文摘

目的是优化基础的治疗过程和提高基础的施工效果更好地应用土壤水泥复合材料管状成堆。这种探索是研究水泥复合材料管状成堆。首先,光纤传感技术的原理和应用进行了讨论。然后,水泥复合管桩的应用程序设计和条件进行了讨论。最后,一种新的地基处理技术支持的光纤传感技术,全面评估的基础上,提出了应用土壤水泥复合材料管状成堆。研究结果表明:(1)地基处理新技术反映了光纤传感技术的优化治疗的基础。此外,它是通过水泥的应用进一步优化土壤组合管式桩。(2)当受到相同的负载,芯桩的时间越长,土壤水泥复合桩的沉降越小。当内核桩长20米~ 24米,水泥的解决土壤复合桩很小。当内核管桩的长度是16 ~ 20米,土壤水泥复合桩的沉降范围变大。 (3) With the increase of friction coefficient, the settlement distance of cement soil composite tubular pile will decrease. The above data show that compared with the traditional foundation treatment technology, the new foundation treatment technology designed based on the application of composite tubular piles, supported by optical fiber sensing technology, can well solve the foundation construction problems, avoid pavement settlement, cracking, and other phenomena, and ensure the overall safety of the road. This exploration fully reflects the advantages of the new technology of foundation treatment and ensures the quality of road engineering. It provides a reference for the development of foundation treatment technology of construction projects and contributes to the development of the construction industry.

1。介绍

目前,我国基础设施建设的规模越来越大,超级大,超级重,和超级高楼大厦如雨后春笋般出现在祖国的土地。建筑越来越高要求的地基土承载力和变形控制。然而,大多数地下土壤的层的网站,可以采用在城市建设是复杂的,和施工团队需要进行施工复杂的土壤层刚度的变化和灵活性大(1]。因此,在现代工程项目中,投机的基础和基础施工的工程数量比例相当大,越来越高。基础的质量甚至可以确定建筑物的施工质量(2]。事故导致危险情况下建筑由于经常发生问题的基础。该基金会是一个隐藏的项目。一旦出现问题,人员,材料,和资金修复的基础是巨大的。随着建筑业的发展,除了提供足够的安全,目前施工方案也需要高度经济和施工周期较短。这样,党的建设可以尽快构建服务社会3]。进入21世纪以来,国内经济已经进入一个快速发展的时期。高层,超级高楼大厦,和重型结构不断建造和桩基础工程也已迅速发展。各种新桩类型、流程和技术的不断涌现,以及一些新领域出现,呈现出新的发展趋势。桩基础正在向大直径长桩,微型桩,高强度桩和复合桩。鉴于桩基础的发展方向,结合中国东海岸的特点和冲积平原河流和湖泊的地层,山东省建筑科学院已经开发了一种复合桩技术,即土壤水泥复合管桩技术,适用于软土地区。土壤复合水泥管桩由高压喷射混合形成的水泥搅拌桩法和同中心地植入预应力高强度混凝土管桩。大直径的特点,长桩承载力高,高成本的性能,施工效率高。作为一种新技术,土壤水泥复合管桩的轴承机制显然是不同于一个普通的桩,复合桩的力学性能也大大不同于现有的核心插桩技术。为了使土壤的阻力在桩和桩的强度材料达到极限状态的同时,满足理论最优的匹配关系,并充分发挥土壤复合管桩水泥的技术优势,有必要研究土壤水泥复合管桩的承载机制。 Based on the field test and numerical simulation test, this exploration studies the vertical compressive bearing mechanism of cement soil composite tubular pile, and obtains the influence rules of cement soil pile diameter, tubular pile diameter, cement soil pile length, tubular pile length, cement soil strength, stratum conditions, and other factors on the vertical compressive bearing mechanism of cement soil composite tubular pile.

最近,上升的光纤传感技术吸引了越来越多研究者的关注。耐用性等特点,体积小、抗电磁干扰能力强,和可移植性使光缆铺设和安装方便,与测量目标的良好匹配,和小压力对测量目标的影响。它可以进行信号传输。充分利用光纤传感技术可以实现实时、远程和全天候测量各种结构在土木工程(4]。分布式光纤传感技术基于布里渊光时域反射计(BOTDR)的特点,长期监测距离,信号传输快,精度高。根据这些特点,它可以采用远程实时监控项目中的每一项,以确保其顺利进行(5]。在一些发达国家,光纤在土木工程中的应用研究了几十年。例如,日本,瑞士,法国和美国在这个至关重要的发明和创新技术。这些研究奠定了良好的基础为未来项目的健康监测和安全预警(6]。常见的分布式光纤传感技术可分为以下两类:干涉分布式光纤传感技术和散射的分布式光纤传感技术。其中,基于干涉原理的分布式光纤传感技术出现之前。它包括分布式光纤传感技术基于迈克耳逊光纤干涉仪,马赫曾德耳光纤干涉仪的基础上,基于萨尼亚克光纤干涉仪,基于复合结构干涉仪。基于散射原理的分布式光纤传感技术出现较晚,包括基于拉曼散射的分布式光纤传感技术,基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。

一种新的地基处理技术提出了光纤传感技术的支持。它是利用光纤传感技术实现自动监测地基沉降。然后,压力特征和土壤水泥复合材料管状桩的工作机理进行了研究。的影响土壤水泥复合材料管状桩的承载力研究解决这一问题。接下来,地基的变形和沉降规律基于土壤水泥复合材料管状桩得到研究合理的地基处理方法,减少不均匀沉降的路面和路面损伤。这个探索提供了一个参考建筑工程地基处理技术的发展和对建筑行业的发展。

2。方法

2.1。光纤传感技术

分布式光纤传感技术是基于光时域反射(OTDR))包括瑞利OTDR)和BOTDR [7]。分布式光纤传感技术的优点是,它可以同时测量连续分布时空信息光纤路径没有多点传感器。它克服了缺陷,传统的传感器很难全面持续监控测量对象。此外,它具有良好的性能,传统的传感器没有,更少的能量损失和数据传输等多个信号(8]。OTDR)测量技术是接收光纤的光脉冲信号,然后传送脉冲信号在光纤的光。当光的脉冲信号遇到光纤本身的性质,接口,光纤的弯曲,光纤连接其他设备,或其他类似事件,光的脉冲信号将产生反射光和散射光。部分的反射光和散射光将返回到脉冲信号端口的发射光沿着相同的路径(9]。根据时差发射光的脉冲信号与接收到的光脉冲信号,OTDR)可以计算出距离上述测量之间点和OTDR):

是光纤中光的传播速度;是光纤本身的折射率(10]。

图1显示OTDR)技术的原理。

OTDR)技术可以不断显示光脉冲的损失距离和散射光,折射光的变化对整个光纤线,期间没有任何损坏光纤测量。

光纤传感技术是结构工程检测中广泛采用。例如,目前钢筋混凝土是一种广泛使用的材料。直接嵌入光纤材料在混凝土结构表面或粘贴光纤的主要应用形式,可以检测热应力和养护,挠度、弯曲、应力和应变。具体将生成一个由于水化凝固过程中温度梯度。如果冷却过程不均匀,热应力会引起裂缝的结构。使用光纤传感器嵌入到混凝土可以监控其内部温度变化,从而控制冷却速度。因此,光纤传感技术将有重大应用前景的基础治疗。

2.2。纤维和布里渊散射

光纤是一种硅材料的电致伸缩材料。大功率泵光在光纤中传播时,其折射率会增加,导致电致伸缩效应,导致大部分的透射光转换成背散射光,导致受激布里渊散射。具体过程如下:当泵光在光纤中传播时,其自办发行的布里渊散射光抽运光的传播方向相反。当泵浦光的强度增加,自办发行布里渊散射的强度增加。它增加到一定程度时,反向传播斯托克斯光和泵浦光将干扰,产生强大的干涉条纹,这大大增加了本地光纤的折射率。通过这种方式,会产生一个声波由于电致伸缩效应。声波一代将会刺激更多的布里渊散射光,和生成的散射光将加强声波。这样的交互产生强烈散射,称为受激布里渊散射。而光波、声波的能量可以忽略不计。因此,不考虑声波,受激布里渊散射的过程可以概括为能量传递的过程从高频率抽运光低频率斯托克斯光。 In this way, stimulated Brillouin scattering can be regarded as a process of optical gain for Stokes light propagating in electrostrictive materials in the presence of pump light. In stimulated Brillouin scattering, although the anti-Stokes and Stokes light exist theoretically, they are generally only Stokes light.

2.3。BOTDR的基本原则

BOTDR技术,利用光纤布里渊散射的频率之间的关系转变,光纤温度和应变的测量光纤实现(11]。基于BOTDR分布式光纤传感器测量传感器的压力变化和温度变化结合OTDR)测量技术和布里渊散射。图2介绍了原则:

探测器接收到的布里渊散射光,这将有一个频移相对于入射光的脉冲信号(12]。当光纤的温度和压力发生变化,折射率光纤的核心和传播速度光纤的光会相应地改变,从而导致布里渊频移的变化(13]。因为布里渊频移光纤温度和应变是线性相关的,只需要测量布里渊频移的变化获得生成温度和应力、应变的变化。测量散射光的回程时间可以确定对应点的位置。

事实上,在基于BOTDR分布式光纤传感器系统,输出激光的连续光调制脉冲光和喷射到传感光纤产生布里渊斯托克斯和anti-Stokes光频率的变化。采用一个过滤器来过滤出散射光信号的频率由光电探测器探测到。通过信号处理,布里渊增益谱在不同的位置是由洛伦兹拟合获得沿光纤布里渊频移曲线。根据相应的布里渊频移与温度和压力之间的关系,外部温度和压力的变化可以推断。BOTDR技术可以实现分布式温度传感和压力传感。然而,由于有限的BOTDR入射光功率,光纤的自然衰减使得传感信号弱,很难检测,并缩短感应距离。

数据3和4展示了布里渊散射光的频移变化之间的关系和应变和温度在BOTDR测量技术:

数据3和4显示,如果工作环境的温度变化光纤所在地小于4°C,温度对布里渊频移的影响被忽略。当光纤的应力变化是0,温度的变化是积极和线性相关的布里渊频移的变化,即:

是初始温度,温度测量的时候,是温度的变化14]。

此外,图3之间的关系表明,布里渊频移和光纤温度和纤维应变15]:

是布里渊频移改变光纤应变是什么时候吗和温度 。 光纤应变时的布里渊频移是0和温度是什么 。 是初始温度,在测量时的温度。是压力。 是布里渊频移之间的相关参数变化和应变,大约493 MHz。 是布里渊频移和温度之间的变化参数。纤维之间的变异参数温度和纤维应变进行了比较。发现光有一个更大的应力变化影响光的布里渊频移。

2.4。土壤结构特性的水泥复合材料管状成堆

土壤复合水泥管桩是由一个核心土壤桩和水泥搅拌桩。预应力高强度管桩、灌注桩承载力和钢结构主要是用作加强核心。土壤水泥混合可以形成的深层搅拌桩,喷粉,或高压旋喷16]。土壤复合水泥管桩可分为短期核心桩,等于芯桩,根据核心核心桩和长桩长度。它们分为相等部分桩(广场、圆形、环形灯,金字塔,或结合类型)和nonequal部分桩(楔形和锥形)根据核心桩的几何。其中,常数截面管式桩更常见。根据核心的外围表面桩是否规律,它可分为平滑型和肋类型(17),如图5:

2.5。计算复合桩的承载力

国家法规和标准:单桩的承载力水泥土壤复合桩由摩擦阻力的复合桩和摩擦阻力土壤复合桩截面的水泥。当端面之间的交互抗性和抵抗被忽略,单桩的承载力是(18]:

指的是周边的复合桩土层在桩相应的厚度吗 - - - - - -th层土桩。是终极的摩擦阻力我th层的土壤。是层的顶面电阻吗桩端土。

宽松的刚性复合桩,一般认为其破坏面位于内部和外部核心部分,所以它的垂直抵抗压缩承载力可以通过方程估计(5)和(6)。应用刚柔复合桩和多元素复合桩,根据失效的形式,它可以通过方程计算(5)- (8)[19];

长芯桩:

短的核心及桩周平等的核心:

失败的表面刚性组合桩复合桩的截面核心和桩周围的土壤。方程估算抵抗压缩复合桩的承载力方程(7)和方程(8)[20.]:

长芯桩:

短的核心及桩周平等的核心:

是垂直抗压承载力特征值的土壤水泥复合桩。和是核心的周长桩和复合水泥土壤复合桩的桩部分,分别。的长度是水泥的复合部分土壤复合桩,然后呢l_j的厚度吗 - - - - - -th土层noncomposite部分的长度。和核心部分的面积的土壤水泥复合桩和复合截面桩的面积,分别。的摩擦阻力是核心的复合水泥部分土壤复合桩。

指的是摩擦的 - - - - - -th层的内部核心的noncomposite部分水泥土壤复合桩。边的摩擦阻力吗 - - - - - -th的外核层水泥土壤复合桩。和是核心桩的端阻力的水泥的压力土壤复合桩和水泥复合桩土,分别。有一个伟大的组合桩的竖向承载力之间的关系和组合桩的失效形式。复合桩的失效形式主要有四个案例(21]:压缩破坏发生在上部的管状成堆,相对滑动发生故障时,水泥搅拌桩,大型水泥搅拌桩之间的滑动发生故障和管状桩,和失败异物穿透桩结束的时候发生。目前,涉及核心复合桩长计算公式如下(22]。

方程(9)承担损坏的外表面土壤水泥。方程(10)是假设失败由于抗压桩的承载力不足的身体。方程(11)承担失败的内部和外部核心土壤水泥。方程(12)是假设故障位置的混凝土noncomposite部分。

2.6。新的地基处理技术支持的光纤传感技术

这路上探索总结了世界范围内的研究问题,在公路工程路面沉降和裂缝等。进行理论分析和研究在工程实践和室内测试。研究内容如下:(1)光纤传感技术进行了研究。温度变化和应变的传感参数标记研究光纤的光纤的温度变化和应变。传感光纤的灵敏度相比,光纤传感灵敏度的影响因素进行了研究,以及光纤传感系统的可靠性测试。基于BOTDR的原则,BOTDR的测量方案设计路基的变形和破坏(2)在杭州路项目为仿真对象,一个20:1路模型建立在室内。根据测量方案设计,光纤是嵌入在路上模型来验证光纤测量土壤和碎石和解的可能性,并验证光纤的同步变形能力和道路。传感光纤的测量结果进行了比较与千分表,可靠性和准确性的传感光纤测量路基变形失效进行了分析(3)每个段的应力水泥管桩的土复合桩载荷进行了研究。无聊的预制桩,使钢筋笼时,有必要将测量应力计在适当的位置和出口它的纵向钢筋。为了测量管柱的轴向力在管桩的生产过程中,需要焊接和修复的应力计测量钢筋的钢筋管桩(4)在室内的研究中,选择危险的模拟路基部分,传感光纤和相应的监控设备排列检测路基的沉降差和变形解决土壤复合管桩水泥。定期收集测量数据,路基沉降变形测量的传感光缆和应力-应变数据的土壤复合水泥管桩进行了分析。传感光缆监测路基变形的可靠性,防止道路坍塌和变形进行了分析

基于总结和调查研究新老路基的不均匀沉降和全球BOTDR监控,该勘探主要采用室内试验研究相结合的技术路线,数值分析和比较,工程实践,和其他手段。图6显示的技术路线。

图6显示新的地基处理方法的实现步骤提出了基于光纤传感技术如下。第一步是调整光纤温度和应变传感。第二步是使用BOTDR技术构建路基沉降的监测方案。第三步是建立一定规模的室内扩大道路模型。第四步是分析路基沉降监测的可行性方法基于BOTDR技术。第五步是获得室内扩大道路的沉降变形规律,利用BOTDR技术。第六步是获得模型参数根据实际调查。第七步是利用有限元分析模型。最后,通过比较和分析解决法律是否一致,新老路基的变形规律的定居点。

2.7。同步光纤和路基变形

当光纤应用于路基工程、光纤是植入路基填料。传感光纤的保护时,应该考虑使用植入方法。传感光纤可以直接填到松散的土壤。中包含了碎石或硬质材料时,这些碎石头或硬质材料将光纤和使它无效,和光纤不能准确反映路基条件。因此,周围的介质时,必须对植入式光纤采用碎石或硬质材料路基。图7是植入固定光纤铺设的示意图:

2.8。温度补偿

温度补偿的光纤有直接和间接方法。间接法的第一个措施周围温度环境,标志着光纤的温度参数,使用温度和布里渊频移之间的转换公式计算温度需要补偿价值。直接法是保持光纤稳定,周围的压力和光纤处于松散状态。温度补偿是由测试光纤的紧张状态通过分析仪器。当安排光纤测量线,一个轻松需要安排补偿光纤的温度整个光纤铺设线路。两个传感光纤的布里渊频率相比获得光纤变形频率的变化值。间接法首先需要马克传感器,然后需要一个温度计来测量温度,然后将它通过各种方程式。通过这种方式,误差相对较大。当测量面积相对较大,需要安排更多的温度计,操作繁琐,不便传感器。因此,间接法很少用于工程实践。 When the onsite temperature change is less than 4°C, the influence of temperature on the frequency shift change can be ignored.

2.9。实验准备

为了验证基于BOTDR技术的测量系统的影响,首先设计、系统运行环境,系统的监控时间设置为获得有效数据,最后将数据保存和处理。表1显示的参数测量系统基于BOTDR技术。

表1表明,当使用BOTDR技术测量光纤的各种变量,高温可能导致损害实验设备,从而影响测量结果。因此,操作温度设定在有些°C。电源电压不应过高,它可以控制在200 V,所以给出的电源电压范围的实验是150 - 240 V。在实验中,其数值控制在1.2米,以避免过度的解决光纤。此外,为了使布里渊频移测量更有效,布里渊频移测量范围和布里渊频移测量分辨率设置ghz-13ghz 10点和0.1兆赫,分别在实验中。

光纤的灵敏度进行了研究。表2介绍了光纤信息中使用这个测试:

3所示。结果和分析

3.1。室内温度传感光纤的马克

首先,已知的标准数量输入到传感器是通过实验,检测和传感器的输出来获得相关传感器的输入和输出之间的误差。表3和图8显示外部温度的变化来衡量其他仪器和布里渊光频率测量系统:

的影响系数A1和A2的温度传感光纤布里渊频移2.96 MHz /°C和2.99 MHz /°C,分别。两根光纤的系数基本上是相同的。光纤的分析表明,A1和A2单模纤维的系数几乎相同的由于统一在一个恒温水浴加热。然而,这并不意味着A1和A2传感纤维具有相同的温度敏感性。实验图表明A2比A1纤维纤维有更好的相关性,A1和A2温度灵敏度比纤维。A2纤维的直径相对较小,所以可接受的温度变化范围比较大。

3.2。传感光缆项目的可行性分析

2020年9月,传感光纤放置在监控部分的地基基础、路基填料回填,然后进行机械压实。2020年12月,路基工程完成后,和最初的监测。图9显示一些监测结果:

图9表明,A1和A2传感光缆的测量功能在正常状态,和系统运作,没有任何异常。因此,BOTDR技术可以监测路基的沉降变形。

3.3。负载分析水泥土壤复合桩

的可变参数分析土壤复合水泥管桩在测试进行研究。对土壤水泥复合管桩的长度,长度16 m, 18米,20米,22米,分别进行仿真分析,并与复合桩的长度24米。然后,复合管桩的负载不同长度相同竖向荷载。垂直负载5000 kN。图10显示垂直桩的变形与不同的内在核心长度:

图10表明土壤水泥复合桩的沉降影响不同核心相同荷载作用下桩不同,这表明土壤水泥复合桩的沉降程度可能与核心桩复合桩的大小。之间的关系进一步分析后,土壤水泥复合桩的桩顶沉降和核心桩的长度。它表明,当受到相同的负载,芯桩的时间越长,土壤水泥复合桩的沉降越小。当内核桩长20米~ 24米,土壤水泥复合桩的沉降幅度很小。当内核管桩的长度是16 ~ 20米,水泥土壤复合桩的沉降范围变大。

水泥生产过程中土壤综合管桩水泥土之间的摩擦复合管桩和周围土层将不同材料组成,由于材料比,和土壤水泥搅拌桩的制造过程。通常,管桩的干燥方法将有一个大的剪切效应对周围土层中施工过程将周围的土层,并吸收周围的水泥土层,增加周围土层的抗剪强度。相反,复合管桩通过湿法增加周围土层的水分含量在施工过程中,和周围土层的强度复合管桩会减少。不同土壤层次将产生不同的摩擦系数对管状成堆。图11显示不同的摩擦系数的影响管式桩的结算:

图11表明土壤沉降程度相同的水泥复合桩在不同摩擦系数是不同的。这表明水泥的解决土壤复合桩可能与桩与土之间的摩擦系数。进一步分析后,管桩住区不同摩擦系数的影响可以知道。随着摩擦系数的增加,管式桩的沉降距离会减少。

3.4。路之间的关系解决土壤和水泥复合管桩结算

图12显示道路解决土壤和水泥复合管桩结算:

图12(一个)表明,当摩擦系数桩与土之间0.2 ~ 0.4,路面开始定居在4789 kN的负载。当负载增加8927 kN,路面沉降趋于稳定。测量解决土壤复合水泥管桩是14毫米,路面的沉降是4毫米,解决路面和水泥比土壤复合管桩是28.57%。可以认为,当摩擦系数变化在这个区间,它大大影响复合桩的沉降。图12 (b)显示,当0.4 ~ 0.5,路面开始结算时载有4789 kN。当负载增加8376 kN,路面沉降趋于稳定。测量解决水泥管式桩7毫米,路面沉降为1.6毫米,解决路面比土壤复合水泥管桩是下降了22.86%。随着桩顶荷载的增加,土壤复合管桩水泥之间的摩擦和周围土层也将增加。在达到某一极限,这种摩擦将保持不变。随着摩擦系数的增加,桩顶荷载会导致周围土层的沉降,和周围土层沉降的影响范围将逐渐增加。然而,解决土壤复合水泥管式桩将逐渐减少。

4所示。结论

近年来,光纤传感技术已广泛应用于地基处理,并取得了良好的结果。这个探索的目的是将BOTDR技术与光纤传感技术来实现更好的地基处理效果。因此,一种新的地基处理技术支持的光纤传感技术提出了基于土壤水泥复合管桩的应用,及其综合评价。发现传感光纤的应用监控解决土壤和碎石是可行的,和同步感应纤维和路基的变形能力相对较好。通过测量的影响参数A1和A2的温度传感光纤布里渊频移,发现直径,鞘层厚度和类型的传感光纤温度传感系数和应变传感系数的影响。复合桩的沉降随管柱长度的增加而减小。当摩擦系数桩之间的界面变化在0.2 ~ 0.4之间,组合桩的沉降差别很大。当0.4 ~ 0.5之间变化,组合桩沉降的变化范围很小。之间的关系解决土壤复合水泥管桩和路基沉降测量在不同桩土之间摩擦系数、界面。随着负载增加,解决土壤复合水泥管桩的桩层小摩擦系数大于管桩的桩层有一个很大的摩擦系数。此外,摩擦系数的不一致也会影响路面沉降。路面沉降,桩土之间摩擦系数、界面也小于路面摩擦系数小。目的是进一步优化光纤传感技术,利用BOTDR技术更好地应用于地基处理工作,并获得一个更高质量的地基处理效果。

由于时间有限,基础沉降变形的监测时间法和土壤复合水泥管桩的结算法律是相对较短。因此,完整的传感光缆监测数据和常规监测仪器在项目不能获得。长期观察将会在未来的研究来验证的准确性进行传感光缆在土木工程中的应用。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有竞争的经济利益。

确认

这项工作得到了浙江省自然科学基金重点项目(批准号LXZ22E080001)和中国国家自然科学基金(批准号52178358和52178358)。