

如何快速的將光纖光柵表面式GFRP樁基應變計植入到預制樁中,并使之與樁體耦合變形是光纖光柵表面式GFRP樁基應變計檢測樁身內(nèi)力中非常重要的問題。國內(nèi)相關學者在這方面做了相當多的研究,光纖主要采用預先澆筑、表面粘貼和開槽埋入的三種方法植入到結(jié)構(gòu)構(gòu)件中。我們通過對比分析,認為采用開槽淺埋的植入方法適合。

根據(jù)布里淵光時域反射技術(BOTDR)的傳感原理,可以將光纖光柵表面式GFRP樁基應變計沿著樁身軸線方向淺埋入樁身[4],測得試樁身在豎向抗壓靜載荷作用下的樁身應變。

1)定線(見圖1):根據(jù)傳感光纖的受力特點,要確保所鋪設的傳感光纖與樁身受力方向一致,采用墨盒及墨線將鋪設線路在預制樁上標示出來,即定線方向要與預制樁的軸向方向一致。

2)開槽(見圖2):防止預制樁打入過程中樁土作用而破壞傳感光纖,鋪設路線確定之后,通過分析光纖光柵表面式GFRP樁基應變計的尺寸大小,決定采用無塵混凝土切割機沿著預制樁的表面切出一道約8 mm寬、8 mm深的凹槽,將光纖光柵表面式GFRP樁基應變計埋入其中,并能夠很好的與預制樁黏結(jié)。

3)清槽(見圖3):在開槽過程中產(chǎn)生大量的水泥灰塵影響后期“全面粘貼”時的黏結(jié)劑的作用,因此需要對凹槽進行有效的除塵和清洗。現(xiàn)場采用水槍沖洗凹槽和大功率吹風機清理凹槽的方式對比,發(fā)現(xiàn)采用水槍沖洗凹槽能將水泥灰塵清洗干凈,故最終選用水槍沖洗凹槽。

4)埋線(見圖4):沿著“凹槽”埋入傳感光纖后,并用黏結(jié)劑以“定點粘貼”的方式固定傳感光纖。

5)鋪設(見圖5):把光纖完全放置在凹槽內(nèi),使用黏結(jié)劑以“全面粘貼”方式將凹槽填滿。通過調(diào)研,黏結(jié)劑有石膏、細石混凝土、結(jié)構(gòu)膠、灌漿料和水不漏等,現(xiàn)場對幾種材料進行了實驗對比,發(fā)現(xiàn)石膏和結(jié)構(gòu)膠凝結(jié)快但強度不高、細石混凝土和灌漿料強度能達到要求但凝結(jié)較慢、水不漏強度高凝結(jié)快,故采用水不漏作為黏結(jié)劑能達到使用要求。

6)補鋪(見圖6):待全部鋪設完畢后,根據(jù)鋪設中是否存在光纖露出情況,并進行補鋪。

7)樁頭和樁連接處的保護:預制樁一般由多節(jié)樁組成,且施工過程很快,無法做到邊施工邊植入光纖,在以往工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于樁周土對接樁處和樁頭處的摩擦擠壓,導致樁頭處和接樁處的光纖受到破壞(以往工程中采用纖維布或玻璃絲進行保護(見圖7)),導致信號不通,無法完成樁身內(nèi)力測試,需將樁提升至接樁處重新連接光纖并做好保護工作,待信號通暢后,才可完成后續(xù)的樁身內(nèi)力測試工作。為避免這種情況,在樁身傳感光纖鋪設完畢后,通過在靠近接樁處的上下兩節(jié)樁身打引線孔,將上下兩根預制樁上的傳感光纖經(jīng)引線孔穿到樁內(nèi)(見圖8),在樁身內(nèi)部進行熔接,熔接完成后放入樁身內(nèi),這樣可以避免壓樁過程中對光纖接頭的擠壓以免預制樁搬運和打入過程中破壞傳感光纖,導致影響施工進度和檢測結(jié)果準確性。

8)通過采用高精度光纖光柵解調(diào)儀(ZX-FP-C04-100),進行樁身應變的讀取,讀取應變后采用公式σ=E×ε可以計算出應力,測得極限承載力狀態(tài)下樁身內(nèi)力。

3 工程應用

3.1 工程概況

太原某工程共布置試樁9根樁型為預應力高強混凝土空心方樁PHS-400-AB-250型,其中S2型3根,有效樁長為32.0 m,單樁豎向抗壓極限承載力預估為3 000 kN,加載至破壞。按照本文2所述植入方法對3根S2型試樁采用光纖光柵表面式GFRP樁基應變計進行了樁身內(nèi)力測試。

3.2 場地工程地質(zhì)條件

預應力高強度混凝土管樁各土層的狀態(tài)、層厚、樁極限側(cè)阻力、端阻力極限標準值見表1。

表1 土層的狀態(tài)、層厚、樁極限側(cè)阻力、端阻力極限標準值

3.3 樁身內(nèi)力測試

根據(jù)上述的布里淵光時域反射技術(BOTDR)的傳感原理和預應力高強混凝土空心方樁光纖光柵表面式GFRP樁基應變計的開槽淺埋植入工藝[5],采用單樁豎向抗壓靜載試驗,試驗依據(jù)JGJ 106—2014建筑基樁檢測技術規(guī)范,3根S2試樁均先按照預估最大荷載分10級進行加載,在加載至預估最大荷載時,未到達破壞狀態(tài),按照每級100 kN繼續(xù)加載,直至達到破壞狀態(tài),每級荷載沉降穩(wěn)定后進行光纖應變測試。靜載試驗結(jié)果Q-s曲線見圖9,樁身應變、樁身軸力、摩阻力見圖10—圖12。

3.4 檢測結(jié)果分析

通過本場地靜載試驗結(jié)果可知,由圖10—圖12可知,3根試樁樁身內(nèi)光纖的壓應變隨著荷載增加而穩(wěn)定加大,并且隨著入土深增大而逐漸減小,對稱測線的應變分布形態(tài)對稱;在上下樁接頭部位冗余光纖采用管件保護,應變受荷載影響較小。圖中樁身應變在20 m左右突變是由樁頂下20 m管填充C35微膨脹混凝土引起的。

由圖10—圖12表明,樁身荷載主要由樁身樁側(cè)摩阻力承擔,摩阻力大體呈單峰值,主要發(fā)生在10 m以下的土層④,⑤,⑥內(nèi),峰值出現(xiàn)深度為22.5 m附近,隨著荷載峰值位置有所下移。在破壞狀態(tài)時,樁端阻力隨著樁頂荷載的增加有所增大。

由圖10—圖12表明,樁身側(cè)摩阻力隨著荷載增大而增長,隨著入土深度增大而逐漸減小。極限承載力狀態(tài)下樁身內(nèi)力結(jié)果見表2。通過3根試樁極限破壞荷載下的樁周土層側(cè)阻力和樁端阻力的測試結(jié)果與巖土工程勘察報告數(shù)據(jù)進行對比(見表3),②～⑥土層的實測數(shù)據(jù)較巖土工程勘察報告所提樁周土層側(cè)阻力建議值提高7%～34%,⑦～⑧各土層的實測數(shù)據(jù)較建議值提高29%～53%。

表2 極限承載力狀態(tài)下樁身內(nèi)力結(jié)果

表3 樁周土層側(cè)阻力和樁端阻力的檢測結(jié)果與勘察報告數(shù)據(jù)對比

3.5 檢測結(jié)論

1)通過對樁身應變、樁身軸力、摩阻力分析,發(fā)現(xiàn)樁身側(cè)阻力及端阻的發(fā)揮的趨勢與理論分析結(jié)果一致,說明本次檢測數(shù)據(jù)是可靠的。2)通過檢測結(jié)果與地勘報告所提供的數(shù)據(jù)對比,樁周土層側(cè)阻力與樁端阻力均有一定程度提高(樁周土層側(cè)阻力提高了7%～53.0%),為設計參數(shù)的優(yōu)化提供可靠依據(jù)。3)靜載試驗結(jié)果表明:破壞狀態(tài)下單樁豎向抗壓極限承載力(3 000 kN～3 700 kN)雖均滿足預估單樁豎向抗壓極限承載力(3 000 kN),但場地不同位置地基土層側(cè)摩阻力不均勻,與本地區(qū)軟土地層的特性相符。設計單位根據(jù)測試結(jié)果對工程樁的設計樁長進行了優(yōu)化(原設計樁長為32.0 m的三樁承臺,優(yōu)化為39.0 m樁的兩樁承臺),共節(jié)約預制樁3 852.0 m,在保證強度和變形條件下,節(jié)約投資成本約百余萬元[6-8]。

4 結(jié)語

研究成果及實例分析表明:采用光纖光柵表面式GFRP樁基應變計檢測技術成功地應用于太原軟土地區(qū)預制樁的內(nèi)力檢測;通過改善清槽方式、選取合適的黏結(jié)劑、創(chuàng)新接頭處和樁頭處的保護方式,進一步完善和簡化了預制樁內(nèi)力的測試工作。

根據(jù)測試結(jié)果對比分析樁身內(nèi)力、樁周摩阻力及樁端阻力,更加全面地了解地層特性及預制樁承載特性,為設計參數(shù)的優(yōu)化提供可靠依據(jù),具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。光纖光柵表面式GFRP樁基應變計檢測技術,作為一種切實可行的檢測手段,可以在太原軟土地區(qū)后續(xù)的樁基檢測工程中應用和推廣[9]。