激光与光电子学进展, 2020, 57 (13): 130602, 网络出版: 2020-07-09   

基于光纤布拉格光栅传感技术的开口管桩贯入特性实验研究 下载: 870次

Experimental Study on Penetration Characteristics of Open Pipe Pile Based on Fiber Bragg Grating Sensing Technology
作者单位
1 青岛理工大学土木工程学院, 山东 青岛 266033
2 山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心, 山东 青岛 266033
摘要
为探索光纤布拉格光栅(FBG)传感技术在开口管桩贯入特性实验研究中的适用性,用一种增敏微型FBG应变传感器,对室内模型中开口管桩在沉桩过程中的受力状态进行了监测。研制了一种可拆卸的双壁开口模型管桩,将FBG传感器通过刻槽埋设和桩壁粘贴法安装在模型管桩上,测得模型管桩在贯入过程中的应力分布及变化规律。实验结果表明,该传感器配合特制的模型管桩,能满足开口管桩贯入特性的测试要求,且安装方便、存活率高。随模型管桩贯入深度的增加,开口管桩呈摩擦端承桩的承载特性,桩身内壁、外壁监测点处的轴力均增大,但各点增长速率存在差异;桩内壁、外壁侧摩阻力整体呈增大趋势,单位侧摩阻力出现不同程度的“退化效应”。
Abstract
In order to explore the applicability of fiber Bragg grating (FBG) sensing technology in the experimental study of the penetration characteristics of open pipe pile, a sensitized miniature FBG strain sensor is used to monitor the stress state of the open pipe pile during the pile sinking process in the indoor model test. A detachable double-walled open model pipe pile is made, the FBG sensors are mounted on the model pipe pile by grooving and gluing the pile wall. The stress distribution and variation law of the model pipe pile during penetration are measured. The results indicate that the sensors with the special model pipe pile can better meet the requirements for testing the penetration characteristics of the open pipe pile. The sensors are easy to install and have a high survival rate. With the increase of the penetration depth of the model pipe pile, the bearing characteristic is similar to the friction end-bearing piles, and the axial forces of the inner and outer walls of the pile increase, but the growth rate of each point is different. The lateral frictional resistance of the inner and outer wall of the pile increases as a whole, and the unit side frictional resistance shows different degrees of “degradation effect”.

1 引言

开口管桩是桩尖形式为开敞型的管桩,因具有承载力高、施工速度快、挤土效应小、经济效益高等优点,被广泛应用于工民建、道桥、市政、港口等工程领域中[1-2]。但开口管桩在沉桩过程中受土塞效应和挤土效应的双重影响,其贯入特性与闭口管桩存在的差异较大,易出现各种质量问题,影响工程进度和桩基承载力,因此对开口管桩的贯入特性进行深入研究有重要意义[3-4]

开口管桩的贯入特性受其自身结构特性及多种外界因素的共同影响,室内模型能严格控制主要实验参数及变量,是探究开口管桩贯入机理和指导管桩设计的有效方法。在开口管桩的室内贯入模型实验中,监测技术的选取和模型管桩的设计是影响模型实验结果的两个关键因素。目前,对开口管桩贯入特性的监测中,电阻应变式等传统传感器应用较多,但应变片等传统传感器的耐久性、准确性及监测范围有限,且在沉桩过程中易被损坏,难以对开口管桩的贯入特性进行动态和全面的监测[5-7]。光纤光栅传感器监测作为一种新兴的监测技术在结构工程[8-9]、海洋工程[10-11]、材料生产[12-13]、管道安全[14-15]等领域有广泛的应用[16-17],发展十分迅速。其具有传感器体积小、易安装、精度高和抗干扰能力强等多种优点,当监测点的温度变化不大时可排除温度的影响,与传统传感器相比有明显优势[18-19]。但由于裸光纤光栅易损坏,断裂后会影响监测效率、提高监测成本,因此需要探究可行的传感器保护及安装方法,确保传感器在开口管桩贯入实验过程中的存活率。

基于以上研究,本文研制了可拆卸双壁开口模型管桩,将封装后的增敏微型FBG应变传感器安装在模型管桩的内外壁上,并验证了安装方法的可靠性。研究了增敏微型FBG应变传感器对开口模型管桩贯入特性监测的可行性与适用性,测量得到开口模型管桩在贯入过程中所受的桩端阻力、内壁和外壁的摩阻力、轴力及单位侧摩阻力随深度的变化规律,为开口管桩的模型实验及桩基础设计提供了重要的参考和依据。

2 FBG传感器

2.1 FBG基本原理

FBG是通过改变光纤中的掺杂水平,制成的一种纤芯折射率呈周期性变化的光栅。当宽带光源通过光纤注入光栅时,满足一定波长条件的光被反射形成反射光,其余的光继续穿过光栅成为透射光。作用于FBG传感器上的相关物理量改变时会扰动传感器,其折射率neff、光栅栅距Λ发生变化时会引起FBG反射光中心波长λB发生漂移。反射光通过光环行器和光耦合器分为两束等强光,分别作为参考光I1和监测光I2经光探测器传入计算机,FBG原理如图1所示。光栅信号解调原理如图2所示,其中Ii为入射光谱,Ir为反射光谱,It为透射光谱。λBneffΛ满足

λB=2neffΛ(1)

中心波长λB的漂移量受温度和应变的双重影响,假定温度和应变对中心波长的影响相互独立,且不考虑λB的变化对传感器应变灵敏度系数Kε和温度灵敏度系数KT产生的影响时,

ΔλB=λBKεΔε+λBKTΔT,(2)

式中,ΔλB为中心波长的漂移量,ΔT为温度的变化量,Δε为监测点的应变量。

当温度变化较小时,可忽略温度变化对中心波长漂移的影响,只需考虑应变影响

ΔλB=λBKεΔε(3)

图 1. FBG原理示意图

Fig. 1. Schematic diagram of FBG

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图 2. 光栅信号解调示意图

Fig. 2. Schematic diagram of grating signal demodulation

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2.2 FBG传感器及标定

由于裸FBG的纤芯较细,在安装和实验过程中易损坏,为提高其存活率,需对裸FBG进行封装。增敏微型FBG应变传感器由不锈钢夹持套管、涂覆封装材料和尾纤构成,为避免封装对中心波长的漂移产生额外干扰,影响监测精度,涂覆和封装材料分别选用弹性模量低、抗干扰能力强的聚酰胺和纤维增强复合材料。封装后的传感器如图3所示。

图 3. 增敏微型FBG应变传感器

Fig. 3. Sensitized miniature FBG strain sensor

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封装后FBG传感器的应变灵敏度系数会发生改变,因此要对传感器的应变灵敏度系数进行标定后再用于监测。标定实验通过MTS公司生产的CMT5305材料万能试验机和标定板进行,将FBG传感器与裸FBG平行于受力方向粘贴固定于标定板上,用万能试验机对标定板逐级施加拉荷载,记录FBG传感器和裸光纤光栅波长的漂移量,部分FBG传感器与裸光纤光栅在不同荷载下的中心波长变化拟合曲线如图4所示,其中,x为裸FBG波长,y为FBG传感器波长, R2为线性度。

图 4. FBG传感器波长的标定拟合曲线。(a)传感器1;(b)传感器2

Fig. 4. Calibration fitting curves of FBG sensor wavelength. (a) Sensor 1; (b) sensor 2

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由标定结果可知,FBG传感器与裸光纤光栅的波长变化呈良好的线性关系,且两者的线性度均大于0.999。裸光纤光栅的灵敏度系数为1.2 pm/με,1号、2号传感器的应变灵敏度系数分别为2.50 pm/με、2.52 pm/με,封装后的FBG传感器应变灵敏度系数有较大提高。其余FBG传感器的标定结果如表1所示。

表 1. FBG传感器标定结果

Table 1. Calibration result of FBG sensor

SensornumberCenterwavelength /nmSensitivitycoefficient / (pm·με-1)
31572.0242.44
41524.9442.88
51529.8782.70
61524.5482.92
71540.0702.79
81529.9882.74
91580.0863.06
101585.1132.86
111544.5212.88
121535.0332.87

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3 模型实验

3.1 模型管桩设计

针对现有单壁开口模型管桩不能分离桩内壁、外壁的侧摩阻力,不能对开口管桩贯入过程中桩内壁、外壁的受力情况进行独立分析的缺点,研制了铝质可拆卸双壁开口模型管桩。模型管桩桩身由两个直径不同的铝质薄壁圆管组成,外管顶端的桩帽用6个内六角螺栓与内管顶端连接,底端与L型环形底座通过螺栓连接,外管的上下端留有穿线孔;内管顶端通过螺栓与外管紧密连接,底端与底座不直接接触,避免桩端阻力影响内壁的应力监测,内管与底座间的微小空隙用密封胶填充。开口模型管桩参数如表2所示,实物如图5所示。

表 2. 模型管桩参数

Table 2. Parameter of model pipe pile

MaterialLength /mmOutsidediameter /mmInsidediameter /mmThickness /mmElasticmodulus /GPaPoisson's ratio
Aluminum1000140803720.3

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图 5. 铝质可拆卸双壁开口模型管桩。(a)模型 管桩内外管;(b)模型管桩桩端

Fig. 5. Aluminum detachable double-wall open model pipe pile. (a) Inner and outer tube of the model pipe pile; (b) pile tip of the model pipe pile

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3.2 传感器布设及数据采集

在模型管桩的内壁、外壁均安装增敏微型FBG应变传感器,为提高传感器的存活率,结合可拆卸双壁开口模型管桩的结构特点,内外壁传感器采用不同的安装方法。外壁上采用刻槽法安装,在桩身表面刻有深2 mm、宽2 mm的浅槽,将1~6号传感器经预拉伸后用704胶固定在槽底的设计位置,然后用环氧树脂封装保护。利用内壁可拆卸的特点,用704胶将7~12号传感器粘贴在内管的外壁上,涂覆环氧树脂保护后组装模型管桩。内壁上的传感器安装在内外管的夹层中,有效提高了传感器的存活率。实验在室内进行,温度变化不大,因此只考虑应变对中心波长漂移的影响,不再进行温度补偿。开口模型管桩结构及传感器的安装位置如图6所示,图中A-A profile为A-A截面的剖面图。

图 6. 开口模型管桩结构及传感器的安装位置示意图

Fig. 6. Schematic diagram of open model pipe pile structure and sensor position

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实验用土取自工程现场,重塑后根据规范[20]使用击实法填入模型箱后静置30天。压桩前在实验土体表面均匀堆载200 kg的混凝土试块,模拟上覆土重,将模型管桩与实验土中心位置对位后用液压千斤顶压桩入土,压桩力由千斤顶下端的压力传感器采集,采样频率为每厘米1次。增敏微型FBG应变传感器的数据由MOI公司FS2200RM型光纤光栅解调仪采集,采样频率为每秒2次,精度为±2.0 pm,波长量程为1500~1600 nm。

4 实验结果分析

4.1 沉桩阻力分析

模型管桩贯入过程中,所受桩端阻力、内壁和外壁侧摩阻力、总侧摩阻力以及压桩力随贯入深度的变化曲线如图7所示。可以发现,所用FBG应变传感器能对模型管桩贯入过程中的桩端阻力、内壁侧摩阻力、外壁侧摩阻力的变化情况进行动态监测,且压桩力为内壁侧摩阻力、外壁侧摩阻力和桩端阻力之和,这表明监测结果具有可靠性。桩端阻力、总侧摩阻力、外壁侧摩阻力、内壁侧摩阻力占压桩力的百分比随深度的变化曲线如图8所示。可以发现,在模型管桩贯入初期,内壁侧摩阻力和外壁侧摩阻力较小,压桩力主要由桩端阻力承担;随贯入深度的增加,桩端阻力、内外壁侧摩阻力均逐渐增大;模型管桩贯入至40 cm后各阻力占比基本保持稳定,在整个贯入过程中桩端阻力承担主要的竖向荷载,开口管桩的承载特性为摩擦端承桩。与Lehane等[5]、李雨浓等[7]采用应变片测得开口管桩在贯入过程中沉桩阻力的变化规律有较好的一致性,这表明FBG传感器对开口管桩的监测具有可行性,且测得数据的精度较高,曲线的连续性较好。

图 7. 模型管桩沉桩阻力变化曲线

Fig. 7. Variation curve of model pipe pile sinking resistance

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图 8. 模型管桩沉桩阻力占比曲线

Fig. 8. Proportion curve of model pipe pile sinking resistance

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4.2 桩身轴力分析

通过光纤光栅解调仪测得FBG的波长变化量ΔλB,推算出监测点应变值Δε,则该位置的轴力为

Ni=EAΔε,(4)

式中,Ni为第i个FBG传感器位置的桩身轴力(kN),E为桩身弹性模量(MPa),A为桩身横截面面积(mm2),Δε为桩身应变变化。模型管桩内壁、外壁的轴力分布曲线如图9所示。

由实验结果可知,安装在内外壁上的增敏微型FBG应变传感器全部存活,这表明所用的两种传感器安装方法具有可行性,且传感器能分别监测内壁、外壁监测点的轴力。在同一贯入深度下,内壁、外壁的轴力均随贯入深度的增加而减少,且减少速度不断提高;随模型管桩的逐渐贯入,桩身内壁、外壁的轴力分别受土塞作用和外壁侧摩阻力的影响呈不断增长的趋势,且整个贯入过程中外壁轴力明显大于内壁轴力。模型管桩在贯入过程中内壁、外壁的轴力变化规律,与Lehane等[5]采用应变片测得开口管桩的轴力变化曲线有较好的一致性。

图 9. 模型管桩内、外壁轴力变化曲线。(a)内壁;(b)外壁

Fig. 9. Variation curve of the axial force on inner and outer walls of model pipe pile. (a) Inner wall; (b) outer wall

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4.3 单位侧摩阻力分析

模型管桩内壁、外壁的单位侧摩阻力可表示为

qe=Qeule=Ne-Ne+1πDle,(5)

式中,qe为第e个截面的单位侧摩阻力(kPa),Qe为第e截面的侧摩阻力(kN),u为桩内壁或外壁的周长(m),le为第ee+1截面之间的距离(m),D为桩内壁或外壁的直径(m)。

模型管桩内壁和外壁的单位侧摩阻力随贯入深度的变化曲线如图10所示,可以发现,在不同贯入深度下,内壁和外壁的单位侧摩阻力整体变化趋势相似,均随贯入深度的增加而增大,沿桩身呈上小下大分布;由同一深度处的单位侧摩阻力分布情况可知,随模型管桩贯入深度的增加,该深度处的单位侧摩阻力反而减小,内壁、外壁的侧摩阻力均出现“退化效应”。

图 10. 模型管桩内、外壁单位侧摩阻力变化曲线。(a)内壁;(b)外壁

Fig. 10. Variation curve of the unit side friction resistance on inner and outer walls of model pipe pile. (a) Inner wall; (b) outer wall

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5 结论

裸光纤光栅经封装后,能提高其应变灵敏系数,实现增敏效果。将增敏微型FBG应变传感器安装在可拆卸双壁开口模型管桩上,监测开口管桩在室内沉桩模型实验中的应变情况。实验结果表明,增敏微型FBG应变传感器可对监测点的应变进行动态、精准监测,得到开口管桩在贯入过程中内壁和外壁的轴力、侧摩阻力、单位侧摩阻力及桩端阻力的分布及变化规律,可用于监测开口管桩的贯入特性。特制的模型管桩及传感器安装方法,能显著提高传感器的成活率,促进光纤光栅传感技术在桩基础领域的应用,对进一步研究开口管桩的贯入及承载特性、优化桩基础的设计具有现实意义。

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