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)

?

夾泥灌注樁的光纖傳感檢測模型試驗

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水平，介紹基于分布式光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測原理并設(shè)計相關(guān)的試驗?zāi)Ｐ?，制作含泥量分別為0, 33.3%, 50%, 66.7%, 100%的5種夾泥樁，對不同夾泥樁的光纖溫升進(jìn)行測量，分析不同夾泥樁中光纖溫升規(guī)律，研究加熱功率大小對光纖溫升的影響及含泥量對光纖溫升的影響。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);該模型試驗驗證了分布式光纖傳感技術(shù)用于夾泥灌注樁完整性檢測的可行性，也可為基于該技術(shù)樁基檢測的理論完善提供參考。

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

1研究背景

在建筑工程中，灌注樁因其施工簡單、承載力高、樁徑大等優(yōu)點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，樁基檢測技術(shù)成為樁基工程中的一個重要問題[1-2]。

近年來，國內(nèi)樁基檢測方法主要包括低應(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、費用高，不能自動在線監(jiān)測等局限性[3]。目前樁基檢測的方法與技術(shù)正逐步從傳統(tǒng)方法向自動化、高精度的檢測方法過渡，其中分布式光纖傳感技術(shù)，無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)測中得到廣泛應(yīng)用[4]。

自1989年美國首次將光纖傳感器埋入混凝土結(jié)構(gòu)中進(jìn)行安全檢測以來，一些學(xué)者開始將該技術(shù)應(yīng)用于土木、水利結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測中[5]，我國在引進(jìn)與吸收國外先進(jìn)儀器與技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型光纖檢測設(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]在國內(nèi)首次將PPP-BOTDA技術(shù)應(yīng)用于測量管樁樁身應(yīng)變；樸春德等[7]將BOTDR技術(shù)用于檢測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2種方案對7根試樁進(jìn)行靜載荷試驗。但是，利用分布式光纖傳感技術(shù)對灌注樁基質(zhì)量檢測的研究還處于初始階段，要想通過該技術(shù)來實現(xiàn)對灌注樁基質(zhì)量的定性定量檢測，還需要在理論和試驗上進(jìn)行大量的研究和積累。本文設(shè)計了不同含泥量的夾泥樁模型試驗，采用分布式光纖傳感技術(shù)對夾泥樁進(jìn)行檢測，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)的樁基檢測奠定理論基礎(chǔ)。

2檢測原理

測溫采用Sentinel DTS，它是目前市場上先進(jìn)的分布式溫度測量儀，由激光組件、光線波分復(fù)用器、光電接受與放大組件、信號處理系統(tǒng)、光纖和光纖繞組溫度傳感器等組成[9]，可沿光纖對溫度進(jìn)行分布式測量，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 ℃，能提供真實的可變溫度的測試。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光與溫度無關(guān)，而 Anti-Stokes光的強度隨溫度變化而發(fā)生改變。且Anti-Stokes與Stokes的強度之比僅與溫度T有關(guān)，但與光強、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關(guān)。因此，根據(jù)測出的Anti-Stokes及Stokes后向拉曼散射光強之比值可以實現(xiàn)溫度的測量[10]。

采用交流電對光纖進(jìn)行加熱，通過調(diào)壓儀調(diào)節(jié)加熱功率。對光纖加熱的目的是放大信號，有時缺陷處的溫差不明顯，不容易區(qū)分，信號放大之后，差值會放大。在該試驗中，加熱設(shè)備采用型號為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)的灌注樁基檢測原理為：通過在樁身埋設(shè)傳感光纖，使得傳感光纖與樁身溫度一致，由DTS監(jiān)測預(yù)埋在灌注樁中的傳感光纖在不同時刻的溫度；利用調(diào)壓儀對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不同于正常處，因此加熱過程中可以明顯看到缺陷區(qū)的光纖溫度分布異常，從而可對缺陷進(jìn)行判斷。

3模型試驗設(shè)計

3.1模型樁制作

試驗設(shè)計5組模型樁，樁高600 mm，直徑800 mm。其中①號樁為混凝土樁，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號樁為黏土樁，采用黏土填灌，即含泥量為100%。①—④號樁采用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挖土，經(jīng)過曬干、碾碎、篩分、除渣等處理，在拌制過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展樁基檢測。在本文的模擬試驗中，為提高樁身光纖的布置長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測溫儀的2個端口，檢測其通暢性后開始進(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

通過對空氣中光纖指定點進(jìn)行多次加熱，確定埋設(shè)于模型樁內(nèi)光纖的空間測量點的具體位置，經(jīng)定位可知：17 ～ 30 m測量點處于⑤號樁、36 ～ 49 m測量點處于④號樁、55 ～ 68 m測量點處于③號樁、74 ～ 87 m測量點處于②號樁、93 ～106 m測量點處于①號樁中。

4加熱功率范圍及加熱時間的確定

為了確定合適的加熱功率范圍，首先進(jìn)行了預(yù)試驗。試驗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個樁中光纖溫升情況。通過分析測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)不同功率下光纖溫升有明顯規(guī)律。以①號樁為例，取①號樁中各測量點在不同功率下的溫升平均值，建立樁中光纖溫升與加熱時間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3?、偬枠吨泄饫w溫升與加熱時間關(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，最后在波動中保持穩(wěn)定?？梢园l(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)，所以可將加熱時間設(shè)置為略大于920 s，本次試驗設(shè)定加熱時間為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，對調(diào)壓儀的要求很高，且耗電量大，安全性降低，勢必影響試驗；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，溫升太小，信號放大不夠，易引起誤差；功率太大，能耗太高，也不安全，因此試驗選取2，4，6，8 W/m作為加熱功率值。

5試驗結(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時為例，測得溫升變化如圖4所示。

圖4　加熱1 200 s時各樁光纖溫升

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)測點在加熱后，溫升迅速增加所持續(xù)的時間不同，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)的時間變長。

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

5.2加熱功率對光纖溫升影響

為清晰反映加熱功率對光纖溫升的影響，選取各模型樁中的監(jiān)測點在不同加熱功率下的穩(wěn)定溫升進(jìn)行分析。由圖3知各溫度測量點的溫升在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。同時去除各模型樁監(jiān)測點中兩端的監(jiān)測點數(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)。采用過原點的線性函數(shù)對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，ΔT=0.478 9I;

含泥量為33.3%時，ΔT=0.578 4I;

含泥量為50.0%時，ΔT=0.616 5I;

含泥量為66.7%時，ΔT=0.670 4I;

含泥量為100 %時，ΔT=0.987 4I。

5.3含泥量對光纖溫升影響

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，⑤號樁較①號樁穩(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，溫升與含泥量呈現(xiàn)平緩的線性關(guān)系；當(dāng)含泥量超過60%時，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，且在制作過程中，材料混合均勻、振搗充分，樁身密實性較好，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，因此可通過溫度的差異來判斷樁體的缺陷位置。

6結(jié)論

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

(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，呈現(xiàn)先緩后快的增加規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]張宏.灌注樁檢測與處理[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2]張獻(xiàn)民,蔡靖,王建華.基樁缺陷量化低應(yīng)變動測研究[J].巖土工程學(xué)報,2003,25(1):47-50.

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

[4]張丹,施斌,吳智深.BOTDR分布式光纖傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報,2003,36(11):83-87.

[5]MERZBACHER C I, KERSEY A D, Fiber Optic Sensors in Concrete Structures: A Review[J]. Smart Material Structure, 1995, 5(2): 196-208.

[6]江宏.PPP-BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)及其在試樁中應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2011,32(10):3190-3195.

[7]樸春德,施斌,魏光慶,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(7):976-981.

[8]宋建學(xué),白翔宇,任慧志.分布式光纖在基樁靜載荷試驗中的應(yīng)用[J].河南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)學(xué)報),2011,41(4):429-432.

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

[10]肖衡林,鮑華,何俊.分布式光纖溫度傳感技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用研究[J].長江科學(xué)院院報,2009, 26(10):104-107.

(編輯：占學(xué)軍)

收稿日期：2015-01-27; 修回日期: 2015-03-12

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

作者簡介：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，湖南衡陽人，教授，博士，主要從事光纖監(jiān)測技術(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：TU473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：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