朱友群，朱鴻鵠，孫義杰，施 斌

（1.南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210093；2.無(wú)錫山水城規(guī)劃建設(shè)局，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 引言

管樁是一種地基處理方法及樁基礎(chǔ)形式，具有施工工期短、施工方便、工業(yè)化生產(chǎn)、對(duì)施工場(chǎng)地?zé)o污染、經(jīng)濟(jì)效益可觀及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是，管樁在施工過(guò)程中常出現(xiàn)樁頭破碎、樁身爆裂、樁身難以貫入等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了管樁的推廣和使用，如田集電廠管樁，在前期煙囪基樁施打過(guò)程中先打入的58 根樁中，13 根樁在樁身入土至20～24 m 深度左右時(shí)距樁尖4～6 m 處樁身發(fā)生破壞[1]；福州地區(qū)某5×104t 級(jí)碼頭工程選用φ 1 200 mm 大直徑PHC 管樁，沉樁后部分管樁管壁出現(xiàn)豎向裂縫等[2]，因此，管樁樁基打入過(guò)程的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[3-5]。

傳統(tǒng)的管樁打入過(guò)程監(jiān)測(cè)方法有大應(yīng)變法和電阻應(yīng)變片法。大應(yīng)變法對(duì)監(jiān)測(cè)環(huán)境、傳感器安裝、樁頂狀況、錘擊高度、錘重等有比較高的要求，現(xiàn)場(chǎng)情況難以滿足，其測(cè)量曲線和實(shí)際情況誤差較大，有些地區(qū)質(zhì)監(jiān)站已經(jīng)不認(rèn)可該項(xiàng)檢測(cè)。電阻應(yīng)變片由于其長(zhǎng)期穩(wěn)定性差、成活率低、施工復(fù)雜、點(diǎn)式等缺點(diǎn)，不能很好地滿足管樁擊入過(guò)程的監(jiān)測(cè)需要。

分布式光纖傳感技術(shù)是近年來(lái)各國(guó)競(jìng)相研發(fā)的新一代檢測(cè)技術(shù)，其分布式、長(zhǎng)距離、耐久、抗干擾、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到工程檢測(cè)與監(jiān)測(cè)部門的青睞，發(fā)展十分迅速[6-13]。全分布式布里淵散射光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR）[14-16]、布里淵散射光時(shí)域分析技術(shù)（BOTDA）[17-18]和準(zhǔn)分布式布拉格光纖光柵技術(shù)（FBG）[19]相繼被引入到樁基的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中，取得了良好的實(shí)施效果。

本文聯(lián)合兩類光纖檢測(cè)技術(shù)即BOTDA 技術(shù)和FBG 技術(shù)對(duì)鋼管樁擊入過(guò)程進(jìn)行模型試驗(yàn)和監(jiān)測(cè)，采用奇異值檢驗(yàn)，濾波，回歸分析等數(shù)據(jù)處理方法，獲得了擊入過(guò)程中管樁模型的應(yīng)變數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)管樁擊入過(guò)程的樁土相互作用進(jìn)行了分析，對(duì)管樁的質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估診斷，為管樁施工積累經(jīng)驗(yàn)。

2 測(cè)量原理

2.1 FBG 原理

光纖布拉格光柵（FBG）是指利用摻雜諸如鍺、磷等光纖的光敏性，通過(guò)某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，如圖1 所示，圖中，纖芯的明暗變化代表了折射率的周期變化[13]。

圖1 FBG 準(zhǔn)分布式測(cè)量原理圖Fig.1 Measurement principle of quasi-distributed FBG

光纖光柵的波長(zhǎng)變化率與光柵所在位置的軸向應(yīng)變與溫度變化量有良好的線性關(guān)系公式為

式中：Δλ/ λB為光纖光柵波長(zhǎng)變化率；η為應(yīng)變系數(shù)；γ為溫度系數(shù)；ε為光纖軸向應(yīng)變；(T-T0)為溫度變化量。

FBG 傳感器利用波分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行串聯(lián)，可實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的準(zhǔn)分布式測(cè)量，與其他光纖傳感器相比，具有極高的檢測(cè)精度（可達(dá)到1 με）和動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)性。

2.2 BOTDA 原理

光纖內(nèi)的布里淵散射現(xiàn)象同時(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，當(dāng)光纖沿線的溫度發(fā)生變化或者存在軸向應(yīng)變時(shí)，光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變和溫度的變化呈良好的線性關(guān)系[14]：

式中：?vB（ε）/?ε、?vB（T）/?T 分別為布里淵頻移-應(yīng)變系數(shù)和布里淵頻移-溫度系數(shù)。

布里淵散射分自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射。入射光受折射率光柵衍射作用而發(fā)生背向散射，同時(shí)使布里淵散射光發(fā)生多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生布里淵頻移，稱為自發(fā)布里淵散射。通過(guò)向光纖兩端分別注入反向傳播的脈沖光（泵浦光）和連續(xù)光（探測(cè)光），當(dāng)泵浦光與探測(cè)光的頻差處于光纖相遇區(qū)域中的布里淵增益帶寬內(nèi)時(shí)，由電致伸縮效應(yīng)而激發(fā)聲波，產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，從而使布里淵散射得到增強(qiáng)，稱為受激布里淵散射。

利用自發(fā)布里淵散射技術(shù)研發(fā)了布里淵光時(shí)域反射計(jì)（brillouin optical time domain reflectometer，簡(jiǎn)稱BOTDR）；利用受激布里淵散射原理研發(fā)了布里淵光時(shí)域分析（brillouin optical time domain analysis，簡(jiǎn)稱BOTDA）技術(shù)，其測(cè)量原理見圖2[14]。無(wú)論是自發(fā)布里淵散射還是受激布里淵散射，其信號(hào)相當(dāng)微弱，檢測(cè)比較困難。其高端解調(diào)技術(shù)目前都掌握在少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家，解調(diào)儀都比較昂貴。BOTDA技術(shù)與BOTDR 相比，光纖需形成回路，但其空間分辨率和精度大幅度的提高。目前基于BOTDA 技術(shù)的商業(yè)化解調(diào)儀可以實(shí)現(xiàn)5 cm 的空間分辨率和7 με的應(yīng)變測(cè)試精度。

圖2 BOTDA 全分布式測(cè)量原理圖Fig.2 Measurement principle of distributed BOTDA

2.3 FBG 與BOTDA 技術(shù)對(duì)比

本文采用FBG和BOTDA 技術(shù)監(jiān)測(cè)管樁擊入過(guò)程，聯(lián)合了兩種傳感器的優(yōu)點(diǎn)。在重點(diǎn)部位布設(shè)FBG 傳感器可以精確獲取該點(diǎn)動(dòng)靜態(tài)過(guò)程中的應(yīng)變數(shù)據(jù)；采用BOTDA 技術(shù)可以得到沿樁身應(yīng)變分布規(guī)律和總趨勢(shì)。表1為FBG 與BOTDA 技術(shù)參數(shù)對(duì)比。

表1 FBG 與BOTDA 監(jiān)測(cè)技術(shù)參數(shù)對(duì)比Table 1 Contrast of FBG and BOTDA monitoring technology parameters

3 數(shù)據(jù)處理

利用儀器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，由于信號(hào)特點(diǎn)、檢測(cè)儀器系統(tǒng)中電子儀器的原因、外界環(huán)境干擾或超出某些參數(shù)設(shè)置范圍等情況，監(jiān)測(cè)信號(hào)中不可避免地存在奇異值和噪聲。奇異值的存在擾亂了正常的數(shù)據(jù)規(guī)律，影響正常規(guī)律的判斷，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)中應(yīng)予以剔除。噪聲的存在影響系統(tǒng)分辨率，降低了監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比，在數(shù)據(jù)處理時(shí)應(yīng)同樣予以消除。

3.1 奇異值檢驗(yàn)

對(duì)于分布式光纖解調(diào)儀沿光纖方向所得應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)序列{ε1,ε2,ε3,…,εN}，采用一級(jí)差分方程進(jìn)行預(yù)測(cè)，其表達(dá)式為

實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之差為

設(shè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的誤差為μ（μ 的數(shù)值可根據(jù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料分析得到，也可取經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)），那么由式（3）和式（4）可計(jì)算出實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之差Δεj的均方差σ=2μ。由實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之差的絕對(duì)值時(shí)，則認(rèn)為εj是奇異值，予以舍棄。

3.2 濾波器設(shè)計(jì)

線性濾波器的一般模型表達(dá)式為

假設(shè)輸入信號(hào)為x(n)，經(jīng)過(guò)該濾波器后的輸出信號(hào)可由下面的差分方程表示：

根據(jù)n和m 的不同取值，定義3 種不同的濾波器。m=0,n≠0，稱為FIR 濾波器，這時(shí)用向量b就可以表示該濾波器；m≠0,n=0，稱為IIR 濾波器，需這時(shí)用a 即可以表示該濾波器；m≠0,n≠0，稱為ARMA 濾波器，可以用a、b 兩個(gè)向量表示該濾波器。

在對(duì)噪聲信號(hào)過(guò)濾時(shí)需要設(shè)計(jì)濾波器，濾波器的設(shè)計(jì)有多種方法，常用的IIR 濾波器有Butterworth 濾波器，Chebyshev 濾波器和Ellipse 濾波器等。對(duì)于給定的階數(shù)和波紋要求，Chebyshev 濾波器的選擇性優(yōu)于Butterworth 濾波器，而Ellipse 函數(shù)濾波器優(yōu)于Chebyshev 濾波器，它的過(guò)渡帶更窄，帶外抑制更加陡峭，本次試驗(yàn)采用了Ellipse 濾波器。

3.3 建模分析

經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)據(jù)與力學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合建立分析模型，進(jìn)行趨勢(shì)分析。常用方法有回歸分析法、時(shí)間序列分析法、灰色系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、頻譜分析等方法。本次試驗(yàn)研究選取了易于計(jì)算的多項(xiàng)式擬合分析方法。

3.4 案例分析

本文選取某邊坡測(cè)斜管分布式光纖傳感應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖3(a)為BOTDA 應(yīng)變解調(diào)儀監(jiān)測(cè)的應(yīng)變?cè)紨?shù)據(jù)，根據(jù)上文提出的奇異值數(shù)據(jù)檢驗(yàn)計(jì)算方法，得到如圖奇異點(diǎn)，予以剔除。圖3(b)顯示為奇異值檢驗(yàn)后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Ellipse 濾波后得到的數(shù)據(jù)，圖3(c)為濾波后的數(shù)據(jù)通過(guò)多項(xiàng)式擬合得到的可以用于數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)。

圖3 基于分布式光纖傳感技術(shù)數(shù)據(jù)處理方法Fig.3 Data processing method based on distributed optical fiber sensing technology

4 管樁模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

4.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本次試驗(yàn)所用材料物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)材料物理力學(xué)性質(zhì)Table 2 Physico-mechanical properties of materials for test

本次試驗(yàn)采用的FBG 光纖傳感器為蘇州南智傳感科技有限公司自主刻制，串柵長(zhǎng)8 mm，柵邊距4 mm，光柵串纖細(xì)柔輕，直徑為250 mm，使用前進(jìn)行標(biāo)定。BOTDA 分布式光纖傳感器采用南智公司自主研制的φ 250 mm 的傳感光纖。該光纖具有粘貼方便，與結(jié)構(gòu)體變形較協(xié)調(diào)，初始值較為平穩(wěn)等特點(diǎn)。模擬管樁采用矩形空心鋼管，長(zhǎng)120 cm，外矩形斷面40 mm×20 mm，內(nèi)矩形斷面35 mm×15 mm，壁厚2.5 mm。具體尺寸見圖4，鋼管物理力學(xué)指標(biāo)見表2。模型箱采用南京大學(xué)自行設(shè)計(jì)的可用于加載、降水、光纖傳感于一體的模型試驗(yàn)箱。試驗(yàn)箱骨架采用型鋼連接，四周采用鋼化透明玻璃封閉。模型箱尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為3 000 mm×1 500 mm×1 500 mm，容積為6.75 m3。錘擊所用錘子采用福吉斯特（Forgestar）硬木柄圓頭錘24oz 80-52401。FBG 數(shù)據(jù)采集采用美國(guó)MOI 公司的SM130型解調(diào)儀，該設(shè)備具有大功率、高速度、多傳感器的測(cè)量特點(diǎn)。BOTDA 數(shù)據(jù)采集采用日本Neubrex公司的NBX-6050 型解調(diào)儀，該設(shè)備最小空間分辨率10 cm，精度達(dá)±7.5 με。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程及方法

試驗(yàn)前先進(jìn)行傳感器的布設(shè)和粘貼工作。選取120 cm×4 cm 尺寸表面為主表面，F(xiàn)BG 傳感器間隔布設(shè)于鋼管主表面中軸處，選用5個(gè)FBG 傳感器，距離樁底分別為10、23、40、70、100 cm，編號(hào)從下往上分別為FBG1～FBG5，中心波長(zhǎng)從下到上分別為1 540.377 54、1 534.815 77、1 545.586 61、1 550.547 52、1 554.859 07 nm。BOTDA 光纖傳感器沿樁主表面兩端布置，由于本次試驗(yàn)在地下室進(jìn)行，且打入過(guò)程時(shí)間較短，設(shè)計(jì)時(shí)未進(jìn)行溫度補(bǔ)償，見圖4。施工前對(duì)管樁主表面進(jìn)行打磨擦試干凈后，用快速粘結(jié)劑將傳感光纖固定在鋼管主表面上，同時(shí)對(duì)傳感光纖施加一定的預(yù)應(yīng)力，使傳感光纖段具有一定的初始應(yīng)變，以便于檢測(cè)分析時(shí)空間定位。最后在傳感光纖部位涂覆粘結(jié)劑，將傳感光纖完全粘貼于鋼管主表面，粘結(jié)劑完全固化后對(duì)“傳感鋼管”進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格后準(zhǔn)備打入過(guò)程試驗(yàn)。

圖4 鋼管尺寸圖及傳感光纖布設(shè)圖(單位:cm)Fig.4 Pipe size and layout of the sensing optical fiber(unit:cm)

試驗(yàn)開始時(shí)，將各傳感光纖和解調(diào)儀相連接，BOTDA 測(cè)量分布式光纖應(yīng)變傳感器初始值。為模擬管樁接管過(guò)程，到達(dá)預(yù)定高度后暫停一段時(shí)間。FBG 解調(diào)儀點(diǎn)擊開始，以同一高度和同一頻率開始錘擊，F(xiàn)BG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)記錄錘擊數(shù)。鋼管沉樁到設(shè)計(jì)高度后，暫停，BOTDA 開始測(cè)量，如此重復(fù)，直到鋼管到達(dá)指定設(shè)計(jì)高度或者沉降已經(jīng)趨于停止，如圖5 所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 打入過(guò)程中FBG 中心應(yīng)變變化規(guī)律

管樁在打入過(guò)程中，分別打入不同深度、其間暫停5 min 內(nèi)測(cè)量擊入過(guò)程中鋼管的BOTDA和FBG 應(yīng)變。圖6為打入不同深度動(dòng)態(tài)過(guò)程應(yīng)變圖。

圖5 鋼管沉樁過(guò)程圖(單位:cm)Fig.5 The graph of pipe driving processing(unit:cm)

圖6 擊入不同深度后FBG 應(yīng)變圖Fig.6 FBG strain diagram when pile driving into different depths

44 cm 擊入過(guò)程中后下段3個(gè)傳感器逐步進(jìn)入土層中，上端2個(gè)傳感器未進(jìn)入土層。從圖6(a)可以看出，時(shí)間軸上，前段時(shí)間為預(yù)熱準(zhǔn)備階段，各傳感器中心應(yīng)變變化不大。大約從200 s 開始，管樁開始打入，各傳感器應(yīng)變開始出現(xiàn)變化。最上端FBG 傳感器FBG5 表現(xiàn)為拉應(yīng)變狀態(tài)，其他傳感器表現(xiàn)為壓應(yīng)變狀態(tài)，分析原因主要為錘擊位置出現(xiàn)偏移產(chǎn)生偏心荷載；傳感器對(duì)錘擊表現(xiàn)的較為敏感，錘擊時(shí)應(yīng)變出現(xiàn)波動(dòng)；由圖可以判斷，在200～300 s 左右的時(shí)間內(nèi)為鋼管打入過(guò)程；在入土過(guò)程中，下面3 段壓應(yīng)變大小相差不大，未入土FBG 傳感器FBG4和下面入土壓應(yīng)變大小相差也不明顯；5個(gè)傳感器應(yīng)變傳遞顯示為較為同步，滯后現(xiàn)象亦不明顯。

圖6(b)為擊入44～80 cm 過(guò)程隨時(shí)間應(yīng)變圖，此階段下段4個(gè)傳感器進(jìn)入土層中。從圖中可以看出，鋼管樁樁身應(yīng)變對(duì)錘擊較為敏感，錘擊作用下應(yīng)變發(fā)生較大范圍的波動(dòng)，錘擊敏感度從上往下逐漸降低，進(jìn)入土層中的傳感器基本表現(xiàn)為壓應(yīng)變，未進(jìn)入土層傳感器應(yīng)變以拉應(yīng)變?yōu)橹?，管樁上段存在著偏心荷載，但偏心荷載與擊入44 cm 過(guò)程相比已經(jīng)減??；應(yīng)變傳遞較為同步，傳感器FBG3、FBG4壓應(yīng)變均質(zhì)要大于FBG1、FBG2。

圖6(c)為擊入80～103 cm 應(yīng)變隨時(shí)間演變圖，此階段最上段傳感器逐步進(jìn)入土層，其中FBG2 傳感器出現(xiàn)故障。從圖中可以看出，鋼管樁身應(yīng)變對(duì)錘擊較為敏感，錘擊作用下應(yīng)變發(fā)生較大范圍的向下波動(dòng)，但總圍繞某一中心應(yīng)變向下波動(dòng)，傳感器進(jìn)入土層后全部基本表現(xiàn)為壓應(yīng)變，應(yīng)變傳遞較為同步。從整體趨勢(shì)或平均值來(lái)看，上段壓應(yīng)變要大于下段應(yīng)變。

圖6(d)傳感器已經(jīng)全部進(jìn)入土層。從圖中可以看出，鋼管樁身應(yīng)變對(duì)錘擊較為敏感，錘擊作用下應(yīng)變發(fā)生較大范圍的上下波動(dòng)，與圖8 相比，應(yīng)變圍繞某一中心應(yīng)變呈現(xiàn)為上下波動(dòng)的狀態(tài)，有的還出現(xiàn)拉壓應(yīng)變，這種現(xiàn)象上段傳感器要明顯于下段傳感器，主要原因是土體對(duì)鋼管有一定的減振效果。從整體趨勢(shì)和平均值來(lái)看，所有傳感器都基本顯示為受壓狀態(tài)，上面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)變要大于下面應(yīng)變。

結(jié)合圖6 各圖可以分析出鋼管樁沉樁過(guò)程中樁身應(yīng)變變化規(guī)律：

（1）沉樁過(guò)程中，同一錘擊能量作用下開始打入過(guò)程中樁基下沉較快，樁頂實(shí)際反作用力較小，F(xiàn)BG 傳感器反映出來(lái)的應(yīng)變變化幅度較小，樁頂錘擊力使樁上端未入土段產(chǎn)生彎曲變形和偏心荷載，在此作用下，出現(xiàn)拉應(yīng)變。

（2）當(dāng)傳感器全部進(jìn)入土層中，所有傳感器基本都呈現(xiàn)為受壓狀態(tài)，在相同土層情況下，上段壓應(yīng)變要大于下段壓應(yīng)變，樁基所受力逐漸傳遞給土層。

（3）隨著樁基的下沉，土層所分擔(dān)的動(dòng)荷載越來(lái)越多，樁基沉樁越來(lái)越困難，樁頂反作用力越來(lái)越大，應(yīng)變從原來(lái)向下波動(dòng)到圍繞某一中心應(yīng)變上下波動(dòng)。波動(dòng)幅度較大后樁身出現(xiàn)拉應(yīng)力，如果打入過(guò)程中樁基垂直度出現(xiàn)偏差，發(fā)生偏心荷載，兩種拉應(yīng)變效應(yīng)結(jié)合在一起大于樁基容許拉應(yīng)力后樁身容易出現(xiàn)裂縫甚至破壞。

5.2 打入過(guò)程暫停（接管）時(shí)FBG-BOTDA 聯(lián)合感測(cè)應(yīng)變變化規(guī)律

按照前面所述數(shù)據(jù)處理方法，得到沿樁身同一主面U 形分布式應(yīng)變分布圖，如圖7 所示。

圖7 分布式光纖監(jiān)測(cè)隨樁深應(yīng)變圖Fig.7 Pile strain diagram of distributed optical fiber monitoring with depth

從圖7 中可以看出，入土深度44 cm 時(shí)，入土段樁身主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，U 形分布圖來(lái)看，傳感器呈現(xiàn)為基本對(duì)稱受力狀態(tài)，未入土分布式光纖傳感器受力狀態(tài)局部出現(xiàn)拉應(yīng)變，樁頂局部受偏心荷載作用；入土深度80 cm 時(shí)，入土段樁身主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，未入土分布式光纖傳感器80～100 cm 段局部出現(xiàn)拉應(yīng)變，樁頂局部受偏心荷載作用，但不明顯；入土深度103 cm 時(shí)，樁身主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，但入土上段局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，受偏心荷載作用效果明顯；入土深度105 cm 時(shí)，樁身應(yīng)變主要表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，但樁頂受偏心荷載作用效果明顯。

由于FBG 傳感器布設(shè)在BOTDA 傳感器U 型分布中間，取BOTDA 同一截面數(shù)據(jù)，將其平均后，與FBG 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，如圖8 所示。

從FBG-BOTDA 聯(lián)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)BG監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度高，能夠反映被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確狀況，BOTDA 分布式光纖感測(cè)技術(shù)能夠較為全面的把握樁身應(yīng)變發(fā)展總體規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)。從BOTDA 測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)看，打入段主要受壓應(yīng)力，隨著深度的增加，壓應(yīng)力也逐漸減，壓力逐步傳遞給土體；沒有打入段，局部有受拉應(yīng)力出現(xiàn)，這與FBG 監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較為吻合。對(duì)比BOTDA 與FBG 試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以為管樁設(shè)計(jì)提供參考，一是打入過(guò)程中合理選擇錘擊的大?。欢軜对谠O(shè)計(jì)中除要滿足受壓要求外，還要滿足一定的抗拉要求，由于混凝土的抗壓不抗拉，也可以解釋為何管樁在打入過(guò)程中容易爆樁的原因。

FBG-BOTDA 聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)即可以克服FBG準(zhǔn)分布式傳感器以點(diǎn)概面的監(jiān)測(cè)誤差，又可以克服重點(diǎn)部位全分布式傳感器精度不足的問(wèn)題。隨著解調(diào)技術(shù)的成熟，在全分布式傳感光纖上直接刻?hào)艔?fù)合利用FBG-BOTDA 技術(shù)。

圖8 BOTDA 與FBG 暫停狀態(tài)下樁身應(yīng)變圖Fig.8 Diagram of BOTDA and FBG suspended pile strain

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)管樁在施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)壞樁、爆樁等質(zhì)量事故，應(yīng)用可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)具有高分辨率和精度的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)FBG和具有高分辨率和精度的分布式光纖傳感技術(shù)BOTDA 模擬監(jiān)測(cè)樁基打入過(guò)程中的應(yīng)變變化情況。通過(guò)奇異值檢驗(yàn)、濾波、模型建立等數(shù)據(jù)分析和處理方法，模擬再現(xiàn)了管樁施工過(guò)程，獲得了隨樁身不同打入深度的應(yīng)變變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)BG-BOTDA 聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)即可以精確獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)又可以全面把握樁身應(yīng)變發(fā)展趨勢(shì)，彌補(bǔ)了全分布式傳感技術(shù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)不足，又彌補(bǔ)了點(diǎn)式傳感器以點(diǎn)概面的誤判。隨著解調(diào)技術(shù)的成熟，F(xiàn)BG 與BOTDA 傳感器實(shí)現(xiàn)復(fù)利用，F(xiàn)BG-BOTDA 聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)利用前景十分廣闊。文中管樁擊入過(guò)程和接管過(guò)程中所反映的應(yīng)變變化特點(diǎn)可以為管樁的設(shè)計(jì)、施工提供很好的借鑒。

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