超大型深水群樁基礎(chǔ)的傳感器保護(hù)技術(shù)

陳志堅(jiān)，陳欣迪，唐 勇，張寧寧

（1. 河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098；2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098；3. 福建省建筑科學(xué)研究院，福州 350025；4. 華電電力科學(xué)研究院，杭州 310030）

1 引 言

蘇通大橋是世界上跨度最長的斜拉橋，其主塔墩基礎(chǔ)是世界上規(guī)模最大的群樁基礎(chǔ)，由131根直徑為2.8 m和2.5 m、長為117 m的變徑鉆孔灌注樁組成[1－2]。對于這樣一個(gè)超大規(guī)模的群樁基礎(chǔ)而言，很多設(shè)計(jì)都是超規(guī)范的，其安全問題也異常突出，安全監(jiān)測是保證基礎(chǔ)施工與運(yùn)營安全的必要措施。然而，在這樣的工程環(huán)境下進(jìn)行傳感器安裝埋設(shè)將面臨一些技術(shù)難題，如，在超過120 m的水頭壓力下進(jìn)行傳感器安裝，工程界還沒有先例，除此以外，還會受各種施工措施的影響。如何保證傳感器埋設(shè)的成活率，成為監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要問題。

本文在多次試樁試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探討了各個(gè)監(jiān)測子系統(tǒng)安裝埋設(shè)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了相應(yīng)的有效傳感器保護(hù)技術(shù)。

2 傳感器系統(tǒng)簡介

根據(jù)蘇通大橋主塔墩基礎(chǔ)施工和運(yùn)營所面臨的主要問題，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果[3－4]，構(gòu)建了多個(gè)傳感器子系統(tǒng)，具體包括以下4部分。

2.1 樁身軸力子系統(tǒng)

蘇通大橋橋位區(qū)靠近入海口，基巖埋藏較深，無法直接作為主塔基礎(chǔ)的持力層。在如此地質(zhì)條件下修筑大跨度斜拉橋尚無先例。為了保證基礎(chǔ)的安全施工，同時(shí)提高信息化施工水平，研究超長鉆孔灌注樁的傳力機(jī)制，在樁身共布置了8個(gè)軸力監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面布置兩套混凝土應(yīng)變計(jì)以及兩套（部分?jǐn)嗝?套）鋼筋應(yīng)力計(jì)。各斷面的高程分別為-12、-25、-30、-45、-55、-75、-95、-117 m。由于蘇通大橋的樁基礎(chǔ)采用了保留鋼護(hù)筒的設(shè)計(jì)，為了監(jiān)測鋼護(hù)筒應(yīng)力，在前4個(gè)斷面每個(gè)斷面布置了兩套表面應(yīng)變計(jì)。

2.2 河床沖刷子系統(tǒng)

河床沖刷是影響橋梁安全運(yùn)營的重要因素之一[5]，很多橋梁的失事都是由于基礎(chǔ)過度沖刷造成的。為了準(zhǔn)確反映河床的沖淤情況，采用高精度的水壓力計(jì)進(jìn)行河床的沖刷監(jiān)測，其監(jiān)測原理是：將一鋼圈套在樁上，水壓力計(jì)固定在鋼圈上，利用傳感器測得所處位置的水深Hw，利用潮位傳感器同步測試潮位高程Hl，則傳感器所處位置的河床高程為Hl-Hw，當(dāng)沖刷發(fā)生時(shí)，傳感器會在鋼圈自重的作用下下沉，這樣就可監(jiān)測到?jīng)_刷深度。而淤積監(jiān)測則采用土壓力盒測試淤積層的土壓力，假定淤積層的密度和孔隙度已知，即可計(jì)算出淤積深度。

2.3 沉降與不均勻沉降子系統(tǒng)

由于群樁基礎(chǔ)規(guī)模巨大，群樁效應(yīng)問題突出[6]，加上索塔為倒“Y”型結(jié)構(gòu)，加劇了基礎(chǔ)的不均勻沉降，沉降與不均勻沉降的監(jiān)測就顯得異常重要。絕對沉降的監(jiān)測利用墩旁臨時(shí)墩做基點(diǎn)，利用高精度的微壓傳感器建立水力連通系統(tǒng)，以此來監(jiān)測基礎(chǔ)的絕對沉降值，詳見文獻(xiàn)[7]。不均勻沉降的監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)監(jiān)測技術(shù)和剖面沉降監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行。測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 沉降與不均勻沉降測點(diǎn)布置圖Fig.1 Monitoring points of settlements and uneven settlements

2.4 其他子系統(tǒng)

除以上子系統(tǒng)以外，還包含承臺內(nèi)部應(yīng)力子系統(tǒng)、基樁水平位移子系統(tǒng)、索塔根部應(yīng)力子系統(tǒng)等，因篇幅所限，不再詳述。

3 傳感器保護(hù)技術(shù)

對于埋入式光纖傳感器而言，傳感器的保護(hù)是必不可少的[8－9]，也有很多學(xué)者研究了光纖傳感器的封裝與保護(hù)[10－11]。盡管光纖傳感器的封裝與保護(hù)技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但在超長樁中的安裝埋設(shè)仍然十分困難，傳感器成活率相對較低，并且造價(jià)昂貴。對于弦式傳感器而言，還未見相應(yīng)報(bào)道。

3.1 混凝土應(yīng)變計(jì)保護(hù)技術(shù)

對于埋設(shè)在超長鉆孔灌注樁中的傳感器而言，不僅要遭受施工因素的影響，如混凝土澆筑、振搗等，還會遭受高水壓的影響。試驗(yàn)證明，當(dāng)水深超過55 m時(shí)，傳感器可靠度就得不到保證。首次試樁試驗(yàn)時(shí)，完全按照廠家的安裝說明進(jìn)行，傳感器成活率不足10%。因此，傳感器的保護(hù)是必要的。

3.1.1 技術(shù)要求

特殊的安裝埋設(shè)環(huán)境給保護(hù)技術(shù)提出了特殊的要求。主要有：①承受高水壓；②由于傳感器不能承受側(cè)向荷載，需要提供側(cè)向保護(hù)作用；③降低或消除混凝土澆筑對傳感器的影響；④不影響測試結(jié)果；⑤不影響施工；⑥便于安裝固定與定位。

3.1.2 保護(hù)裝置

結(jié)合上述保護(hù)要求，同時(shí)參考光纖傳感器的封裝與保護(hù)方法，研發(fā)了環(huán)氧混凝土預(yù)制塊保護(hù)技術(shù)。保護(hù)技術(shù)的實(shí)施，使得傳感器埋設(shè)成活率大大提高，超過95%。制作步驟：①需要制作澆筑模具，模具大小視現(xiàn)場情況而定，形狀以利于安裝定位為原則；②混凝土預(yù)制塊的原料最好與樁身混凝土接近，即選用相同標(biāo)號的水泥；③在混凝土中加入環(huán)氧樹脂（當(dāng)不加入環(huán)氧樹脂時(shí)，試驗(yàn)埋設(shè)成活率不足70%）；④需要提前澆筑預(yù)制塊，澆筑完成后，每天應(yīng)該用水養(yǎng)護(hù)，以保證預(yù)制塊有足夠的強(qiáng)度（澆筑后的預(yù)制塊如圖2所示）。需要指出的是預(yù)制塊必須將應(yīng)變計(jì)的法蘭盤外露，以保證傳感器測值的精確性。

圖2 混凝土預(yù)制保護(hù)塊Fig.2 Concrete precast protection block

3.2 鋼護(hù)筒表面應(yīng)變計(jì)保護(hù)技術(shù)

鋼護(hù)筒表面應(yīng)變計(jì)在鋼護(hù)筒插打過程中，不僅需要克服打樁機(jī)振動的影響，還要克服鋼護(hù)筒插入過程中的阻力影響，現(xiàn)有的傳感器無法滿足要求，只能通過技術(shù)手段對傳感器進(jìn)行保護(hù)。

3.2.1 技術(shù)要求

鋼護(hù)筒表面計(jì)的安裝與混凝土應(yīng)變計(jì)相差很大，其安裝埋設(shè)環(huán)境也完全不同，技術(shù)要求也是迥異的。對于鋼護(hù)筒表面計(jì)的保護(hù)技術(shù)的主要要求有：①能抵御鋼護(hù)筒插打過程中的阻力；②需要將傳感器與樁側(cè)土體隔開，避免傳感器承受側(cè)向壓力；③對傳感器電纜要起到保護(hù)作用，避免因施工或外力作用（如水流沖擊力）損壞電纜；④不影響鋼護(hù)筒的插打，由于鋼護(hù)筒的插打的深度較深，表面計(jì)保護(hù)裝置不能給鋼護(hù)筒插打造成過大阻力；⑤在鋼護(hù)筒運(yùn)輸過程中也要對傳感器電纜提供保護(hù)作用；⑥要有足夠的強(qiáng)度，不會被破壞，不影響觀測結(jié)果。

3.2.2 保護(hù)裝置

綜合考慮各種要求，采用角鋼貼焊保護(hù)技術(shù)。角鋼保護(hù)裝置主要包含3大部分：電纜、傳感器和尖角部分（如圖3所示）。焊接順序有固定的要求：①先焊尖角部分；②焊接電纜保護(hù)部分；③安裝傳感器；④焊接傳感器保護(hù)部分。安裝完成后的表面計(jì)保護(hù)裝置如圖4所示。

圖3 鋼護(hù)筒表面計(jì)保護(hù)裝置剖面圖Fig.3 Protection device profile of surface strain gage on steel casing

圖4 鋼護(hù)筒表面計(jì)保護(hù)裝置照片F(xiàn)ig.4 Photo of surface strain gage on steel casing

3.3 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)

由于靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)屬于串聯(lián)系統(tǒng)，一旦任何一處損壞，會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)損壞，并且恢復(fù)的代價(jià)較高。因此，對整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)意義重大。

3.3.1 技術(shù)要求

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的保護(hù)分為兩部分：連通系統(tǒng)和傳感器的保護(hù)。主要技術(shù)要求有：①由于索塔屬于高聳建筑物，避免高空墜物損壞系統(tǒng)；②不影響現(xiàn)場施工；③由于橋位區(qū)冬季江面溫度較低，應(yīng)避免水力系統(tǒng)被凍結(jié)。

3.3.2 技術(shù)方案

通過在承臺內(nèi)部預(yù)埋連通管，承臺澆筑完成后，利用預(yù)埋連通管建立水力連通系統(tǒng)，不僅可以使連通系統(tǒng)受到保護(hù)，還能起到隔熱作用，冬季不至于被凍結(jié)。需要指出的是，預(yù)埋的連通管必須要有足夠的硬度，不至于被液態(tài)混凝土壓扁，由于混凝土澆筑后，管路無法進(jìn)行維護(hù)。應(yīng)預(yù)埋1～2路備用管路，以防止施工過程中被損壞。由于要防止連通系統(tǒng)因低溫而被凍結(jié)，因此，靜力水準(zhǔn)測點(diǎn)基座也采用混凝土澆筑（如圖5所示）。對于傳感器的保護(hù)則采用金屬保護(hù)罩，制成由角鋼和合金板組成的保護(hù)罩，內(nèi)部加一層泡沫等隔熱材料，防止靜力水準(zhǔn)儲液罐里的水因低溫而凍結(jié)。靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)建立完成后向儲液罐加入防凍液。

圖5 靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)管路示意圖Fig.5 Pipeline sketch of hydrostatic level system

3.4 河床沖刷傳感器保護(hù)技術(shù)

3.4.1 技術(shù)要求

由于橋位區(qū)水流湍急，受風(fēng)暴潮影響強(qiáng)烈，因此，水深傳感器的保護(hù)重點(diǎn)應(yīng)該在傳感器電纜上，避免因水流沖擊而發(fā)生損壞，同時(shí)要避免傳感器在水流作用下反復(fù)震蕩發(fā)生損壞。

3.4.2 技術(shù)方案

采用鍍鋅鋼管保護(hù)電纜，與鋼護(hù)筒表面計(jì)的電纜保護(hù)類似，預(yù)留在江底的電纜則采用鋼絲繩固定保護(hù)，避免因水流沖擊而損壞。鍍鋅鋼管的上口固定在鋼套箱底板上，下口由鋼絲繩固定于鋼護(hù)筒上，其方向利用角鋼固定。傳感器的平面位置也需要固定，否則傳感器會在水流作用下反復(fù)震蕩而損壞。傳感器的平面位置利用套在鋼護(hù)筒上的鋼圈固定（如圖6所示）。

圖6 水壓力傳感器安裝埋設(shè)示意圖Fig.6 Installing sketch of water pressure sensors

4 大型群樁基礎(chǔ)承載性能分析

高的傳感器埋設(shè)成活率，使得利用實(shí)測數(shù)據(jù)分析群樁基礎(chǔ)的受力特性具備了條件，分別從樁身軸力和基礎(chǔ)沉降進(jìn)行分析。

4.1 樁身軸力分析

實(shí)測樁身軸力和鋼護(hù)筒軸力分別如圖 7、8所示。該樁為29#樁，位于承臺西側(cè)正中，為“邊樁”。從圖7中可以看出，含鋼護(hù)筒的鉆孔灌注樁的樁身軸力分布是有別于一般的鉆孔灌注樁的，出現(xiàn)了“疑似負(fù)摩阻力”的現(xiàn)象，分別位于第2斷面和第5斷面。然而，第2斷面在河床面以上，排除了負(fù)摩阻力的可能，結(jié)合圖8可以看出，是由于鋼護(hù)筒將部分荷載傳遞給了樁身，造成了負(fù)摩阻力的假象。在河床面高程以下，樁身軸力減小較快，這是由于混凝土與鋼的模量存在差異，在荷載的作用下，二者之間存在相對滑移，以致在樁身混凝土與鋼護(hù)筒之間產(chǎn)生了摩阻力，使得樁身軸力迅速減小，在荷載相對較小的時(shí)候，摩阻力并不明顯。而第4、5斷面之間存在變徑段，過了變徑段，鋼護(hù)筒上的荷載大部分傳遞到了樁身，使得第5斷面出現(xiàn)了負(fù)摩阻力的假象。在第5斷面以后，樁身軸力在樁周土體的摩擦力作用下，逐步減小。最大樁身軸力出現(xiàn)在第2斷面，橋面鋪裝完成時(shí)，軸力最大，為24.6 MN。

圖7 樁身軸力分布圖Fig.7 Axial load curves of piles

圖8 鋼護(hù)筒軸力分布圖Fig.8 Axial load curves of steel casing

將鋼護(hù)筒軸力與樁身軸力疊加所得到的總軸力如圖9所示?？梢钥闯?，對于由鋼護(hù)筒和樁身混凝土組成的這個(gè)整體結(jié)構(gòu)而言，其樁身軸力隨深度分布就與一般的超長鉆孔灌注樁相似。屬于摩擦樁，但摩阻力的發(fā)揮主要集中在鋼護(hù)筒以下的部位，鋼護(hù)筒與周邊土體的摩阻力相對較小。

圖9 總軸力分布圖Fig.9 Whole axial load force curves

總而言之，上部荷載被分成兩部分，一部分作用在樁頂，另一部分作用在鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒和樁身之間存在荷載相互傳遞，同時(shí)有一小部分荷載通過鋼護(hù)筒傳遞給周邊土體，大部分荷載是在樁的中下部通過摩阻力傳遞到周邊土體。鋼護(hù)筒與樁作為一個(gè)整體是屬于摩擦樁，但其摩阻力的發(fā)揮有別于一般的摩擦樁，一般摩擦樁的最大摩阻力出現(xiàn)在靠近樁底位置，而實(shí)測的最大摩阻力出現(xiàn)在樁身中下段。

4.2 群樁基礎(chǔ)不均勻沉降規(guī)律分析

為了研究超大型群樁的沉降規(guī)律，利用微壓傳感器、剖面沉降和靜力水準(zhǔn)建立了沉降與不均勻沉降監(jiān)測系統(tǒng)，詳見文獻(xiàn)[7]。索塔澆注過程中，主4#墩承臺縱、橫橋向剖面沉降的觀測結(jié)果如圖10、11所示。

4.2.1 剖面沉降實(shí)測結(jié)果

觀測結(jié)果表明，在縱橋向上，主4#墩承臺在縱橋向中間部位存在的最大沉降差約3 mm。但就剖面沉降儀的觀測精度而言，該沉降差小于累計(jì)誤差。故可以認(rèn)為，在索塔澆注過程中，主4#墩承臺在縱橋向不產(chǎn)生撓曲變形。在橫橋向上，系梁區(qū)的沉降較上、下游承臺處的大，在2005年11月9日到2006年2月19日期間沉降差是逐漸增加的，最大可達(dá)14 mm左右，承臺呈現(xiàn)向下的撓曲變形，承臺的變形特征取決于上部結(jié)構(gòu)荷載的作用形式。由于蘇通大橋主橋索塔呈倒“Y”字型，下塔柱和中塔柱的上、下游塔肢與水平面的夾角均為約82.81°，中下部設(shè)置下橫梁。所以，在下塔柱和中塔柱澆注過程中，承臺處于復(fù)雜的受力狀態(tài)?？傮w規(guī)律是：下橫梁強(qiáng)度形成之前，隨著索塔高度的增長，承臺的撓曲變形逐漸加劇，與之對應(yīng)，上游承臺上游側(cè)和下游承臺下游側(cè)的基樁軸力普遍減小（8～12 MN）；當(dāng)下橫梁混凝土（第1次的澆注時(shí)間為2005年11月7日10∶30至8日3∶30，第2次的澆注時(shí)間為2005年11月22日9∶05至23日2∶30）強(qiáng)度和剛度形成后，尤其是交匯段混凝土強(qiáng)度形成后，承臺的受力狀態(tài)得到較大的改善。2006年4月16日之后，承臺橫橋向的不均勻沉降已逐漸減小。這主要是由于下橫梁的強(qiáng)度形成后，索塔根部不再承受彎矩，后續(xù)荷載主要作用在上下游承臺，因此，不均勻沉降逐步變小。

4.2.2 靜力水準(zhǔn)實(shí)測結(jié)果

以上游承臺西北角測點(diǎn)為參照點(diǎn)，各測點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)如圖 12所示。上游承臺上游側(cè)中軸線點(diǎn)和上游承臺西南角測點(diǎn)與參照點(diǎn)間的沉降差曲線表明，在索塔澆注過程中，主4#墩承臺在縱橋向上幾乎不產(chǎn)生不均勻沉降。系梁區(qū)測點(diǎn)與參照點(diǎn)間的沉降差曲線表明，橫橋向上存在不均勻沉降，2006年3月10日之前，系梁區(qū)與上、下游承臺間的沉降差是逐漸增加的，最大沉降差約 8 mm；隨著下橫梁強(qiáng)度和剛度的形成，4月15日之后，此沉降差逐漸減小，至索塔澆注基本完成時(shí)，沉降差約為 2 mm。靜力水準(zhǔn)實(shí)測規(guī)律與剖面沉降基本一致。

圖10 北主墩承臺縱橋向不均勻沉降（相對于承臺北側(cè)）Fig.10 Uneven settlements of the north pile cap in longitudinal direction

圖11 北主墩承臺橫橋向不均勻沉降（相對于上游承臺上游側(cè)中點(diǎn)）Fig.11 Uneven settlement of the north pile cap in the direction across bridge

圖12 靜力水準(zhǔn)實(shí)測曲線Fig.12 Monitoring curves of hydrostatic level

5 結(jié) 語

（1）在探討了超大型深水群樁基礎(chǔ)傳感器系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)要求的基礎(chǔ)之上，結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)提出了多項(xiàng)傳感器保護(hù)技術(shù)，包括：混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼護(hù)筒表面應(yīng)變計(jì)、靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)和河床沖刷傳感器保護(hù)技術(shù)。

（2）各項(xiàng)傳感器保護(hù)技術(shù)的實(shí)施，使得傳感器安裝埋設(shè)的成活率得到保證，整個(gè)系統(tǒng)的傳感器成活率超過96%，為大橋的安全運(yùn)營奠定了基礎(chǔ)，也為其他工程提供了參考。

（3）利用實(shí)測數(shù)據(jù)分析了超長鉆孔灌注樁的荷載傳遞規(guī)律和不均勻沉降規(guī)律。結(jié)果表明：超長鉆孔灌注樁的荷載傳遞規(guī)律有別于一般的樁基礎(chǔ)；群樁基礎(chǔ)的不均勻沉降主要表現(xiàn)在橫橋向，縱橋向的不均勻沉降可以忽略。

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