光纖技術(shù)在基坑支護受力分析中的應(yīng)用范文

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地下連墻墻頂最大位移及內(nèi)力影響因素研究發(fā)現(xiàn)m值對變形和內(nèi)力影響較大，支撐剛度和地連墻插入比的影響較小。東南大學(xué)戴國亮等通過試驗研究了地連墻水平臨界荷載和極限承載能力，研究分析了水平承載能力，墻身水平位移、抗彎特性，以及墻側(cè)土受力規(guī)律。同濟大學(xué)金彪等通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了地連墻的變形特性，認為適當(dāng)?shù)牟迦肷疃瓤梢员ＷC地連墻的整體穩(wěn)定性并控制其變形，增加墻厚可以減小變形但會增加墻體內(nèi)力。東南大學(xué)婁承濱等通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究了挖深對墻體變形和軸力的影響，研究認為，挖深增加，墻頂最大位移及支撐軸力均增加。現(xiàn)有支撐體系變形、受力監(jiān)控分析主要基于點式測量成果，測量點位較少且測量頻率較低，不能實現(xiàn)地連墻體的全斷面受力、變形分析，也難以及時發(fā)現(xiàn)險情，并確定出險點的位置。南京大學(xué)等研究機構(gòu)對光纖傳感技術(shù)在變形、應(yīng)力分析中的應(yīng)用進行了研究，研究認為光纖傳感技術(shù)可以高精度、線性分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變特性。本文通過引進光纖分布式傳感(DOFS)測量技術(shù)，設(shè)計實驗方案，分析地連墻的全斷面變形特性，改進現(xiàn)有的測量技術(shù)，為全斷面理論分析提供依據(jù)。本次研究以蘇州地鐵車站支護體系的地連墻變形監(jiān)測為實例，在支護體系中埋設(shè)測斜管，同時埋設(shè)光纖傳感器，通過兩種測量手段的成果對比，分析支護體系的全截面變形特性。

1試驗方案

以在建4號線車站圍護工程為試驗點，在墻變形、水位變化監(jiān)測區(qū)位，同時布設(shè)分布式光纖傳感監(jiān)控。在基坑開挖中，同步監(jiān)測相關(guān)變化情況，分析地連墻變形情況。傳感器布設(shè)剖面示意圖如圖1所示。在地連墻上通長布設(shè)應(yīng)變傳感器。光纖傳感器采用固定條綁扎在主筋上。光纖傳感器布設(shè)在地連墻鋼筋籠上，測斜管預(yù)埋在地連墻中，然后澆筑混凝土，形成地連墻。水位觀測孔布設(shè)在地連墻外的土體內(nèi)。光纖傳感器在地連墻墻體上的布設(shè)流程見圖2。

2傳統(tǒng)測斜儀測試數(shù)據(jù)分析

水位測量成果表明，基坑土方未開挖時，SW-08側(cè)坑外水位降深較大，水位在4m左右，這表明此部位成墻質(zhì)量出現(xiàn)問題，不能有效阻隔基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，引起水位降。傳統(tǒng)測斜儀通過測量預(yù)埋在地連墻內(nèi)的測斜管道變形反應(yīng)墻體變形。測斜管安裝在地連墻的鋼筋籠內(nèi)。這種點式測量的測量值受人為因素影響誤差很大，預(yù)埋管自身的變形也影響測量精度，不宜消除對真實變形情況的影響。實測變形情況、理論計算變形情況對比，變形曲線均為擬合曲線，見圖3。

3分布式光纖傳感器測試數(shù)據(jù)分析

光纖傳感器是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性，將輸入物理量變換為調(diào)制的光信號。其工作原理基于光纖的光調(diào)制效應(yīng)，即光纖在外界環(huán)境因素，如溫度、壓力、電場、磁場等等改變時，其傳光特性，如相位與光強，會發(fā)生變化。因此，測出通過光纖的光相位、光強變化，就可以知道被測物理量的變化。外界參數(shù)(溫度、壓力、振動等)引起光纖長度的變化和相應(yīng)的光相位變化，從而產(chǎn)生不同數(shù)量的干涉條紋，對它的模向移動進行計數(shù)，就可測量溫度或壓力等。初值測量工作在2014年3月20日。根據(jù)分層開挖階段，分次進行開挖過程的測量工作，同時進行地連墻應(yīng)力的測量工作。應(yīng)力在墻深度方向的測量成果見圖4。測量成果表明，應(yīng)變在地面附近最大，然后約呈一定斜率明顯降低。隨基坑開挖深度增大，墻頂向坑內(nèi)應(yīng)力增大。主動土深度內(nèi)的正應(yīng)力與被動土深度內(nèi)的負應(yīng)力分布情況非常直觀。由于基坑兩側(cè)的地質(zhì)條件、施工工法是一致的，對比基坑兩側(cè)的應(yīng)變—深度曲線，可以分析出JX-01地連墻應(yīng)力曲線在7．5m處有異常點。實際開挖顯示，地連墻光纖傳感埋設(shè)位置附近有滲漏發(fā)生，在水位監(jiān)測中也發(fā)現(xiàn)了這一點。滲漏點在地面以下10m左右。從JX-01應(yīng)力—深度圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)這一異常點，而未發(fā)生滲漏的另一端JX-02應(yīng)力—深度圖并無此異常點。滲漏引起光相位漂移，使應(yīng)力—深度曲線線形發(fā)生變化。異常點位置8m也充分說明了測量成果的準(zhǔn)確性，開挖表明滲漏點(13．5軸位置)距光纖傳感器6m左右，滲漏區(qū)域的降水曲線見圖5。各個開挖階段，主動土壓力段的正應(yīng)力分布情況與被動土壓力段的負應(yīng)力分布情況相當(dāng)直觀，為線性、全斷面理論分析提供了條件。

4光纖與傳統(tǒng)測試技術(shù)測試成果的對比分析

光纖傳感元件的測量成果表明，地連墻的光纖傳感器未破壞，相應(yīng)變形、開裂沒有大至拉斷光纖。光纖傳感技術(shù)可以對支護體系的地連墻進行分布式線性應(yīng)變/應(yīng)力測量，全斷面展示墻體受力情況。由于光纖傳感元件的線性測量特性，以及直徑小的特性，可以相對更完美的與地連墻進行耦合，尺寸效應(yīng)較小，可以大大減小預(yù)埋管變形對測量精度的影響，更直接的反映地連墻的受力情況。地連墻在開挖深度范圍內(nèi)應(yīng)變呈上大下小的半杯形。各個開挖階段，主動土深度內(nèi)的正應(yīng)力與被動土深度內(nèi)的負應(yīng)力分布情況非常直觀。混凝土支撐軸力隨開挖深度的增加而增加，大致同步增加，呈線性關(guān)系。光纖傳感測量技術(shù)成果異常點對比，可以及時分析出滲漏異常區(qū)域。5結(jié)論及建議1)分布式光纖傳感技術(shù)可線性全斷面反映支護體系地連墻通長方向的受力分布。2)光纖傳感測量技術(shù)成果異常點分析，可以及時判斷出滲漏區(qū)位。光纖價格低廉，通過網(wǎng)格布設(shè)可以準(zhǔn)備確定滲漏點位。3)各開挖階段，主動土深度內(nèi)的正應(yīng)力與被動土深度內(nèi)的負應(yīng)力分布情況非常直觀。4)實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，是確保安全施工、安全監(jiān)控的手段，是下一步研究重點之一。

作者：崔振東 亓軍強 王明 許崇甲 單位：中鐵四局 蘇州市軌道交通集團有限公司 中鐵上海局