桩基静载过程中OFDR温度补偿试验研究_秦仕伟.pdf

第41卷 第4期2023年4月河 南 科 学HENAN SCIENCEVol.41 No.4Apr.2023收稿日期：2022-09-24基金项目：国家自然科学基金（52027812）；陕西省重点研发计划（2021SF-465）；中央高校基本科研业务费专项资金资助（B210202047，B210204020）作者简介：秦仕伟（1987-），男，工程师，硕士研究生，主要从事工程勘察与设计方面的研究通信作者：高磊（1984-），男，副教授，博士，主要从事工程地质和环境岩土方面的研究文章编号：1004-3918（2023）04-0547-05桩基静载过程中OFDR温度补偿试验研究秦仕伟1，高磊2，钱继奔2，韦兵兵2，徐中权2（1.信息产业部电子综合勘察研究院，西安710054；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京210024）摘要：桩基静载试验是一种准确、可靠的桩基承载力测试试验，通过静载试验中桩身变形的测试，有利于分析桩基变形和承载特性.在桩基静载试验过程中，采用光频域反射（OFDR）技术开展桩基变形测试，考虑到温度的影响，对OFDR技术测得应变结果进行了温度补偿.结果显示：在本次试验中，用于温度补偿的温度传感光纤应变值随着桩顶上部加载出现了较大的变化，其原因是光纤传感器与钢筋笼之间绑扎过于紧密.对比进行温度补偿和不进行温度补偿的桩身应变数据，发现不做温度补偿造成的影响不能忽略，因此应变传感光纤测试结果必须进行温度补偿.研究结果可为桩基变形高精度监测提供科学参考.关键词：桩基静载试验；桩身变形监测；光频域反射技术；温度补偿中图分类号：TU 441文献标识码：AExperimental Study on Temperature Compensation Based on OFDRTechnology in Static Load Test of Pile FoundationQIN Shiwei1，GAO Lei2，QIAN Jiben2，WEI Bingbing2，XU Zhongquan2（1.China Electronic Research Institute of Investigation and Design，Xi an 710054，China；2.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210024，China）Abstract：The static load test of pile foundation is an accurate and reliable test of bearing capacity of pilefoundation.The test of pile deformation in static load test is useful to analyze the deformation and bearingcharacteristics of pile foundation.In the process of pile foundation static load test，the optical frequency domain reflection（OFDR）technology is used to measure pile foundation deformation.Considering the influence of temperature，thestrain results measured by OFDR technology are temperature compensated.The results show that：in this test，thestrain value of temperature sensing optic fiber sensor used for temperature compensation has changed greatlywith the load on the top of the pile，which is due to the tight binding between the optic fiber sensor and thereinforcement cage.Comparing the pile strain data with and without temperature compensation，it is found that theimpact caused by without temperature compensation cannot be ignored，the strain sensing optic fiber test result mustbe temperature compensated.The results can provide scientific reference for high-precision monitoring of pilefoundation deformation.Key words：static load test of pile foundation；pile deformation monitoring；OFDR technology；temperaturecompensation第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月桩基静载试验通过在桩基上部施加竖向荷载，获得桩基竖向沉降、桩基轴力等信息，进而得出桩基的竖向承载力1-3.进行桩基静载试验时，对桩身变形进行测试有利于分析桩基变形和承载特性.目前，多使用钢筋轴力计对静载试验中的桩基变形进行测试，随着施工条件的复杂性和对工程质量的要求越来越高，传统的桩身变形监测方法已难以满足当前桩基变形测试的需要，亟需一种新型的测试技术.与传统测试方式相比，分布式纤传感技术具有集传感器与传输介质一体的特性，具有高精度监测、分布式测量、耐久性强、防水性能好等优点，可以对待测物体的应变与温度变化进行同时监测4-6.光频域反射技术（Optical Frequency Domain Reflectometer，OFDR）是一种基于光频域反射原理的新型光纤传感技术，OFDR技术具有高精度、高分辨率和高扫描速度的优点.OFDR技术最大空间分辨率为1 mm，应变分辨率为1，温度分辨率为0.1，能在100 m有效范围内对物体做到全分布式高精度监测7.刘泉声等应用OFDR技术对隧道围岩的水平向应变进行连续监测8.杨晓蔚等采用OFDR技术对不连续管道在加荷条件下的竖向错开变形进行室内模型试验研究9.OFDR技术在对待测物体的应变进行监测中，待测物体的温度变化会导致布设在其上的应变传感光纤受到应变和温度的共同影响，存在交叉敏感问题10，可以在应变传感光纤的相邻位置布设用于温度补偿的松弛温度传感光纤，利用温度传感光纤所测温度变化的等效应变数据，对待测物体的应变进行温度补偿11-13.但是在一些短期试验，如桩基静载试验中，通常情况不对应变传感光纤的监测结果进行温度补偿.朴春德等在灌注桩检测中发现地温场引起的桩身温度变化很小，且静载过程中温度补偿光纤的应变量相较于应变传感光纤的应变量值可以忽略不计，因此不进行温度补偿14；高磊等采用OFDR技术对灌注桩桩身变形进行高精度监测时，发现试验期间桩身温度变化仅在1 以内，属于正常温度波动，所以不用做温度补偿15.本文在桩基静载试验过程中，应用OFDR技术对桩身变形进行高精度监测时，发现用于温度补偿的温度传感光纤应变值随着桩顶上部加载出现了规律性的变化，分析了造成这种结果的原因，对比了进行温度补偿和不进行温度补偿的桩身应变信息.研究结果可为桩基变形高精度监测提供科学参考.1桩基光纤温度补偿原理OFDR技术的基本原理为利用波频率扫描技术，运用外差干涉方法，将周期性线性波长扫描的光源通过耦合器接入参考臂和信号臂，参考臂的本振光和信号臂的背向瑞利散射信号发生拍频干涉，将干涉信号通过快速傅里叶变换（FFT）得到距离域上光纤的背向瑞利散射信号信息.外界应变和温度的变化会引起待测光纤中瑞利散射光谱的移动，而瑞利散射光谱的移动量与待测光纤的变形和温度变化量成线性比例关系，因此通过测量瑞利散射的漂移量，可以得到待测光纤的轴向应变及温度变化.待测光纤发生应变和温度变化时，系统测量的瑞利散射漂移量如下式（1）16所示：v=v+vT，（1）式中：v为光谱总偏移量；v为应变变化导致光谱偏移；vT为温度变化导致光谱偏移，单位为GHz.应变导致光谱偏移量和温度导致光谱偏移量分别与应变和温度变化量的关系如下式（2）（3）16所示.仅由光纤温度变化产生的光纤温度应变可以通过温度-温度应变转换关系式（4）18获得.v=C+，（2）vT=CTT，（3）T=CTC+T.（4）式中：CT表示温度灵敏系数，GHz/；C为应变灵敏系数，GHz/；T为相对温度变化量，；为应变变化量，.本试验所用温度传感光纤温度灵敏系数CT=5.618 GHz/、应变灵敏系数C=0.152 GHz/.试验中可以在待测物体上分别埋入紧包的应变传感光纤和松弛的温度传感光纤，应变传感光纤测得应变同时受到待测物体应变和温度变化影响，温度传感光纤的应变数据仅受到温度变化的影响，根据由温度变化计算获得的温度应变，通过式（5）19在光纤原始应变中剔除温度对光纤应变产生的影响，进而算出待测-548引用格式：秦仕伟，高磊，钱继奔，等.桩基静载过程中OFDR温度补偿试验研究 J.河南科学，2023，41（4）：547-551.光纤的应变变化量.=0-T，（5）式中：为应变传感光纤的应变变化量；0是应变传感光纤原始应变；T是温度传感光纤受温度变化影响产生的应变.2桩基静载荷试验本试验依托陕西科技创新谷项目，该项目由3号科研楼及科研楼裙房、地下车库等构成.整个场地面积约62.420亩，总建筑面积约146 764.7 m2，其中地上建筑面积约103 966.5 m2.根据勘察报告，将试验场地内的地层按土的物理力学性质及时代成因划分为5层，分别为：杂填土，土层厚度：0.406.30 m；黄土状土，土层厚度：2.907.70 m；圆砾，土层厚度：2.209.40 m；中粗砂，土层厚度：0.408.20 m；粉质黏土，土层厚度：3.7014.60 m.本试验桩桩径为600 mm，桩长为28 m，桩上部19 m布设有钢筋笼，混凝土强度为C45，弹性模量为3.35104MPa，单桩竖向承载力极限值为5400 kN，桩端持力层为第五层粉质黏土层.在桩身钢筋笼上沿桩身轴向绑扎有应变传感光纤及温度传感光纤，应变传感光纤和温度传感光纤在钢筋笼底部形成“U”形回路，采用OFDR设备对桩身应变变化和温度变化进行了测试.图1为本试验装置示意图.3桩基静载荷试验结果分析3.1应变传感光纤测试结果本试验桩设计单桩竖向承载力极限值为5400 kN，采用堆载法进行桩基静载试验.加载荷载分为9级，分别为：1080、1620、2160、2700、3240、3780、4320、4860、5400 kN.选取加载荷载1620、2700、3780、5400 kN工况下的监测数据进行分析，桩身段光纤布设长度为18 m.本试验为单桩竖向静载试验，在桩身钢筋笼两侧布设应变传感光纤获得了桩身两侧的原始应变信号，采用10个窗口点数的百分位滤波器，设定百分位为50，消除桩身原始应变信号中的高频噪声信号.按下式（5）20计算桩身应变信号的算术平均值，可以获得桩身的应变原始数据.0=1+22，（6）式中：1和2分别为应变传感光纤在桩身两侧相同桩长处的应变信号，应变正负号规定为压应变为负，拉应变为正.计算得到的桩身应变原始分布曲线如图2所示.3.2温度传感光纤测试结果图3为温度传感光纤沿桩长的应变分布曲线.温度传感光纤所测得的温度变化量是通过获得外界温度变化引起的等效应变值后利用光纤应变和温度灵敏系数换算成的光纤温度变化量.通常情况，由于温度传感光纤为松弛布设，在小应变的条件下，待测物体的变形对温度传感光纤的温度数据没有影响.但是从本试验温度传感光纤沿桩长的应变分布曲线可以看出，温度传感光纤的应变随着桩顶荷载的增图1试验装置示意图Fig.1Schematic diagram of the test device图2桩身应变原始分布曲线Fig.2Strain origin distribution curves of the pile堆载地面温度传感光纤应变传感光纤OFDR数据采集仪钢筋笼桩底光纤“U”形回路应变/-20002004006008001000 1200024681012141618桩长/m加载0 kN加载1620 kN加载2700 kN加载3780 kN加载5400 kN-549第41卷 第4期河 南 科 学2023年4月大出现了规律性增大.上述试验现象表明：桩基静载试验中，当上部荷载逐渐增加，桩身发生了轴向的压缩，且压缩量随着荷载的增加逐渐增大.绑扎在桩身钢筋笼上的温度传感光纤受到了来自桩身受压变形的影响，出现了规律性的应变值变化，分析原因是温度传感光纤绑扎过紧，温度传感光纤无法完全隔离应变的影响，当桩身发生受压变形时，绑扎点带动温度传感光纤变形.从图3中可以看出，温度传感光纤在13.5 m的位置，应变最大值达到77，而图2中应变传感光纤相同位置，应变值为277，温度传感光纤所测的结果达到了应变所测结果的27.8%，由于温度传感光纤和应变传感光纤绑扎在同一位置，这种情况下，必须进行温度补偿.3.3温度补偿结果分析图4为桩身应变分布曲线，对比了做温度补偿和不做温度补偿获得的桩身应变.桩身应变呈现桩头处大，桩底处小的趋势.在加载期间，不做温度补偿的桩身应变大于做温度补偿的桩身应变，因为加载时温度图4桩身应变分布曲线Fig.4Strain distribution curves of the pile（a）做温度补偿（b）不做温度补偿应变/-20002004006008001000 1200024681012141618桩长/m加载0 kN（做温补）加载1620 kN（做温补）加载2700 kN（做温补）加载3780 kN（做温补）加载5400 kN（做温补）应变/-20002004006008001000 1200024681012141618桩长/m加载0 kN（不做温补）加载1620 kN（不做温补）加载2700 kN（不做温补）加载3780 kN（不做温补）加载5400 kN（不做温补）图3温度传感光纤应变分布曲线Fig.3Strain distribution curves of the temperature optic fiber sensor应变/-100-80-60-40-20020406080100024681012141618桩长/m加载0 kN加载1620 kN加载2700 kN加载3780 kN加载5400 kN-550传感和应变传感光纤由于绑扎过紧发生受压变形.因此，当温度传感光纤受到绑扎影响，应变值出现随桩体上部加载的规律性变化时，需要将应变传感光纤的应变值减去温度传感光纤的应变值，同时消除绑扎过紧及温度变化的影响.4结论本文开展了桩基静载试验光纤测温温度补偿试验，通过对静载试验桩身变形和温度进行高精度监测，得出以下结论：1）本试验中温度传感光纤的应变值随着加载荷载增大而增大，需要考虑温度补偿，分析原因是温度传感光纤绑扎过紧，桩身的变形带动了温度传感光纤的变形.2）对比做温度补偿和不做温度补偿得到的桩身应变，不做温度补偿的桩身应变值偏大，对于桩基的轴力计算有显著影响.因此，需要将应变传感光纤的应变值减去温度传感光纤的应变值，同时消除绑扎过紧及温度变化的影响，获取由上部荷载所引起的桩身应变信息.参考文献：1 卢铖昀.锚桩反力法静载试验在桩基检测中的应用 J.铁道工程学报，2021，38（3）：13-17.2 朱世峰，周志祥.一种基桩静载试验位移测量仪研制与应用 J.岩石力学与工程学报，2018，37（S1）：3729-3737.3 ZHU Y P，BAO Z X，MA T Z，et al.Testing and analysis of bearing capacity on pile foundation J.Advances in Civil and StructureEngineering，2014，501-504（1）：234-237.4 朱鸿鹄，施斌，严珺凡，等.基于分布式光纤应变感测的边坡模型试验研究 J.岩石力学与工程学报，2013，32（4）：821-828.5 张诚成，施斌，朱鸿鹄，等.地面沉降分布式光纤监测土-缆耦合性分析 J.岩土工程学报，2019，41（9）：1670-1678.6 SHANG Y，WANG C.Review of distributed optical fiber sensing technology J.Journal of Applied Sciences，2021，39（5）：843-857.7 施斌，张丹，朱鸿鹄.地质与岩土工程分布式光纤监测技术 M.北京：科学出版社，2019.8 刘泉声，王俊涛，肖龙鸽，等.OFDR光纤传感技术在十字岩柱暗挖法物理模型试验中的应用 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