范 萌，劉永莉，肖衡林，雷文凱

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430064;2.廈門(mén)市市政工程設(shè)計(jì)院有限公司，福建 廈門(mén)361000;3.賀州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣西 賀州542899)

0 引 言

灌注樁由于其適應(yīng)性強(qiáng)、承載力高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)工程中，但在施工中因受地質(zhì)條件、設(shè)備技術(shù)及施工材料等因素影響，容易出現(xiàn)各種缺陷，給施工質(zhì)量與工期造成嚴(yán)重影響［1］。

斷樁是灌注樁中常見(jiàn)的缺陷形式之一，屬于嚴(yán)重質(zhì)量事故。其產(chǎn)生原因主要有以下幾個(gè)方面:1)導(dǎo)管埋深過(guò)小，會(huì)出現(xiàn)拔脫提漏現(xiàn)象，形成夾層斷樁;2)提升時(shí)連接螺栓拉斷或?qū)Ч芷屏讯a(chǎn)生斷樁;3)卡管;4)坍塌;5)導(dǎo)管漏水、機(jī)械故障和停電等造成施工不能連續(xù)進(jìn)行，或者井中水位突然下降等因素也可能造成斷樁［2］。因此，需認(rèn)真檢查灌注前的準(zhǔn)備工作，對(duì)于誘發(fā)斷樁的各類因素在施工初期清除其隱患。同時(shí)，施工完成后，需要對(duì)樁基進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)補(bǔ)救措施。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于樁基檢測(cè)主要包括超聲波透射法、高應(yīng)變法、靜載試驗(yàn)等，它們?yōu)榇_保樁基質(zhì)量與保障上部結(jié)構(gòu)做出了突出貢獻(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］，因此，需要尋求一種新的測(cè)試手段來(lái)進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測(cè)。分布式光纖測(cè)溫技術(shù)以其高精度、抗干擾、長(zhǎng)距離、能長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)受到了關(guān)注［4］。目前，本文作者所在課題組已對(duì)光纖測(cè)溫技術(shù)在灌注樁檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，如肖衡林設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，以線熱源法為基礎(chǔ)，闡述分布式光纖傳感技術(shù)測(cè)量巖土體導(dǎo)熱系數(shù)方法的基本原理［5］;雷文凱結(jié)合實(shí)際工程分析灌注樁在水化熱過(guò)程中樁身溫度分布與其完整性的關(guān)系［6］。在此前課題組曾利用光纖測(cè)溫技術(shù)研究了不同程度含泥量時(shí)夾泥灌注樁的溫升規(guī)律，本文在此基礎(chǔ)上主要對(duì)光纖測(cè)溫技術(shù)在斷樁檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，通過(guò)斷樁模型試驗(yàn)，采用光纖測(cè)溫技術(shù)對(duì)樁基進(jìn)行定性定量檢測(cè)，為基于光纖測(cè)溫技術(shù)的樁基檢測(cè)研究積累經(jīng)驗(yàn)。

1 檢測(cè)原理

測(cè)溫系統(tǒng)主要由三部分組成:分布式光纖測(cè)溫儀、溫度傳感器及調(diào)壓儀。其中，分布式光纖測(cè)溫儀包括:激光組件、光纖波分復(fù)用器、光電接收放大組件、信號(hào)處理系統(tǒng)、光纖和光纖繞組溫度傳感器［7］。溫度傳感器即光纖，本試驗(yàn)中采用英國(guó)進(jìn)口鎧裝光纖，它在裸纖外層套上了一定尺寸的金屬鎧來(lái)提高溫度傳感的穩(wěn)定性并防止外界硬物對(duì)光纖造成損傷。本試驗(yàn)中采用型號(hào)為T(mén)DGC2—5 的調(diào)壓儀，可以根據(jù)光纖長(zhǎng)度和電阻率大小選擇相應(yīng)量程，滿足不同功率的需要。通過(guò)調(diào)壓儀對(duì)光纖加熱，其目的是放大信號(hào)，有時(shí)缺陷處的溫差不明顯，不容易區(qū)分，通過(guò)信號(hào)放大后差值會(huì)放大。

基于光纖測(cè)溫技術(shù)的斷樁模型試驗(yàn)檢測(cè)原理為:通過(guò)在樁身布設(shè)傳感光纖使得傳感光纖與樁身溫度一致，利用光纖測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)布設(shè)在樁中的傳感光纖在不同時(shí)刻的溫度，同時(shí)采用調(diào)壓儀對(duì)光纖金屬鎧保護(hù)層加熱，由于光纖溫度增加與環(huán)境熱能以及傳導(dǎo)介質(zhì)直接相關(guān)，如果發(fā)生斷樁，則該段溫度分布會(huì)與其他樁段不同，即表現(xiàn)異常，且在加熱過(guò)程中，該異常會(huì)被放大，由此可對(duì)該段進(jìn)行判斷。

2 夾泥斷樁試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 模型樁制作

模型樁高500 mm，直徑400 mm，采用C30 混凝土填灌，在中部100 mm 范圍采用粘土填灌，用以將上下層混凝土分離，模擬斷樁缺陷。其中，C30 混凝土配合比為︰水︰水泥︰砂︰石=0.38︰1︰1.11︰2.72。樁內(nèi)置鋼筋籠，鋼筋保護(hù)層厚度為50 mm。光纖以單螺旋線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。模型樁和光纖布設(shè)如圖1所示。

將布設(shè)好的光纖分別接入測(cè)溫儀的兩個(gè)端口，檢測(cè)其通暢性后開(kāi)始澆筑混凝土。通過(guò)對(duì)空氣中光纖指定點(diǎn)進(jìn)行多次加熱，確定布設(shè)于模型樁內(nèi)光纖空間測(cè)量點(diǎn)的具體位置，經(jīng)定位可知，76 ～82 m 測(cè)點(diǎn)處于模型樁中。

2.2 加熱功率范圍與加熱時(shí)間的確定

圖1 模型示意圖Fig 1 Diagram of model

為了確定合適的加熱功率范圍，首先進(jìn)行了溫度調(diào)試:加熱功率從1 ～9 W/m，以1 W/m 遞增。取模型樁中77 m測(cè)點(diǎn)在不同功率下加熱的溫升數(shù)據(jù)，分析該點(diǎn)處光纖溫升與加熱時(shí)間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 77 m 處光纖溫升與時(shí)間變化曲線Fig 2 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 77 m

由圖2 可以看出:不論加熱功率大小，光纖的溫升曲線明顯分為三個(gè)階段:第一個(gè)階段為快速升溫段，持續(xù)時(shí)間隨著加熱功率的不同而不同，在這個(gè)階段，光纖溫升增加迅速;第二個(gè)階段為穩(wěn)定上升期，該階段光纖溫升增加減緩，表現(xiàn)為穩(wěn)中有升;第三個(gè)階段為穩(wěn)定段，在加熱1 000 s 左右，光纖溫升在波動(dòng)中保持穩(wěn)定。由此，應(yīng)將試驗(yàn)加熱時(shí)間設(shè)置為略大于1 000 s，本試驗(yàn)中設(shè)定加熱時(shí)間為1 200 s。

在第三階段，在穩(wěn)定時(shí)1 W/m 加熱功率下溫升太小，此時(shí)信號(hào)放大不夠，容易引起誤差;理論上，加熱功率越大越好，但加熱功率增大對(duì)調(diào)壓儀要求很高，且耗電量大、安全性降低，勢(shì)必會(huì)影響試驗(yàn)，且每增加1 W/m 功率時(shí)，光纖溫升改變量并不非常明顯，因此，本試驗(yàn)選取3，6，9 W/m作為加熱功率試驗(yàn)值。

3 樁體溫升規(guī)律分析

3.1 光纖溫升規(guī)律

由定位可知，76 ～82 m 測(cè)點(diǎn)處于模型樁中，其中76 ～78 m 測(cè)點(diǎn)處于下部混凝土段，79 m 測(cè)點(diǎn)處于夾泥段，80 ～82 m 測(cè)點(diǎn)處于上部混凝土段。在此，分別取78，79，80 m 測(cè)點(diǎn)作為樁內(nèi)三層材料的代表點(diǎn)進(jìn)行分析。圖3 ～圖5 分別為三個(gè)測(cè)點(diǎn)在不同加熱功率下光纖溫升隨時(shí)間變化曲線。

圖3 78 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升與時(shí)間變化曲線Fig 3 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 78 m

圖4 79 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升與時(shí)間變化曲線Fig 4 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 79 m

圖5 80 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升與時(shí)間變化曲線Fig 5 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 80 m

由圖3 ～圖5 可以看出:

1)在不同加熱功率下，模型樁中各測(cè)點(diǎn)光纖溫升變化趨勢(shì)大體一致，在加熱初期光纖溫升迅速增加，之后在熱量平衡作用下溫升增加減緩，最后在波動(dòng)中慢慢達(dá)到穩(wěn)定。

2)在不同加熱功率下，模型樁中各測(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)在加熱功率為3，6，9 W/m 時(shí)，78 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升分別穩(wěn)定在1.7，3.8，5.5 K;79 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升分別穩(wěn)定在3.3，6.6，9.7 K;80 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升分別穩(wěn)定在1.9，4.1，6.3 K。

4)在不同加熱功率下，模型樁內(nèi)79 m 處測(cè)點(diǎn)光纖溫升穩(wěn)定時(shí)均高于其他測(cè)點(diǎn)，即粘土段光纖溫升明顯高于混凝土段，且隨著加熱功率的增加，差值越來(lái)越顯著。

5)隨著加熱功率的增加，模型樁內(nèi)各測(cè)點(diǎn)光纖溫升隨之增大。

3.2 加熱功率對(duì)光纖溫升影響規(guī)律

為了更加清晰地研究加熱功率對(duì)光纖溫升影響，選取加熱時(shí)間為1 040 s ～1 200 s 溫升進(jìn)行分析，將1 040，1 080，1 120，1160，1200 s 的溫升平均值作為最后穩(wěn)定溫升。模型樁兩端測(cè)點(diǎn)接近外界，溫度受到大氣影響，因而將這兩點(diǎn)去除。光纖溫升與加熱功率的關(guān)系曲線如圖6 所示。

圖6 光纖溫升與加熱功率關(guān)系曲線Fig 6 Curve of relationship between optical fiber temperature rising and heating power

由圖6 可知，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)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)光纖溫升與加熱功率關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，并定義擬合表達(dá)式為:ΔT=aP(其中，ΔT 為溫升;P 為加熱功率;a 為擬合相關(guān)系數(shù))。由擬合結(jié)果知，擬合曲線相關(guān)系數(shù)均大于0.996 4，因此，可認(rèn)為光纖溫升值與加熱功率存在良好的線性關(guān)系。

3.3 夾泥對(duì)光纖溫升影響規(guī)律

由圖6 可以看出:粘土段的79 m 測(cè)點(diǎn)處光纖溫升明顯高于其他測(cè)點(diǎn)，而混凝土段的77，78，80，81 m 測(cè)點(diǎn)間溫升差值相對(duì)較小。取圖6 中混凝土段77 m 測(cè)點(diǎn)與粘土段79 m 測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定溫升數(shù)據(jù)分析，如圖7 所示。

圖7 光纖溫升對(duì)比圖Fig 7 Comparison chart of optical fiber temperature rising

由圖7 可以看出:

1)在加熱功率為3，6，9 W/m 時(shí)，模型樁中粘土段(79 m 位置測(cè)點(diǎn))的穩(wěn)定溫升均大于混凝土樁內(nèi)(78 m 位置測(cè)點(diǎn))的穩(wěn)定溫升，其差值分別為1.0，2.3，3.1 K。

2)隨著加熱功率增加，模型樁粘土段與混凝土段穩(wěn)定溫差值越來(lái)越大。

由此可見(jiàn)，夾泥導(dǎo)致了溫度的異常，其原因?yàn)檎惩恋膶?dǎo)熱系數(shù)較小，粘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)為粘土段光纖溫升高于混凝土段。由此可通過(guò)溫度的差異來(lái)判斷樁體的缺陷。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計(jì)了斷樁模型試驗(yàn)，通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了光纖測(cè)溫技術(shù)應(yīng)用于斷樁檢測(cè)的可行性，為樁基檢測(cè)提供了新的檢測(cè)手段。

2)無(wú)論夾泥段還是混凝土段，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)夾泥段光纖溫升明顯高于混凝土段，且隨著加熱功率增加，溫升差值增大。因此，在加熱過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)樁內(nèi)光纖溫升突然升高，可對(duì)其缺陷進(jìn)行判斷。

［1］ 張 宏.灌注樁檢測(cè)與處理［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］ 張長(zhǎng)寧.鉆孔灌注樁施工中的常見(jiàn)質(zhì)量缺陷及處理措施［J］.科技咨詢導(dǎo)報(bào)，2007，(29):63.

［3］ 陳 凡，徐天平，陳久照，等.基樁質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［4］ 王其福，喬學(xué)光，賈振安，等.布里淵散射分布式光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(7):7－9.

［5］ 肖衡林，蔡德所，何 俊.基于分布式光纖傳感技術(shù)的巖土體導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定方法［J］，巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(4):819－825.

［6］ 雷文凱，肖衡林.基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測(cè)［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29(2):19－22.

［7］ 肖衡林，張晉峰，何 俊.基于分布式光纖傳感技術(shù)的流速測(cè)量方法研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(11):3543－3547.