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光纤技术在基坑支护受力分析中的应用

2015/10/16 阅读:

地下连墙墙顶最大位移及内力影响因素研究发现m值对变形和内力影响较大,支撑刚度和地连墙插入比的影响较小。东南大学戴国亮等通过试验研究了地连墙水平临界荷载和极限承载能力,研究分析了水平承载能力,墙身水平位移、抗弯特性,以及墙侧土受力规律。同济大学金彪等通过监测数据分析,总结了地连墙的变形特性,认为适当的插入深度可以保证地连墙的整体稳定性并控制其变形,增加墙厚可以减小变形但会增加墙体内力。东南大学娄承滨等通过监测数据分析,研究了挖深对墙体变形和轴力的影响,研究认为,挖深增加,墙顶最大位移及支撑轴力均增加。现有支撑体系变形、受力监控分析主要基于点式测量成果,测量点位较少且测量频率较低,不能实现地连墙体的全断面受力、变形分析,也难以及时发现险情,并确定出险点的位置。南京大学等研究机构对光纤传感技术在变形、应力分析中的应用进行了研究,研究认为光纤传感技术可以高精度、线性分析结构的应力、应变特性。本文通过引进光纤分布式传感(DOFS)测量技术,设计实验方案,分析地连墙的全断面变形特性,改进现有的测量技术,为全断面理论分析提供依据。本次研究以苏州地铁车站支护体系的地连墙变形监测为实例,在支护体系中埋设测斜管,同时埋设光纤传感器,通过两种测量手段的成果对比,分析支护体系的全截面变形特性。

1试验方案

以在建4号线车站围护工程为试验点,在墙变形、水位变化监测区位,同时布设分布式光纤传感监控。在基坑开挖中,同步监测相关变化情况,分析地连墙变形情况。传感器布设剖面示意图如图1所示。在地连墙上通长布设应变传感器。光纤传感器采用固定条绑扎在主筋上。光纤传感器布设在地连墙钢筋笼上,测斜管预埋在地连墙中,然后浇筑混凝土,形成地连墙。水位观测孔布设在地连墙外的土体内。光纤传感器在地连墙墙体上的布设流程见图2。

2传统测斜仪测试数据分析

水位测量成果表明,基坑土方未开挖时,SW-08侧坑外水位降深较大,水位在4m左右,这表明此部位成墙质量出现问题,不能有效阻隔基坑内外的水力联系,引起水位降。传统测斜仪通过测量预埋在地连墙内的测斜管道变形反应墙体变形。测斜管安装在地连墙的钢筋笼内。这种点式测量的测量值受人为因素影响误差很大,预埋管自身的变形也影响测量精度,不宜消除对真实变形情况的影响。实测变形情况、理论计算变形情况对比,变形曲线均为拟合曲线,见图3。

3分布式光纤传感器测试数据分析

光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性,将输入物理量变换为调制的光信号。其工作原理基于光纤的光调制效应,即光纤在外界环境因素,如温度、压力、电场、磁场等等改变时,其传光特性,如相位与光强,会发生变化。因此,测出通过光纤的光相位、光强变化,就可以知道被测物理量的变化。外界参数(温度、压力、振动等)引起光纤长度的变化和相应的光相位变化,从而产生不同数量的干涉条纹,对它的模向移动进行计数,就可测量温度或压力等。初值测量工作在2014年3月20日。根据分层开挖阶段,分次进行开挖过程的测量工作,同时进行地连墙应力的测量工作。应力在墙深度方向的测量成果见图4。测量成果表明,应变在地面附近最大,然后约呈一定斜率明显降低。随基坑开挖深度增大,墙顶向坑内应力增大。主动土深度内的正应力与被动土深度内的负应力分布情况非常直观。由于基坑两侧的地质条件、施工工法是一致的,对比基坑两侧的应变—深度曲线,可以分析出JX-01地连墙应力曲线在7.5m处有异常点。实际开挖显示,地连墙光纤传感埋设位置附近有渗漏发生,在水位监测中也发现了这一点。渗漏点在地面以下10m左右。从JX-01应力—深度图中可以明显发现这一异常点,而未发生渗漏的另一端JX-02应力—深度图并无此异常点。渗漏引起光相位漂移,使应力—深度曲线线形发生变化。异常点位置8m也充分说明了测量成果的准确性,开挖表明渗漏点(13.5轴位置)距光纤传感器6m左右,渗漏区域的降水曲线见图5。各个开挖阶段,主动土压力段的正应力分布情况与被动土压力段的负应力分布情况相当直观,为线性、全断面理论分析提供了条件。

4光纤与传统测试技术测试成果的对比分析

光纤传感元件的测量成果表明,地连墙的光纤传感器未破坏,相应变形、开裂没有大至拉断光纤。光纤传感技术可以对支护体系的地连墙进行分布式线性应变/应力测量,全断面展示墙体受力情况。由于光纤传感元件的线性测量特性,以及直径小的特性,可以相对更完美的与地连墙进行耦合,尺寸效应较小,可以大大减小预埋管变形对测量精度的影响,更直接的反映地连墙的受力情况。地连墙在开挖深度范围内应变呈上大下小的半杯形。各个开挖阶段,主动土深度内的正应力与被动土深度内的负应力分布情况非常直观。混凝土支撑轴力随开挖深度的增加而增加,大致同步增加,呈线性关系。光纤传感测量技术成果异常点对比,可以及时分析出渗漏异常区域。5结论及建议1)分布式光纤传感技术可线性全断面反映支护体系地连墙通长方向的受力分布。2)光纤传感测量技术成果异常点分析,可以及时判断出渗漏区位。光纤价格低廉,通过网格布设可以准备确定渗漏点位。3)各开挖阶段,主动土深度内的正应力与被动土深度内的负应力分布情况非常直观。4)实现数据无线传输,是确保安全施工、安全监控的手段,是下一步研究重点之一。

作者:崔振东 亓军强 王明 许崇甲 单位:中铁四局 苏州市轨道交通集团有限公司 中铁上海局

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