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
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
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,
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
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
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. 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
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. FBG传感器标定结果
Table 1. Calibration result of FBG sensor
|
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. 模型管桩参数
Table 2. Parameter of model pipe pile
|
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
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. 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
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
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
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
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
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
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e与e+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. 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
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。
[1] 张明义. 静力压入桩的研究与应用[M]. 北京: 中国建材工业出版社, 2004.
Zhang MY. Research and application on jacked piles[M]. Beijing: China Building Material Industry Press, 2004.
[2] Murthy D S, Robinson R G, Rajagopal K. Formation of soil plug in open-ended pipe piles in sandy soils[J]. International Journal of Geotechnical Engineering, 2018: 1-11.
[3] 吴君涛, 王奎华, 刘鑫, 等. 考虑桩身三维效应下的大直径薄壁管桩-桩端土塞耦合振动模型及其解析解[J]. 岩石力学与工程学报, 2019, 38(5): 1064-1072.
Wu J T, Wang K H, Liu X, et al. A coupled dynamic model of large diameter thin-wall pipe pile and soil plug considering pile three-dimensional effect and its analytical solution[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2019, 38(5): 1064-1072.
[4] 周健, 陈小亮, 王冠英, 等. 开口管桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2012, 40(2): 173-178.
Zhou J, Chen X L, Wang G Y, et al. Experimental and numerical analysis of openended pipe piles during jacking into sand[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2012, 40(2): 173-178.
[5] Lehane B M, Gavin K G. Base resistance of jacked pipe piles in sand[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(6): 473-480.
[6] 张建新, 吴东云. 桩端阻力与桩侧阻力相互作用研究[J]. 岩土力学, 2008, 29(2): 541-544.
Zhang J X, Wu D Y. Research on interaction between resistance at pile and lateral resistance of pile[J]. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(2): 541-544.
[7] 李雨浓, 李镜培, 赵仲芳, 等. 层状地基静压桩贯入过程机理试验[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2010, 40(6): 1409-1414.
Li Y N, Li J P, Zhao Z F, et al. Model test research on penetration process of jacked pile in layered soil[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2010, 40(6): 1409-1414.
[8] 谢凯, 张洪英, 赵衍双, 等. 导线舞动条件下输电系统结构健康监测的光纤研究[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(7): 070606.
[9] 田石柱, 温科, 王大鹏. 基于长标距FBG传感器宏应变技术的损伤识别研究[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(1): 010604.
[10] 李朋, 王来, 郭海燕, 等. 基于FBG传感技术的深海立管涡激振动测试研究[J]. 振动、测试与诊断, 2016, 36(4): 756-763.
Li P, Wang L, Guo H Y, et al. Testing of vortex-induced vibrations of deep-sea risers based on FBG sensing technology[J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis, 2016, 36(4): 756-763.
[11] 李朋, 王来, 郭海燕, 等. 基于FBG传感技术的立管涡激振动过程分析[J]. 振动、测试与诊断, 2017, 37(2): 240-248.
Li P, Wang L, Guo H Y, et al. Analysis on process of vortex-induced vibration of risers based on FBG sensing technology[J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis, 2017, 37(2): 240-248.
[12] 贾子光, 任亮, 李宏男, 等. 应用光纤光栅传感器监测复合材料固化过程[J]. 中国激光, 2010, 37(5): 1298-1303.
[13] Murukeshan V M, Chan P Y, Ong L S, et al. Cure monitoring of smart composites using fiber Bragg grating based embedded sensors[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2000, 79(2): 153-161.
[14] 任亮, 夏梦颖, 姜涛, 等. 基于环向应变的燃气管道泄漏监测试验[J]. 振动、测试与诊断, 2015, 35(5): 820-825.
Ren L, Xia M Y, Jiang T, et al. Leakage detection of gas pipeline based on hoop strain monitoring[J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis, 2015, 35(5): 820-825.
[15] 杨牧, 刘秀红, 刘伟, 等. 光纤光栅传感网络在油气出地管内腐蚀监测的应用研究[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(2): 020604.
[16] 孙诗惠, 余有龙, 李慧, 等. 基于光纤光栅的应力波检测技术研究[J]. 中国激光, 2016, 43(5): 0505002.
[17] 范典, 陈矫, 王剑, 等. 纵向风条件下隧道火灾着火点定位误差修正[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(14): 141201.
[18] 竺绩, Later Khalil. 张建中, 等. 基于光纤光栅的液-固相变监测[J]. 激光与光电子学进展, 2012, 49(1): 010601.
[19] 娄辛灿, 郝凤欢, 刘鹏飞, 等. 一种光纤光栅阵列波长解调系统[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(3): 030604.
[20] 中华人民共和国水利部. 土工试验方法标准: GBT50123-1999[S]. 北京: 中国计划出版社, 1999.
Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. Standard for soil test method: GBT50123-1999[S]. Beijing: China Planning Press, 1999.
Article Outline
马加骁, 王永洪, 张明义, 白晓宇, 刘雪颖. 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[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(13): 130602. Jiaxiao Ma, Yonghong Wang, Mingyi Zhang, Xiaoyu Bai, Xueying Liu. Experimental Study on Penetration Characteristics of Open Pipe Pile Based on Fiber Bragg Grating Sensing Technology[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(13): 130602.