分布式光纖傳感技術在樁基檢測中的應用

尹海松

（中建二局第一建筑工程有限公司）

1 引言

分布式光纖傳感技術具有突出優(yōu)點，在樁基工程檢測中體現(xiàn)出良好的適應性，能夠滿足多方面需求，為分析研究樁土作用規(guī)律提供了新的技術手段?，F(xiàn)階段，該技術的應用推廣效果一般，需要加強相關人員的技術理解，不斷規(guī)范檢測過程和相關標準，明確操作技術要點，從而推動光纖傳感技術在樁基檢測中快速發(fā)展。

2 分布式光纖傳感技術在樁基檢測中的應用發(fā)展與應用原理

2.1 分布式光纖傳感技術在樁基檢測中的應用發(fā)展

樁基檢測一般是對單樁的承載力和樁身的完整性進行檢測，對整個樁基工程實施效果進行評定，常用的樁基檢測方法有靜載荷試驗法、鉆樁取芯試驗法、高應變檢測法、低應變檢測法、聲波透射法等等，每種方法都有一定的檢測目的和優(yōu)缺點，需要根據(jù)實際需求結合運用，這些方法更多的是運用在樁基完整性檢測上，缺乏樁基內力檢測，而且傳統(tǒng)點式傳感器存在一定的缺陷，無法滿足精確性和分布式的要求。分布式光纖傳感技術具有分布式、長距離、抗干擾、耐久性強、易植入、協(xié)調性好等優(yōu)點，能夠更好地滿足樁基檢測的需求，通過在樁體內植入感測光纜，能夠實現(xiàn)樁身變形應變分布式測量，獲得樁體的變形規(guī)律和樁土相互作用規(guī)律?，F(xiàn)階段，在樁基檢測中應用廣泛的是基于布里淵散射原理的分布式光纖感測技術，經(jīng)過一定時間的發(fā)展，該技術得到了良好的試驗結果和實踐論證。

2.2 分布式光纖傳感技術在樁基檢測中的應用原理

運用基于布里淵散射原理的分布式光纖感測技術，需要將感測光纜植入到樁體內部或者貼在樁體表面，一同貫入地基土體內部，達到二者協(xié)調一致變形的目的。在進行樁基靜載荷試驗時，感測光纜和樁體會產(chǎn)生耦合變形，通過光纖應變測試儀，可以檢測到感測光纜的應變分布，實現(xiàn)樁體的應變解調，利用相關理論，建立數(shù)學模型，計算出樁身軸力、端阻力、彎矩、側摩阻力等相關數(shù)據(jù)，估算出樁體水平承載力、抗壓、抗拔，從而進行全面的質量評價。在檢測前，首先要進行樁身初值測試，試驗過程采用慢速維持荷載法，在每一級荷載下沉量達到穩(wěn)定標準后，再加下一級荷載，直到試驗結束，用每級荷載下測得的變形數(shù)據(jù)減去初始數(shù)據(jù)就是樁基的變形值[1]。

3 樁基檢測中分布式光纖傳感技術應用要點

3.1 檢測解調儀器

BOTDR、BOTDA、BOFDA是基于布里淵散射原理的三種分布式光纖感測技術，可以共同用感測光纜作為樁基內力檢測傳感器，然后分別采用專用的解調儀器進行應變解調，這三種分布式光纖感測技術具有不同的特點，其中，BOTDR具有長距離、大范圍、單端檢測的特點，但是測量精度相對不高；BOTDA則具有良好的測量精度，但是需要雙端檢測，這樣會增加操作風險，不利于實際工程應用；BOFDA具有空間定位準確、測量精度高、信噪比高、空間分辨率高、動態(tài)測試范圍大等優(yōu)點，但是單次測量所需要的時間比較長，信息反饋速度比較慢，在高頻變化信息測量上效果不佳，而且光衰減現(xiàn)象嚴重，容易產(chǎn)生結果不穩(wěn)定的問題。在實際的樁基檢測過程中，需要根據(jù)三種技術特點合理選擇，保證其適用性，隨著技術的不斷成熟，可選擇的光纖解調設備類型越來越多，技術參數(shù)和性能指標差異比較大，需要本著經(jīng)濟適用的原則進行分析取舍。

3.2 感測光纜

感測光纜的植入是樁基分布式光纖檢測的核心工作，必須保證感測光纜的布設效果，這是測試能否成功的關鍵所在。樁基檢測中使用的感測光纜是以裸纖為傳感元件，通過特定工藝封裝而成，樁基種類不同，施工工藝不同，所選擇的感測光纜也不同，在選擇時，需要從經(jīng)濟、技術等角度出發(fā)，保證其適用性。感測光纜的布設需要遵循一定的原則，首先，要明確布設方向，根據(jù)樁體變形規(guī)律和特點，保證感測光纜與樁體最大的變形協(xié)同，其次，要確保變形一致性，合理選擇固定方式，保證樁基變形與感測光纜協(xié)調一致，最后，提高感測光纜傳感性能的穩(wěn)定性，保證檢測工作順利開展，本文針對幾種常見樁基類型展開探討，分析其具體的感測光纜選擇和布設工藝[2]。

3.2.1 灌注樁感測光纜選擇和布設

3.2.1.1 感測光纜選擇

應用分布式光纖傳感技術進行灌注樁質量檢測時，通常選擇900微米光纜、鋼絞線光纜、GFRP光纜作為感測光纜。其中，900μm光纜需要貼到被測結構的表面，隨著鋼筋籠一起澆筑成型，通常采用全面粘貼的植入方式，這種光纜現(xiàn)場安裝方便，應變測試敏感度高，由于纖芯微小，存在斷裂風險，因此需要采取加強保護措施。鋼絞線光纜和GFRP光纜是通過綁扎的方式進行固定的，在鋼筋籠澆筑成型后，植入樁體內部，鋼絞線光纜是金屬基索狀結構，帶有高強度金屬加強件，能夠有效提升感測光纜抗拉強度，而且由于表面結構是螺紋狀，能夠與混凝土變形保持更好的一致性，GFRP光纜采用了玻璃纖維作為加強件保護，可以有效應對施工過程中可能產(chǎn)生的破壞，而且整體彈性模量與混凝土相當，具有較好的應變傳遞性能，能夠獲得良好的測試效果。

3.2.1.2 感測光纜布設

根據(jù)灌注樁的施工流程，感測光纜的布設需要依托成型鋼筋籠進行安裝，常用的鋪設方式有定點布設和全面粘貼布設兩種。定點布設適用于鋼絞線光纜和GFRP光纜，選擇兩根對稱主筋作為布設路線，從下而上呈U字型鋪設，定點綁扎間隔距離約為50cm～80cm，首先，將感測光纜固定在第一節(jié)鋼筋籠上，做好底部過彎處理，并將冗余的光纜固定在第一節(jié)鋼筋籠的頭部，同時做好相應的保護，避免受到破壞。其次，鋼筋籠接合完畢后，需要用預留的長繩把底部光纜拉到鋼筋籠頂部，并一段一段下放鋼筋籠，沿著側面將感測光纜綁扎固定好。最后，對感測光纜樁頭處加強保護，防止后期施工作業(yè)和試驗過程造成損壞。全面粘貼布設主要用于900μm光纜，首先要在鋼筋上刻槽，用粘結劑將光纜粘貼牢固，封裝在鋼筋中，然后再一同綁扎在鋼筋籠側壁上，這樣能夠提升感測光纜的成活率[3]。

3.2.2 預制樁感測光纜選擇和布設

3.2.2.1 感測光纜選擇

混凝土預制樁主要包括方樁和管樁兩種，通常情況下，需要在樁體表面切割成槽，然后將感測光纜埋置到槽內，最后用結構膠灌滿固定，一般采用900μm光纜和2mm聚氨酯光纜作為預制樁的感測光纜。其中，前者的應變敏感性更好，所以應用更多。對于預制管樁，也可以將布設有感測光纜的鋼筋架放在中心空洞，然后回填水泥漿，這種方式可以增加管樁的恢復周期，但后期灌入的水泥與管樁本身的變形耦合會產(chǎn)生問題，通常不采用這種方法。

3.2.2.2 感測光纜布設

根據(jù)預制樁的施工特點，常用的感測光纜布設方法包括表面淺埋法和管內植入法。表面淺埋法是在預制樁生產(chǎn)完成后、沉樁前在樁身開槽埋設感測光纜，主要施工流程包括定線、開槽、清槽、埋線鋪設、補鋪、保護，保證感測光纜的鋪設方向能夠與樁身軸向受力方向保持一致，用墨斗劃線定位，然后用切割機沿著標識路線進行切割，切成一道深約5mm的U字形凹槽，做好局部的彎曲過度，防止彎度太小影響光纜測試效果。切割過程中會產(chǎn)生大量的泥水，影響粘貼效果，需要及時進行清洗，并對局部進行修整，避免棱角卡斷光纖。埋線時，需要在底部光纖套入加強鎧裝護套，起到加強保護的作用，使用快干膠定點固定底部光纖，然后沿著凹槽埋入光纜，最后通過膠粘劑粘貼固定，等到鋪設完畢以后，檢查是否存在外露的情況，及時進行補鋪，針對樁頭和樁身連接處，應該通過玻璃絲布和軟管進行保護，這樣能夠防止在打樁和搬運過程中造成破壞。管內植入法主要針對預制管樁感測光纜布設，這種情況既可以使用900μm光纜，也可以使用GFRP光纜和鋼絞線光纜，首先，根據(jù)管樁內徑的大小制作梯型鋼筋架，用來固定感測光纜；然后，對感測光纜進行固定和保護；最后，將封裝好的感測光纜鋼筋架送入管樁內，并進行光纖出線保護，回灌混凝土澆筑[4]。

3.2.3 鋼管樁感測光纜選擇和布設

3.2.3.1 感測光纜選擇

鋼管樁屬于鋼結構體，很難像混凝土預制樁一樣擴槽埋入感測光纜，因此，選擇何種光纜、如何保證成活率一直都是鋼管樁檢測的難點，在不斷實踐的過程中，有一種適用于鋼結構體分布式檢測的銅帶式光纜得以開發(fā)應用。首先，將鋼結構體表面打磨光滑，然后，點焊固定銅帶光纜，最后，進行封裝保護。銅帶式光纜是鋼管樁的專用感測光纜，能夠在施工過程中抵抗不利的外界條件，而且富有彈性，柔韌性強，不容易折斷和攪亂，有利于鋪設施工的快速進行。另外，金屬銅帶多孔鏤空，模量較小，可以與鋼管樁變形保持高度一致，對于一些直徑較小的鋼管樁檢測，也可以通過點焊鋼筋、粘貼光纜的方式實現(xiàn)光纜植入檢測。

3.2.3.2 感測光纜布設

由于鋼管樁和普通光纜表面材質不同，很難實現(xiàn)有效的粘貼固定，在打樁震動作用下，會導致光纜脫落，鋼管樁感測光纜布設方法可根據(jù)直徑進行劃分，通常，直徑大于1.2m的鋼管樁可以安裝銅帶式光纜，小于1.2m的鋼管樁則需要在樁體表面進行點焊輔助。大直徑鋼管樁桿側光纜布設工藝流程包括定線、打磨清理、鋪線點焊、全面粘貼、隔離保護等，在鋼管樁內劃出預設的路線，保證線路筆直，方向與鋼管樁軸向一致，沿著標識打磨出一條寬約三厘米的光滑線路，并進行清洗除塵，使用點焊機將銅帶式光纜分段固定在樁體表面，然后沿著鋪設線路涂刷環(huán)氧樹脂膠，全面進行粘貼固定，在粘結劑發(fā)生顯著作用后，應該在表面做一層隔離保護，防止后續(xù)工作損壞光纜，在鋼管樁底部兩側焊接一段6m以上的槽鋼，這樣能防止樁土間因摩擦力過大導致感測光纜脫落。小直徑鋼管樁感測光纜布設工藝流程包括定線、打磨、鋼筋點焊、鋪設、接樁部位光纜保護、樁頭部位光纖引線保護，需要嚴格按照技術要點進行操作，才能保證最終的布設效果[5]。

4 結語

綜上所述，本文首先介紹了分布式光纖傳感技術在樁基檢測中的發(fā)展與應用原理，然后從檢測調制儀器和感測光纜兩個方面出發(fā)，研究了樁基檢測中分布式光纖傳感技術的應用要點。希望充分認識分布式光纖傳感檢測技術的發(fā)展前景，根據(jù)不同工程特點和樁基類型，選擇合適的儀器設備，提高光纜鋪設效果，保證樁基檢測的全面性和準確性。