夾泥灌注樁的光纖傳感檢測(cè)模型試驗(yàn)

范　萌，雷文凱，肖衡林，劉永莉

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢　430068；2.廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門　361000； 3.賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州　542899)

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夾泥灌注樁的光纖傳感檢測(cè)模型試驗(yàn)

范萌1,2，雷文凱3，肖衡林1，劉永莉1

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，武漢430068；2.廈門市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門361000； 3.賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州542899)

摘要：為了進(jìn)一步提高灌注樁基檢測(cè)水平，介紹基于分布式光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)原理并設(shè)計(jì)相關(guān)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，制作含泥量分別為0, 33.3%, 50%, 66.7%, 100%的5種夾泥樁，對(duì)不同夾泥樁的光纖溫升進(jìn)行測(cè)量，分析不同夾泥樁中光纖溫升規(guī)律，研究加熱功率大小對(duì)光纖溫升的影響及含泥量對(duì)光纖溫升的影響。分析結(jié)果表明：溫升與加熱功率具有良好的線性關(guān)系；光纖溫升隨含泥量增加而增加,呈現(xiàn)先緩后快的增加規(guī)律；光纖溫升與其所處樁身介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān);該模型試驗(yàn)驗(yàn)證了分布式光纖傳感技術(shù)用于夾泥灌注樁完整性檢測(cè)的可行性，也可為基于該技術(shù)樁基檢測(cè)的理論完善提供參考。

關(guān)鍵詞：光纖傳感技術(shù)；樁基檢測(cè)；夾泥樁；溫升; 灌注樁

1研究背景

在建筑工程中，灌注樁因其施工簡(jiǎn)單、承載力高、樁徑大等優(yōu)點(diǎn)在工程中被大量采用。然而樁基工程屬于地下隱蔽工程，施工工序較多，且主要工序都在水下或地下進(jìn)行，不便監(jiān)視，不可避免地出現(xiàn)如斷樁、縮頸、離析、樁身夾泥等各種質(zhì)量缺陷，影響樁身完整性與單樁承載力。而且樁基一旦發(fā)生事故，加固處理難度較大。因此，樁基檢測(cè)技術(shù)成為樁基工程中的一個(gè)重要問(wèn)題[1-2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)樁基檢測(cè)方法主要包括低應(yīng)變法、超聲波透射法、高應(yīng)變法、靜載試驗(yàn)等，這些方法與技術(shù)為確保樁基質(zhì)量與保障上部結(jié)構(gòu)做出了巨大貢獻(xiàn)，但仍然存在設(shè)備笨重、效率低、費(fèi)用高，不能自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)等局限性[3]。目前樁基檢測(cè)的方法與技術(shù)正逐步從傳統(tǒng)方法向自動(dòng)化、高精度的檢測(cè)方法過(guò)渡，其中分布式光纖傳感技術(shù)，無(wú)需其它外置傳感器件，而以普通光纖為傳感和傳輸介質(zhì)，且光纖材質(zhì)纖細(xì)柔韌，很容易植入到構(gòu)件體內(nèi)或外表，與所監(jiān)測(cè)的構(gòu)件變形協(xié)調(diào)一致，因此在眾多成型工程構(gòu)件監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用[4]。

自1989年美國(guó)首次將光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行安全檢測(cè)以來(lái)，一些學(xué)者開(kāi)始將該技術(shù)應(yīng)用于土木、水利結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中[5]，我國(guó)在引進(jìn)與吸收國(guó)外先進(jìn)儀器與技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型光纖檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)，并在土木與水電等工程領(lǐng)域取得了豐富的研究成果：江宏[6]在國(guó)內(nèi)首次將PPP-BOTDA技術(shù)應(yīng)用于測(cè)量管樁樁身應(yīng)變；樸春德等[7]將BOTDR技術(shù)用于檢測(cè)鉆孔灌注樁試樁中樁身軸力分布、側(cè)摩阻力分布及樁端阻力等；宋建學(xué)等[8]分別采用BOTDR和振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)2種方案對(duì)7根試樁進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)。但是，利用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)灌注樁基質(zhì)量檢測(cè)的研究還處于初始階段，要想通過(guò)該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌注樁基質(zhì)量的定性定量檢測(cè)，還需要在理論和試驗(yàn)上進(jìn)行大量的研究和積累。本文設(shè)計(jì)了不同含泥量的夾泥樁模型試驗(yàn)，采用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)夾泥樁進(jìn)行檢測(cè)，分析光纖溫升與加熱功率及含泥量的關(guān)系，為基于分布式光纖溫度傳感技術(shù)的樁基檢測(cè)奠定理論基礎(chǔ)。

2檢測(cè)原理

測(cè)溫采用Sentinel DTS，它是目前市場(chǎng)上先進(jìn)的分布式溫度測(cè)量?jī)x，由激光組件、光線波分復(fù)用器、光電接受與放大組件、信號(hào)處理系統(tǒng)、光纖和光纖繞組溫度傳感器等組成[9]，可沿光纖對(duì)溫度進(jìn)行分布式測(cè)量，其距離可達(dá)到25 km。在取樣間隔為0.5 m的情況下，溫度分辨率可達(dá)到0.05 ℃，能提供真實(shí)的可變溫度的測(cè)試。其工作原理為：DTS激光發(fā)射裝置向光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光在光纖中以略低于真空中光速的速度向前傳播，并發(fā)生非彈性散射，散射光中的一部分沿光纖返回到入射端，返回入射端的拉曼散射光含有Stokes光和Anti-Stokes光2種成份。其中Stokes光與溫度無(wú)關(guān)，而 Anti-Stokes光的強(qiáng)度隨溫度變化而發(fā)生改變。且Anti-Stokes與Stokes的強(qiáng)度之比僅與溫度T有關(guān)，但與光強(qiáng)、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無(wú)關(guān)。因此，根據(jù)測(cè)出的Anti-Stokes及Stokes后向拉曼散射光強(qiáng)之比值可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量[10]。

采用交流電對(duì)光纖進(jìn)行加熱，通過(guò)調(diào)壓儀調(diào)節(jié)加熱功率。對(duì)光纖加熱的目的是放大信號(hào)，有時(shí)缺陷處的溫差不明顯，不容易區(qū)分，信號(hào)放大之后，差值會(huì)放大。在該試驗(yàn)中，加熱設(shè)備采用型號(hào)為TDGC2-5的調(diào)壓儀，輸入電壓220 V，輸出電壓0～250 V，頻率50 Hz，能滿足不同功率的需要。

基于分布式傳感技術(shù)的灌注樁基檢測(cè)原理為：通過(guò)在樁身埋設(shè)傳感光纖，使得傳感光纖與樁身溫度一致，由DTS監(jiān)測(cè)預(yù)埋在灌注樁中的傳感光纖在不同時(shí)刻的溫度；利用調(diào)壓儀對(duì)灌注樁中光纖的保護(hù)層金屬鎧加熱，由于光纖溫度的增加與環(huán)境的熱能以及傳導(dǎo)介質(zhì)直接相關(guān)，如有缺陷發(fā)生，則缺陷處的溫度分布會(huì)不同于正常處，因此加熱過(guò)程中可以明顯看到缺陷區(qū)的光纖溫度分布異常，從而可對(duì)缺陷進(jìn)行判斷。

3模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1模型樁制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)5組模型樁，樁高600 mm，直徑800 mm。其中①號(hào)樁為混凝土樁，采用C30混凝土填灌，作為標(biāo)準(zhǔn)樁。②，③，④號(hào)樁均為夾泥樁，由混凝土與黏土混合均勻填灌，質(zhì)量比分別為2∶1，1∶1，1∶2。以樁身黏土質(zhì)量與整體質(zhì)量之比為樁身含泥量，則3根樁的含泥量分別為33.3%，50%， 66.7%。⑤號(hào)樁為黏土樁，采用黏土填灌，即含泥量為100%。①—④號(hào)樁采用C30混凝土，其質(zhì)量配合比中，水∶水泥∶砂∶石=0.38∶1∶1.11∶2.72，所用黏土為淺層地基開(kāi)挖土，經(jīng)過(guò)曬干、碾碎、篩分、除渣等處理，在拌制過(guò)程中加入大量水使其呈飽和狀態(tài)。樁內(nèi)安置鋼筋籠，鋼筋保護(hù)層厚度為50 mm。

3.2光纖布設(shè)

在灌注樁中，傳感光纖既是傳感元件又是傳輸介質(zhì)，它鋪設(shè)的好壞直接決定能否順利開(kāi)展樁基檢測(cè)。在本文的模擬試驗(yàn)中，為提高樁身光纖的布置長(zhǎng)度與光纖傳感器的分辨率，將光纖以單螺旋線形狀由下至上纏繞在鋼筋籠上，并用扎絲固定，每圈間距為0.1 m，如圖1所示。

圖1　光纖在樁身的布設(shè)位置示意圖

將埋設(shè)好的光纖分別接入DTS測(cè)溫儀的2個(gè)端口，檢測(cè)其通暢性后開(kāi)始進(jìn)行混凝土的澆筑。澆筑完成后的模型樁如圖2所示。

圖2　已完成澆筑的模型樁

通過(guò)對(duì)空氣中光纖指定點(diǎn)進(jìn)行多次加熱，確定埋設(shè)于模型樁內(nèi)光纖的空間測(cè)量點(diǎn)的具體位置，經(jīng)定位可知：17 ～ 30 m測(cè)量點(diǎn)處于⑤號(hào)樁、36 ～ 49 m測(cè)量點(diǎn)處于④號(hào)樁、55 ～ 68 m測(cè)量點(diǎn)處于③號(hào)樁、74 ～ 87 m測(cè)量點(diǎn)處于②號(hào)樁、93 ～106 m測(cè)量點(diǎn)處于①號(hào)樁中。

4加熱功率范圍及加熱時(shí)間的確定

為了確定合適的加熱功率范圍，首先進(jìn)行了預(yù)試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用的最低加熱功率為1 W/m，以1 W/m遞增，最高達(dá)到9 W/m。得到不同功率下5個(gè)樁中光纖溫升情況。通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不同功率下光纖溫升有明顯規(guī)律。以①號(hào)樁為例，?、偬?hào)樁中各測(cè)量點(diǎn)在不同功率下的溫升平均值，建立樁中光纖溫升與加熱時(shí)間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3?、偬?hào)樁中光纖溫升與加熱時(shí)間關(guān)系曲線

從圖中可以看出，不論加熱功率大小，光纖的溫升變化趨勢(shì)基本一致，在初始階段光纖溫度增加迅速，之后光纖溫度增加減緩，表現(xiàn)為穩(wěn)中有升，最后在波動(dòng)中保持穩(wěn)定。可以發(fā)現(xiàn)920 s左右各種功率下的光纖溫升均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以可將加熱時(shí)間設(shè)置為略大于920 s，本次試驗(yàn)設(shè)定加熱時(shí)間為1 200 s。

理論上，加熱功率越大，光纖溫升越明顯。但加熱功率增大，對(duì)調(diào)壓儀的要求很高，且耗電量大，安全性降低，勢(shì)必影響試驗(yàn)；由圖3可知，在1 ～ 9 W/m加熱功率下光纖溫升在穩(wěn)定狀態(tài)下分別為0.3，1.1，1.6，2.0，2.7，3.1，3.5，3.7，4.3 K，在1 W/m加熱功率時(shí)，溫升太小，信號(hào)放大不夠，易引起誤差；功率太大，能耗太高，也不安全，因此試驗(yàn)選取2，4，6，8 W/m作為加熱功率值。

5試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1光纖溫升規(guī)律

由圖3可知，加熱功率越大光纖溫升越顯著，以加熱1 200 s時(shí)為例，測(cè)得溫升變化如圖4所示。

圖4　加熱1 200 s時(shí)各樁光纖溫升

結(jié)合圖3和圖4可以看出：

(1) 在不同加熱功率下，各模型樁中光纖溫升變化趨勢(shì)相似，即在初始階段光纖溫升增加迅速，之后在熱量平衡作用下溫度增加減緩，最后在波動(dòng)中逐漸達(dá)到穩(wěn)定。

(2) 在不同加熱功率下，各模型樁中監(jiān)測(cè)點(diǎn)在加熱后，溫升迅速增加所持續(xù)的時(shí)間不同，在小功率下光纖溫升表現(xiàn)不明顯，而隨著加熱功率的增加，溫升增加持續(xù)的時(shí)間變長(zhǎng)。

(3) 在較低加熱功率下，溫升曲線穩(wěn)定段有一定波動(dòng)，如4 W/m以下的加熱功率曲線。隨著加熱功率的增加，波動(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱，在6 W/m以上的加熱功率的曲線波動(dòng)現(xiàn)象基本消失。

(4) 在每種加熱功率下，空氣段溫升都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各模型樁內(nèi)溫升，且隨著加熱功率增加，差值越來(lái)越大。

5.2加熱功率對(duì)光纖溫升影響

為清晰反映加熱功率對(duì)光纖溫升的影響，選取各模型樁中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同加熱功率下的穩(wěn)定溫升進(jìn)行分析。由圖3知各溫度測(cè)量點(diǎn)的溫升在920 s后基本達(dá)到穩(wěn)定，選取960 ～1 200 s的溫升進(jìn)行分析，將960，1 000，1 040，1 080，1 120，1 160，1 200 s的溫升平均值作為最后的穩(wěn)定溫升。同時(shí)去除各模型樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)中兩端的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，以減小邊界效應(yīng)的影響。不同功率下光纖穩(wěn)定溫升如圖5所示。

圖5　光纖溫升與加熱功率關(guān)系曲線

由圖5中各模型樁在不同加熱功率下的穩(wěn)定溫升值可知：在含泥量一定情況下，隨著加熱功率的增加，光纖溫升值隨之增大，即溫升是功率的單調(diào)遞增函數(shù)。采用過(guò)原點(diǎn)的線性函數(shù)對(duì)各含泥量情況下溫升與加熱功率關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，并定義擬合表達(dá)式為

(1)

式中：ΔT為溫升(K)；I為加熱功率(W/m)；k為斜率。

由擬合結(jié)果知，5個(gè)模型樁的擬合曲線決定系數(shù)R2均大于0.978 3，因此可認(rèn)為光纖溫升值與加熱功率之間存在良好的線性關(guān)系。不同含泥量情況下，溫升與加熱功率之間的關(guān)系為：

含泥量為0時(shí)，ΔT=0.478 9I;

含泥量為33.3%時(shí)，ΔT=0.578 4I;

含泥量為50.0%時(shí)，ΔT=0.616 5I;

含泥量為66.7%時(shí)，ΔT=0.670 4I;

含泥量為100 %時(shí)，ΔT=0.987 4I。

5.3含泥量對(duì)光纖溫升影響

由各模型樁的穩(wěn)定溫升值，還可以得到不同加熱功率下光纖溫升與含泥量關(guān)系曲線，如圖6所示。

由圖6可知：

圖6 光纖溫升與含泥量關(guān)系曲線Fig.6 Relationshipbetweenopticalfibertemperatureriseandclaycontent

(1) 在一定加熱功率條件下，溫升大小隨著含泥量增加而增加，其中含泥量為100%的黏土樁穩(wěn)定溫升明顯大于含泥量為0的混凝土樁。在加熱功率分別為2，4，6，8 W /m時(shí)，⑤號(hào)樁較①號(hào)樁穩(wěn)定溫升差值分別為0.9，2.1，3.2，3.8 K。

(2) 在一定加熱功率條件下，光纖溫升可分為2段：含泥量為0～60%時(shí)，溫升與含泥量呈現(xiàn)平緩的線性關(guān)系；當(dāng)含泥量超過(guò)60%時(shí)，溫升與含泥量呈現(xiàn)快速上升的線性關(guān)系。

由于各模型樁尺寸以及所處環(huán)境基本相同，且在制作過(guò)程中，材料混合均勻、振搗充分，樁身密實(shí)性較好，但在相同加熱功率下，各樁溫升情況有很大差異，表明光纖溫升與其所處樁身介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)。夾泥導(dǎo)致了各樁溫升的異常，由于黏土的導(dǎo)熱系數(shù)較小，黏土帶走光纖熱量小于混凝土帶走的熱量，因此在加熱過(guò)程中，表現(xiàn)為黏土樁光纖溫升高于混凝土樁，且隨著含泥量的增加光纖溫升亦增加，因此可通過(guò)溫度的差異來(lái)判斷樁體的缺陷位置。

6結(jié)論

(1) 通過(guò)制作不同含泥量的夾泥樁進(jìn)行模型試驗(yàn)，確定出合理的加熱功率和加熱時(shí)間，驗(yàn)證了分布式光纖傳感技術(shù)用于夾泥灌注樁完整性檢測(cè)的可行性，該技術(shù)可為樁基檢測(cè)提供新的手段。

(2) 光纖溫升隨著加熱功率的增加而增加，兩者之間具有良好的線性關(guān)系。

(3) 光纖溫升隨著含泥量的增加而增加，以含泥量60%為分界點(diǎn)，呈現(xiàn)先緩后快的增加規(guī)律。

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(編輯：占學(xué)軍)

收稿日期：2015-01-27; 修回日期: 2015-03-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578219)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-11-0962);湖北省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2012FFB00606);湖北省橋梁安全監(jiān)控技術(shù)及裝備工程技術(shù)研究中心開(kāi)放基金項(xiàng)目(QLZX2014003);湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才項(xiàng)目(BSQD12054)

作者簡(jiǎn)介：范萌(1990-)，女，湖北松滋人，碩士，主要從事光纖傳感研究，(電話)13554005831(電子信箱)805212039@qq.com。 通訊作者：肖衡林(1977-)，男，湖南衡陽(yáng)人，教授，博士，主要從事光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)及環(huán)境巖土工程方面的教學(xué)與研究，(電話)18971670600(電子信箱)xiao-henglin@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150095

中圖分類號(hào)：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)04-0095-04

Model Test of Mud-Intercalated Bored Pile Detection Based onOptical Fiber Sensing Technology

FAN Meng1,2, LEI Wen-kai3, XIAO Heng-ling1, LIU Yong-li1

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan430068, China;2.Xiamen Municipal Engineering Design Institute Co.， Ltd., Xiamen361000, China;3.School of Construction Engineering, Hezhou University, Hezhou542899, China)

Abstract:The principle of bored pile detection based on distributed optical fiber sensing technology is introduced in this paper and model test is carried out. Mud-intercalated bored piles with different clay contents (0, 33.3%, 50%, 66.7%, 100%) are prepared, and the optical fiber temperature rise in these piles are measured to analyze

the rule of the temperature rise as well as the influences of heating power and clay content on optical fiber temperature rise. The results reveal a good linear relationship between heating power and optical fiber temperature rise. The temperature rise increases slowly firstly and then rapidly with the increment of clay content. It is also closely related with the structure and heat conductivity coefficient of pile medium. The model test in this paper verifies the feasibility of distributed optical fiber sensing technology in the detection of bored pile foundation.

Key words:optical fiber sensing technology; pile foundation detection; mud-intercalated pile; temperature rise; bored pile

2016,33(04):95-98,104