基于分布式光纖測溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測

雷文凱，肖衡林

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

如何對灌注樁完整性進行全面、快速、高效檢測，并準(zhǔn)確評價樁基質(zhì)量，是樁基工程界一直關(guān)注的熱點課題。長期以來，人們對灌注樁完整性檢測進行了深入的研究，提出了許多有效的檢測方法與技術(shù)，包括低應(yīng)變法、聲波透射法、高應(yīng)變法、取樣、鉆芯法、靜載試驗等，這些目前常用的檢測方法存在設(shè)備笨重、效率低、費用高、誤差較大、易漏檢錯判、檢測條件嚴(yán)格、易受干擾、不能定量判斷、檢測周期長、無法檢測和評價樁身混凝土保護層等問題［1］，且不能在線與長期監(jiān)測，難以滿足當(dāng)今工程建設(shè)與維護的需要，開拓發(fā)展新技術(shù)、新方法與新設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。

近幾年來，分布式光纖傳感技術(shù)因其高精度、抗腐蝕、抗電磁干擾、耐高壓、輕便、無損、能長期在線實時快速分布式檢測等優(yōu)點被廣泛用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，在樁基檢測中的應(yīng)用也有很多實例，但一般集中于監(jiān)測樁基的應(yīng)變，通過所測得的應(yīng)變來反演樁身內(nèi)力、摩阻力及樁基承載力［2－3］。分布式光纖用于灌注樁不同施工階段的樁身溫度監(jiān)測方面還處于空白。而事實上，灌注樁的溫度，特別是水化熱過程中樁身的溫度分布情況與其完整性有很大關(guān)系［4］。基于此，本文提出基于分布式光纖測溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測方法。

1 檢測原理

1.1 分布式光纖測溫原理

在分布式光纖測溫系統(tǒng)中，光纖既用來感知信息，也用作傳輸介質(zhì)，DTS（分布式光纖溫度測量儀）利用激光在光纖中傳播時的后向Raman散射溫度效應(yīng)，對光纖沿線的溫度場進行實時測量，通過光時域反射技術(shù)對拾取點進行精確定位，溫度拾取點密度可按實際要求設(shè)置。根據(jù)蔡德所等［5］的研究成果，可將分布式光纖測溫原理具體闡述如下。

DTS激光發(fā)射裝置向通過特制接頭與其連接的光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光在傳感光纖中向前傳播（速度略低于真空中的光速），同時向光纖周圍發(fā)射散射光，散射光中有一部分沿光纖返回到入射端，入射光和反射光的時間差記為t，散射光發(fā)生的位置距入射端的距離

式（1）中：C為光纖中的光速，C＝c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率。DTS利用該式進行溫度拾取點的定位。

返回入射端的反射光中，有一種稱做Raman散射光。該Raman散射光含有Stokes光和Anti－Stokes光兩種成份。其中Stokes光與溫度無關(guān)，而Anti－Stokes光的強度隨溫度變化而發(fā)生改變。Anti－Stokes與Stokes的強度之比和溫度之間的關(guān)系可用下式表示：

式中：las為 Anti－Stokes光強；ls為Stokes光強；a為溫度相關(guān)系數(shù)，它是與Stokes光和Anti－Stokes光的波長有關(guān)的一個常量；h為普朗克系數(shù)；c為真空中的光速；v為拉曼平移量；k為鮑爾次曼常數(shù)；T為絕對溫度值。

從式（2）可以看出，Anti－Stokes與Stokes的強度之比僅與溫度T有關(guān)，而與光強、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關(guān)。因此，根據(jù)檢測到的反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光強之比值可以實現(xiàn)溫度的測量。即：

值得注意的是，光纖測溫測量的是Raman反射光中Anti－Stokes與Stokes兩種成分之比，與它們各自的絕對值沒有關(guān)系，即使光纖老化，沿程的光損失變大，仍不會對測溫精度產(chǎn)生影響。

1.2 灌注樁樁身溫度分布與其完整性間的關(guān)系

正常情況下，硅酸鹽水泥水化放熱分為水解、初凝、水化反應(yīng)加速、水化物緩慢形成、穩(wěn)定期5個階段，而鉆孔灌注樁由于現(xiàn)場地質(zhì)情況復(fù)雜，容易形成縮徑、孔洞、夾泥、離析、沉渣過厚、斷樁等缺陷，對樁身混凝土的水化過程產(chǎn)生影響。溫度在0～100℃之間時，正?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)約為1.28W／（mK），卵石、黃砂、砂土的導(dǎo)熱系數(shù)也各不相同。顯然，缺陷體的密度、材質(zhì)等與正?；炷劣泻艽蟛煌?，熱傳導(dǎo)能力偏低，不管何種樁身缺陷，同正常情況下混凝土相比，在水解、凝結(jié)、硬化過程中，樁身釋放的熱量普遍偏少，由于樁身溫度變化不均勻，樁身夾泥等缺陷，甚至沒有熱量釋放出來。高飛等指出：通過對大直徑灌注樁混凝土澆注時所產(chǎn)生水化熱的精確測量，可以實現(xiàn)對樁身完整性檢測的目的，一定程度上彌補現(xiàn)有檢測技術(shù)的不足與缺陷［4］，并提出了基于混凝土水化熱的大直徑灌注樁樁身完整性檢測新技術(shù)［1］，其研究成果表明：灌注樁缺陷體對熱量的傳導(dǎo)能力普遍較差，可以通過精確測量大直徑灌注樁混凝土水化熱而產(chǎn)生的溫度梯度來判定樁身完整性，并通過現(xiàn)場試驗驗證了該技術(shù)的可行性。因此，如果能精確測量出灌注樁混凝土硬化過程中因水化熱而導(dǎo)致的樁身溫度分布情況，就能對樁身結(jié)構(gòu)完整性進行評價。

基于分布式光纖測溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測方法的原理是：采用DTS，借助埋設(shè)在灌注樁中的分布式光纖測量樁身不同時刻的溫度分布情況，得到整個灌注樁在不同時刻的溫度場，由于溫度場和材料的熱力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，熱力學(xué)參數(shù)可反映材料成分等性質(zhì)，于是通過反演溫度場，便可得知灌注樁不同部位的材料和結(jié)構(gòu)特性，即樁身的完整性。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試樁概況

現(xiàn)場試驗所選試樁是武漢某測繪院大樓的鉆孔灌注樁，采用泥漿護壁沖擊鉆法進行成孔。試樁各參數(shù)見表1。鋼筋籠總長度52m，分6段先后進行吊裝，段與段之間的焊接在吊裝過程中完成。

表1 試樁概況

2.2 分布式光纖的鋪設(shè)

經(jīng)與施工人員的溝通協(xié)調(diào)，在鋼筋籠吊裝的過程中進行分布式光纖的鋪設(shè)（圖1）。光纖既是傳輸媒介，也是傳感媒體，它的成功鋪設(shè)對樁體溫度監(jiān)測起關(guān)鍵作用，必須保證光纖暢通無斷點。

圖1 光纖鋪設(shè)示意圖

為提高測溫精度并抵抗外界干擾、減小損傷，傳感光纖選用金屬鎧裝線性光纖。將鎧裝光纖沿著鋼筋籠對稱的1＃和7＃兩根主筋進行鋪設(shè)，鋪設(shè)過程中盡量使光纖保持挺直，每隔50cm左右綁扎一次，綁扎與下籠同時進行，形成U型回路，兩端接上尾纖后，可用DTS進行雙通道測量，起到對比作用。根據(jù)場地實際情況，傳感光纖在樁頂每端預(yù)留約15 m，方便尾纖接入和現(xiàn)場測量。鋪設(shè)過程中要特別注意以下3點：1）鎧裝光纖應(yīng)沿著主筋的側(cè)邊進行鋪設(shè)，避免混凝土在澆注時直接沖撞光纖；2）U型回路底部，也就是鋼筋籠最底處，應(yīng)沿鋪設(shè)光纖的主筋和底部加強筋焊兩根弧形鋼筋，使傳感光纖在回路底部平滑過渡；3）施工現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜，尾纖頭部及尾纖與鎧裝光纖的熔接處需進行保護（圖2）。

圖2 現(xiàn)場測試圖

2.3 現(xiàn)場測試及數(shù)據(jù)處理

試樁澆筑混凝土的時間是7月6號凌晨2點到7點，在樁身混凝土澆注完畢后，將樁頂預(yù)留的傳感光纖與尾纖熔接，用金屬波紋管保護好接頭，然后把DTS搬進現(xiàn)場，接入尾纖，測量樁身混凝土中光纖的溫度，如圖2所示。總共進行了五次測量，分別在7月7號下午5點20分、7號晚上9點30分、8號上午9點17分、10號下午5點12分、14號下午6點。

DTS記錄數(shù)據(jù)的周期設(shè)置為1min，每次測量持續(xù)時間為5min，獲得5組數(shù)據(jù)。由于灌注樁樁身材料的級配、顆粒大小以及樁體所處環(huán)境等的不同，測得的5組數(shù)據(jù)有一定程度的波動性，因此，用平均法對數(shù)據(jù)進行修勻，消除或減輕偶然因素的影響，盡可能真實地反映樁身溫度，即對一次測量的5組數(shù)據(jù)求算術(shù)平均數(shù)，把求得的平均值作為該次測量的溫度實測值。測量的同時，對尾纖或樁頂預(yù)留的傳感光纖進行局部加熱，便于在分析數(shù)據(jù)時對傳感光纖進行定位，也就是將DTS上顯示的橫坐標(biāo)（光纖長度）與灌注樁高程對應(yīng)起來。通過平均法把不規(guī)則的溫度變動修勻，減小了數(shù)據(jù)因偶然因素影響而產(chǎn)生的波動性，再結(jié)合光纖在樁體中的定位情況，即可得出樁身溫度的分布曲線，然后根據(jù)溫度分布曲線的特征分析灌注樁的完整性。

2.4 測試結(jié)果分析

以樁體頂部高程為零點，深度為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)，建立每次測量時兩對稱主筋附近樁身溫度與樁體深度的曲線關(guān)系（圖3、圖4）。

圖3 1＃主筋附近樁身溫度分布曲線

圖4 7＃主筋附近樁身溫度分布曲線

因樁底溫度過大，圖3、圖4沒有將樁底溫度情況體現(xiàn)出來，須作特別說明。樁底在每次測量時的溫度均超過50℃，前三次測量的樁底溫度甚至超過70℃，而除樁底外，樁身其他部分溫度大多在20～40℃之間。顯然，這種差異是由于灌注樁在澆筑過程中，混凝土中的水泥因重力作用沉積在樁底，并發(fā)生劇烈的水化反應(yīng)，從而導(dǎo)致樁底溫度大大超出樁體其他部分的溫度。這種差異表明樁底上部混凝土存在一定程度的離析。

通過對不同時間測量的溫度曲線進行比較，可以看出，第一次測量的樁身整體溫度最高，其它測量的溫度都比第一次測量?。?2h樁身溫度大約為36℃，50h樁身溫度大約為31℃，106h樁身溫度大約為33℃，203h樁身溫度大約為23℃。且隨著測量時間的推移，樁身溫度變化越來越小，慢慢趨于穩(wěn)定，由于混凝土澆筑后會產(chǎn)生大量水化熱，所以最先測量時樁身溫度最高，慢慢的隨著熱量的傳導(dǎo)，樁身溫度漸漸降低，最后達(dá)到與環(huán)境溫度相同。

比較同一時間測量所得的樁身溫度分布曲線，發(fā)現(xiàn)1＃和7＃主筋附近的樁身溫度基本相同，且溫度曲線的變化趨勢基本一致，這表明樁身在同一深度處的材質(zhì)和混凝土密實度基本相同，也就是樁體在同一深度處完整性基本相同；比較不同時間的樁身溫度分布曲線，可以直觀地看到，第一次測量時樁身整體溫度最高，隨后每次測量時樁身整體溫度依次變小，且五次測量的樁身溫度分布曲線變化趨勢一致，說明灌注樁澆筑后，隨著時間推移，樁身混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的熱量逐漸變少，從而表明樁身不存在夾泥、縮頸兩種缺陷。

分析變化趨勢一致的五條樁身溫度分布曲線，發(fā)現(xiàn)5～35m段曲線較平緩，而樁頂至5m段、35 m至樁底段，曲線存在明顯的波動，且樁頂至5m段樁身溫度偏大，35m至樁底段樁身溫度偏小，35 m至樁底段的溫度波動在后兩次測量中更加明顯。說明5～35m段樁身混凝土比較均勻，完整性最好；而其余兩段水化熱不正常：樁頂至5m段，可能是由于作為樁體向空氣中散熱的通道而溫度較高，與其完整性無關(guān)；35m至樁底段，樁身結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)有波動，因混凝土在澆注時有泥漿混入導(dǎo)致樁身存在夾泥缺陷；且35m深附近作為溫度曲線變化趨勢的明顯分界點，可能存在二次澆注面。

3 結(jié)論

通過本文研究，得出以下結(jié)論。1）DTS能夠?qū)饫w沿線的溫度場進行實時測量，并對溫度拾取點精確定位，可以使用DTS，借助預(yù)埋在灌注樁中的傳感光纖測量灌注樁不同時刻的溫度分布情況，且能實現(xiàn)在線長期實時監(jiān)測的目的。2）與正常混凝土相比，灌注樁缺陷段的密度、材質(zhì)等有很大不同，熱傳導(dǎo)能力偏低，在水解、凝結(jié)、硬化過程中釋放的熱量普遍偏少，樁身溫度變化不均勻。分布式光纖能精確測量出灌注樁混凝土硬化過程中因水化熱而導(dǎo)致的樁身溫度分布情況，進而評價樁身結(jié)構(gòu)完整性。3）鎧裝光纖的成功鋪設(shè)對測試起關(guān)鍵作用，本文現(xiàn)場試驗中采取的光纖鋪設(shè)方案是可行的。4）對DTS一次測量的多組數(shù)據(jù)取平均值作為該次測量的樁身溫度實測值，可以減輕樁體周邊環(huán)境、樁身材料級配等偶然因素的影響。5）從現(xiàn)場試驗結(jié)果來看，樁頂至35m段樁身混凝土比較均勻，完整性最好，35m至樁底段樁身混凝土在硬化時產(chǎn)生離析，但五次測量的樁身溫度分布曲線變化趨勢一致，整體溫度突變不大，說明樁身沒有較嚴(yán)重的缺陷，整個樁的完整性符合工程要求。6）分布式光纖測溫技術(shù)為灌注樁完整性檢測提供了一個新的思路，但本文所得結(jié)論只能作為定性判斷，如需定量檢測，還要開展大量的模型與現(xiàn)場試驗。

［1］ 高 飛.基于混凝土水化熱的大直徑灌注樁完整性檢測新技術(shù)［J］.巖土工程學(xué)報，2011（增刊），33（02）：278－281.

［2］ 樸春德，施 斌，魏廣慶，等.分布式光纖傳感技術(shù)在鉆孔灌注樁檢測中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30（07）：976－981.

［3］ 唐 堅.傳感光纖技術(shù)在鉆孔灌注樁應(yīng)力測試中的應(yīng)用［J］.建筑施工，2010，32（09）：930－932.

［4］ 陳建榮，高 飛.現(xiàn)代樁基工程試驗與檢測—新技術(shù)·新方法·新設(shè)備［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2011.

［5］ 蔡德所，戴會超，蔡順德，等.分布式光纖監(jiān)測三峽大壩混凝土溫度場試驗研究［J］.水利學(xué)報，2003（05）：88－91.