李立贡，丁　勇，马斌斌，周克明

(1.南京理工大学 理学院，南京　210094；2.南京水利科学研究院 南京水利水文自动化研究所，南京　210012)



基于BOTDA的深基坑桩锚支护结构变形监测

李立贡1，丁勇1，马斌斌1，周克明2

(1.南京理工大学 理学院，南京210094；2.南京水利科学研究院 南京水利水文自动化研究所，南京210012)

将BOTDA(BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis)分布式光纤监测技术应用于深基坑桩锚支护结构的变形监测中。在基坑开挖的过程中，对桩锚支护结构的型钢和预应力锚索进行长期监测，得到了型钢的挠度分布图以及预应力锚索的应力分布图。基于此，分析型钢和锚索受力变形状态，为基坑施工提供可靠参考依据。工程实践表明，基于BOTDA的分布式光纤传感技术具有连续性检测的优点，适合应用于基坑支护结构的变形监测。

深基坑支护；ESC-H钢桩；预应力锚索；BOTDA；变形监测

1　研究背景

随着地下工程的发展，基坑的深度与面积随之增加。由于深基坑工程对基坑支护结构有更高的要求，SMW工法、地下连续墙等便是出现在各类基坑工程中常见的基坑支护结构型式。其中桩锚支护则是SMW工法桩的衍生支护结构型式。

传统基坑支护的监测手段包括测斜仪、全站仪、GPS技术等[1]。这些监测手法共同存在的缺陷是有限的测点不能够对支护结构的变形进行连续的监测，存在漏检的可能[2]。同时其纯粹的位移监测不能对结构受土体挤压产生的内力进行量化，变形参数单一。

BOTDA分布式光纤传感技术克服了上述传统监测方法存在的缺陷。连续地展示并量化了支护结构工作过程中产生的变形情况。

本文结合霞浦某基坑工程实例，介绍了BOTDA分布式光纤传感技术应用于深基坑桩锚支护结构的变形监测，计算了支护中的钢桩与锚索的应力应变情况，对桩锚支护在特定地质条件下的适用性作出评价。

2　BOTDA技术原理

BOTDA是新兴的以光为信息载体、光纤为传感器与传输媒介的传感技术。其工作原理:分别从光纤两端注入脉冲光和连续光，制造布里渊放大效应(受激布里渊)，根据光信号布里渊频移(由解调仪测得)与光纤温度和轴向应变之间的线性变化关系，在温度补偿(或应变补偿)条件下得到光纤应变变化量(或温度变化量)。其应变变化量公式为[3]

(1)

式中：Δε为光纤应变量；ΔvB为布里渊频移量(解调仪测得)；Cvt为光纤温度系数；Cvε为光纤应变系数；Δt为温度变化量。

更多关于BOTDA传感技术原理以及解调仪的工作原理包括如何确定监测点距离的检测原理可参考文献[4]。

3　BOTDA在深基坑桩锚支护变形监测中的应用

3.1工程概况

本次工程为东南沿海城市霞浦的某深基坑工程，底面平均标高+6.31m，基坑开挖底部平均标高-9.5m左右，具体地质资料如表1(只列出了与基坑深度相当的土层地质资料)。

由于是沿海地区，该基坑土质力学性能差，施工难度大。经专家论证后在标高-4.2m以上采用喷浆护坡的支护型式，-4.2m以下部分采用了ESCH钢桩+预应力旋喷锚索结构的支护型式，如图1所示。

表1　工程地质资料Table 1　Engineering geological data of foundation

图1　ESC-H钢桩支护平面示意图Fig.1　Plan of ESC-H steel pile support

现场勘察完毕后选用了图2所示位置的组合体与典型位置的锚索分别铺设光纤传感器，监测受力状态。每个组合体包括3根型钢、2根锚索，组合体结构见图1。

图2　监测位置示意图Fig.2　Sketch of monitoring positions

3.2传感光纤的布设

本次基坑的支护工艺下，钢桩埋入不需要事先成孔，而是直接将H型钢插入原状土中，土体中过硬的成分会影响铺设在型钢上光纤的保护层。

因此下桩前需要在H型钢的翼缘和腹板的夹角处焊接直径为6mm的U形钢筋保护筋，保证一定的转弯半径使光束能够正常通过，并留有足够宽度使之成为传感光纤的铺设槽，如图3。

图3　型钢上光纤布置Fig.3　Sketch of optical fiber on H-steel

将传感光纤沿着预留槽孔铺设后，用结构胶封死，使光纤与型钢融为一体。最后在光纤回路转弯处焊接直径为10mm的钢筋进一步加强光纤的保护。

正常施工情况下，锚索与钻杆结合旋转注入土体,但为了保护光纤，沿着锚索钢绞线绑扎光纤后，先用机械在指定位置钻孔至预定深度并用水泥浆护壁成孔，然后再将锚索推入孔中[5]。同时为了防止光纤在推入土体时弯转部分被破坏，需要在扩大头部分焊接内径为8mm的钢管，并在光纤外套上高强度橡胶管，如图4，并用绑扎带将传感光纤沿锚索长度方向绑紧。

图4　锚索上光纤布置Fig.4　Sketch of optical fiber on anchor

3.3基于应变监测的型钢挠度与锚索应力计算理论

在对型钢进行挠度求解时，由于型钢的中和轴并不都在轴线位置，可以通过以下计算来消除中和轴的影响。设y和y′分别为U形布设光纤两边到中和轴的距离。则两边光纤的应变ε和ε′分别满足式(2)、式(3)，通过式(4)消除中和轴不确定的影响，从而求得型钢某截面处弯矩式(5)。

(2)

(3)

Y(x)=y(x)-y′(x)，

(4)

(5)

通过对弯矩的积分可以得到型钢挠度公式，即

(6)

式中:ω(x)为型钢某截面处的挠度；C和D为根据边界条件所确定的参数[6]。

对于锚索应力，只需将测得的应变εi乘以锚索钢绞线弹性模量Es,可得到锚索某一位置上的应力，即

σi=εi·Es。

(7)

应力σ乘以面积A即可求得力，Ai为锚索界面面积，则

F=σi×Ai。

(8)

3.4监测结果分析

本文旨在分析深基坑支护结构在开挖过程中的变形规律。通过分析典型位置中的2#组合体中的型钢挠度分布与锚索应力损失情况，了解型钢在基坑开挖过程中的变形规律和锚索的应力重分布状态。锚索张拉锁定时的预应力损失情况如表2。锚索应变监测如图5。

表2　锚索预应力张拉锁定损失Table 2　Pre-stress losses of cables

(a)M22

(b)M06图5　应变监测Fig.5　Strain monitoring

M22锚索周围土体受扰动较小，以M22为研究对象，分析得出的时间效应导致的预应力损失情况见图5(a)。

锚索稳定后的3～5d内预应力损失最大，约为7%，损失范围分布在锚固点往里3～12m处，靠近自由端损失率较大。随后锚索应变数据逐渐重合，应力分布趋于稳定。此外M22的应变监测图整体上是满足指数分布的，与理论相似[7]。而在锚固点前5m左右的应力呈上升趋势，可以认为是由于混凝土未能充分发挥对锚索的握裹作用，在10～15m期间，应变下降明显，说明应力集中。20～27m范围内的锚索应力较小，未能充分发挥承载作用。

此外分析典型位置的锚索M06的应变监测图，见图5(b)可以得知，随着时间的推移，预应力锚索的钢绞线最大的应变值可以达到7 000 ×10-6左右。由此推断，在软土地基中，预应力锚索变形过大，承载力即使达到要求，锚索的安全性也存在一定风险。而且不同位置开挖到相同深度时，对应位置的钢绞线应变差异很大，说明钢绞线在土体内受力不均匀，容易导致脆弱部位的锚索容易出现滑移。

根据2#组合体中型钢H22内外侧应变分布图(图6(a)、图6(b))得到了型钢的挠度分布图(图6(c))。分析数据发现，型钢插入卵石层的底部挠度不变，说明型钢埋设深度设计合理。随着开挖的进行型钢挠度由上往下呈先增大后减小的趋势。型钢挠度逐渐增大是由于冠梁和腰梁的约束作用，受二者影响即使相邻很近的两根型钢变形也存在差异。型钢挠度逐渐减小段则符合主动土压力的作用规律。

(a)内侧应变分布

(b)外侧应变分布

(c)挠度分布图6　H22型钢内外侧应变分布和挠度分布Fig.6　Distributions of internal and external strains anddeflection of H-steel

综合分析型钢的监测数据发现，型钢承载力受到冠梁、腰梁以及预应力锚索的发挥程度的影响，相邻很近的2根型钢承载力也存在很大的差异。当土体往基坑内移动时，此位置处的型钢亦会随着土体滑移。而型钢受到冠梁以及腰梁的约束作用，顶部的滑移量会小于底部的滑移量。当这部分型钢退出工作后，相邻的型钢受力会急剧增大。

4　结　论

(1)深基坑桩锚支护结构中，由于没有水平支撑作用，锚索应变过大，且存在明显的应力集中。

(2)软土基坑中锚索张拉锁定过程以及随着时间推移存在明显的预应力损失。

(3)开挖过程中，型钢变形受冠梁、腰梁影响明显，ESC-H钢桩支护整体性良好。

(4)BOTDA分布式光纤监测技术能够测得连续的变形数据，精准地得到型钢沿桩身长度方向以及锚索沿长度方向的应力应变信息，值得进一步推广应用

[1]罗磊.基坑监测技术的研究与应用[J].山西建筑,2013,39(19):65，128.

[2]丁勇,王平,何宁,等.基于BOTDA光纤传感技术的SMW工法桩分布式测量研究[J].岩土工程学报,2011,(5):719-724.

[3]丁勇,王平,李鹏飞,等.基于BOTDA的地下连续墙分布式变形监测技术研究[J].岩土工程学报,2014,(增刊2):500-503.

[4]丁勇.基于BOTDR的隧道结构健康监测研究[D].南京：南京大学,2005.

[5]马斌斌.软土基坑桩锚组合结构现场试验研究及数值模拟分析[D].南京：南京理工大学,2014.

[6]俞设,王平,丁勇,等.型钢水泥土梁实验方法研究[J].地下空间与工程学报,2013,(增刊2):1845-1847.

[7]尤春安,战玉宝.预应力锚索锚固段的应力分布规律及分析[J].岩石力学与工程学报,2005,(6):925-928.

(编辑：刘运飞)

Deformation Monitoring of Pile and Anchor SupportingStructure of Deep Foundation Pit Using BOTDA

LILi-gong1,DINGYong1,MABin-bin1,ZHOUKe-ming2

(1.SchoolofScience，NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2.NanjingAutomationInstituteofWaterConservancyandHydrology,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210012,China)

BOTDAdistributedopticfibermonitoringtechnologywasusedtomonitorthedeformationofpileandanchorsupportingstructureofdeepfoundationpit.Throughlong-termstrainmonitoringofH-steelandpre-stressedanchorofthesupportingstructureduringtheexcavationprocess,thedeflectiondistributionofH-steelandstressdistributionofpre-stressedanchorwereobtained.Onthisbasis,thestressanddeformationstateofH-steelandpre-stressedanchorwasanalyzed,providingreliablereferenceforpitconstruction.Engineeringpracticeshowsthatdeformationmonitoringforfoundationpit’ssupportingstructureusingdistributedopticalfibersensingtechnologybasedonBOTDAisfeasibleandhastheadvantageofcontinuousmonitoring.

deepfoundationpitsupport;ESC-Hsteelpiles;pre-stressedanchor;BOTDA;deformationmonitoring

2015-08-05;

2015-10-06

中央级公益性科研院基本科研业务费专项(Y915010)

李立贡(1991-)，男，福建宁德人，硕士研究生，主要从事结构健康监测方面的研究，(电话)18013965931(电子信箱)njustding@163.com。

10.11988/ckyyb.20150654

2016,33(09):48-51

TU473.2

A

1001-5485(2016)09-0048-04