劉永莉，肖衡林，胡其志，馬 強，李麗華

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

基于DTS的灌注樁完整性檢測方法研究

劉永莉，肖衡林，胡其志，馬 強，李麗華

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，武漢 430068)

為了完善DTS應(yīng)用于灌注樁完整性檢測的理論，基于有內(nèi)熱源的徑向熱傳導(dǎo)理論和試驗，針對樁徑為300，400，600，1 000 mm的灌注樁，對沿樁中心軸線方向內(nèi)置光纖熱源的熱傳導(dǎo)特征進行研究；取最大過余溫度1 K，對加熱功率與溫度場的相關(guān)性進行計算分析。確定了樁體內(nèi)置光纖熱源徑向熱傳導(dǎo)特征、樁徑、加熱功率的定量關(guān)系，分析了DTS檢測樁缺陷對光纖布線及加熱功率的要求，最后給出了考慮DTS測試精度的合理光纖加熱功率的確定方法。

灌注樁；缺陷檢測；DTS；一維徑向熱傳導(dǎo)；溫度場

1 研究背景

分布式光纖測溫傳感技術(shù)(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing Technology，簡稱DTS)以光纖作為傳感器，測量光纖沿線溫度[1]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)體的溫度場分布和溫度場變化規(guī)律，可以判斷結(jié)構(gòu)物的物理、力學(xué)性能[2-6]。蔡德所[7]2001年率先將DTS測溫技術(shù)引入到國內(nèi)，并在三峽工程中進行了試驗；試驗結(jié)果表明該方法能快速、連續(xù)地監(jiān)測壩體內(nèi)部混凝土水化熱的釋放過程；繼而又將其應(yīng)用于壩基滲透監(jiān)測。肖衡林等[4,8]提出應(yīng)用DTS測試材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，根據(jù)樁缺陷對熱傳導(dǎo)的影響，又將DTS應(yīng)用于混凝土灌注樁缺陷的識別研究，通過模型試驗驗證了DTS檢測斷樁、夾泥、離析等樁缺陷的可行性，建立了熱傳導(dǎo)系數(shù)與樁缺陷的定量關(guān)系式。

研究人員提出了諸多行之有效的方法，并將其應(yīng)用于灌注樁檢測，但是都不能完全滿足樁質(zhì)量檢測的需要。探索灌注樁檢測新方法，與現(xiàn)有檢測方法優(yōu)勢互補，是研究灌注樁中值得關(guān)注的一個方面[9]。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地給出了DTS檢測方案的設(shè)計方法，并對檢測方案中相關(guān)參數(shù)的確定進行了理論研究，對規(guī)范DTS檢測樁缺陷具有推動意義。

2 DTS檢測樁缺陷的試驗分析

2.1 DTS檢測灌注樁缺陷的模型試驗

建立截面半徑為0.4 m，高0.5 m的圓柱形灌注樁模型，支模采用透明高強度的塑料，便于觀察樁的灌注情況。在該模型中分別置入光纖傳感器和聲測管，見圖1。

圖1 離析樁模型Fig.1 Model of segregated pile

圖2 超聲波速度檢測結(jié)果Fig.2 Test result ofultrasonic velocity

光纖沿鋼筋籠內(nèi)側(cè)呈螺旋形置入，光纖螺旋線導(dǎo)程0.1 m，半徑0.15 m。樁中心軸線兩側(cè)布置聲測管，間距0.3 m，長1 m，高出樁0.5 m。當(dāng)加熱光纖的功率不大時，螺旋形布置的光纖形成的內(nèi)熱源滿足一維線熱源理論。

圖2是模型試驗樁聲測管檢測結(jié)果，檢測值波動較大，顯然與實際工況不符。

圖3反映了樁內(nèi)光纖加熱時溫度的上升規(guī)律，加熱功率較小時，溫度變化在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定，說明為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)；加熱功率增大時，光纖熱源中心溫度較高，熱傳導(dǎo)中心溫度不穩(wěn)定。

圖3 加熱光纖溫度上升規(guī)律Fig.3 Rise of optical fiber temperature when heated

螺旋線形式布置光纖，間接提高了距離分辨率，模型試驗中樁體尺寸相對于工程樁較小，光纖置入模型樁不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)效應(yīng)，應(yīng)用于模型試驗中具有常規(guī)檢測儀器難以比擬的優(yōu)勢。但是，光纖發(fā)熱功率高時，熱源中心溫度增幅較大，且光纖與樁體周圍巖土介質(zhì)距離較小，難以滿足線熱源理論條件。此種布線方式不適用于現(xiàn)場檢測。

圖4 樁體光纖布置示意圖Fig.4 Layout of fiberin pile

2.2 DTS灌注樁缺陷現(xiàn)場試驗

圖4是灌注樁現(xiàn)場檢測

光纖布置示意圖，樁徑1 m，樁長51 m，將光纖沿受力主筋綁扎在鋼筋籠上。光纖沿受力主筋呈“U”形回路布置。

沿光纖主軸方向布置光纖適用于灌注樁的現(xiàn)場檢測,但是水化熱導(dǎo)致的熱傳導(dǎo)是瞬態(tài)的，理論分析較為復(fù)雜，不利于定量評價；熱傳導(dǎo)存在臨界半徑，光纖布線位置設(shè)計不當(dāng)關(guān)系到整個樁體能否全面被檢測。

2.3 DTS應(yīng)用于灌注樁檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

2.3.1 光纖傳感器的布置

對于樁檢測，加熱光纖形成的熱傳導(dǎo)需要覆蓋整個樁體，同時盡量減小對周圍環(huán)境熱輻射的影響。樁體周圍地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如果熱傳導(dǎo)的影響范圍涉及巖土介質(zhì)，則會影響檢測數(shù)據(jù)后續(xù)的處理與樁質(zhì)量評價。

2.3.2 光纖加熱功率的確定

灌注樁澆注完成后，混凝土水化熱會隨著時間增長逐漸減小，形成瞬態(tài)熱傳導(dǎo)。由水化熱形成的溫度場不易控制，應(yīng)用水化熱特征判斷樁身質(zhì)量較難統(tǒng)一。應(yīng)用DTS對樁缺陷檢測，通過加熱光纖形成熱源易于控制，而且也有相應(yīng)的理論作為依據(jù)，易于推廣，但是，加熱功率需要針對不同的樁進行設(shè)計。

3 樁體內(nèi)置加熱光纖熱源熱傳導(dǎo)模型

在徑向?qū)ΨQ的幾何體中，在有內(nèi)熱源且在穩(wěn)態(tài)狀況下,假定內(nèi)熱源生熱均勻，溫度分布為[10]

(1)

柱狀灌注樁為徑向?qū)ΨQ的幾何體，植入光纖即為內(nèi)熱源[11]。應(yīng)用徑向?qū)ΨQ系統(tǒng)導(dǎo)熱理論對光纖熱源熱傳導(dǎo)進行計算，為簡化計算，假設(shè)滿足以下條件[12]：①穩(wěn)態(tài)工作狀況；②任何平行于樁中心軸線的光纖熱源為一維徑向熱傳導(dǎo)；③常物性；④均勻的容積熱生成率；⑤外表面絕熱。

圖5 計算模型Fig.5 Calculation model

邊界條件如下：

第1類邊界條件,當(dāng)r=r0時，T(r0)=Ts；

考慮邊界條件，由式(1)得溫度分布為

(2)

用式(2)對中心線上的溫度進行求值，并用此值除以式(2)，得到溫度分布的無因次形式，即

(3)

式中:r0為熱傳導(dǎo)臨界半徑;T0為中心線溫度，即光纖沿線溫度，ΔT(r)=T(r)-Ts，定義為離熱源距離為r處的過余溫度，熱源點的過余溫度最大。

4 算例分析

4.1 不同樁徑熱傳導(dǎo)溫度分布特征

計算工況：光纖沿樁體的中心軸線布置，即r0分別取0.3，0.4，0.6，1m，最大過余溫度取1K，光纖為單芯鎧裝光纜。根據(jù)式(2)進行計算，計算結(jié)果見圖6。

圖6 ΔT(0)=1 K熱傳導(dǎo)溫度分布Fig.6 Distribution of heat transfer temperaturewhen ΔT(0)=1 K

圖6表明：當(dāng)r增大時，熱量損失增加，溫度降低；當(dāng)r=r0(臨界半徑)時，溫度不再降低，降溫梯度隨著r的增大而減小。對于大直徑的灌注樁，通過對內(nèi)置光纖進行加熱，引起的熱傳導(dǎo)形成一個熱傳導(dǎo)輻射區(qū)，存在一個臨界半徑r0，超過這個半徑以外的區(qū)域，不受加熱光纖的影響，溫度等于環(huán)境溫度。如果光纖布置在樁體的中心，隨著樁體半徑的增大，當(dāng)發(fā)熱功率受限時，熱傳導(dǎo)很難覆蓋整個樁截面，則說明一根樁布置一條光纖很難滿足樁體檢測的需要。

4.2 加熱功率與樁體熱傳導(dǎo)溫度分布相關(guān)性

計算工況：光纖沿樁體的中心軸線布置，即r0分別取0.3，0.4，0.6，1m，q分別取10，12，15W/m。

對于檢測樁體，熱傳導(dǎo)系數(shù)是確定的。式(2)可寫成如下形式，即

(4)

圖7表明，過余溫度隨著加熱功率的增大而增大。當(dāng)功率為10～15W/m時，中心最高溫度增長幅度在1K左右，加熱功率越大，過余溫度就越大，考慮絕熱面，降溫幅度也就越大。所以，加熱光纖發(fā)熱功率的選擇，需要制作樁體材料試塊進行試驗，預(yù)估樁體材料的導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)初始設(shè)計加熱功率，并計算過余溫度。同時，過余溫度增長時，對于沒有明顯絕熱層的材料，熱傳導(dǎo)的影響范圍就越大，如果樁體內(nèi)同時內(nèi)置多條光纖作為內(nèi)熱源，熱傳導(dǎo)之間會相互影響。

圖7 r0=0.3 m處熱傳導(dǎo)溫度分布Fig.7 Distribution of heat transfer temperaturewhen r0=0.3m

圖8 DTS檢測光纖布線方式Fig.8 Layout of fiber by distributed optical fibertemperature sensing (DTS) technology

4.3 光纖布線方式的確定

對于大直徑的灌注樁，需要在樁體內(nèi)布置多條光纖，才可以檢測整個樁體是否存在質(zhì)量缺陷。光纖兩端同時加熱時，才能保證光纖內(nèi)發(fā)熱功率是均勻的，所以光纖需要按照“U”型布置。熱生成速率既要保證熱源中心溫度上升滿足熱傳導(dǎo)的要求，又要保證光纖熱傳導(dǎo)之間不相互影響。同時熱傳導(dǎo)要滿足徑向熱傳導(dǎo)理論條件。

4.4 光纖加熱功率的確定

根據(jù)式(4)，檢測對象確定時，即r0確定。式(4)中有2個未知數(shù)，當(dāng)r=0時，ΔT(0)與q成正比，比例系數(shù)等于熱傳導(dǎo)系數(shù)。ΔT(0)可以通過DTS測試獲得，對光纖進行加熱時，q的量值是可控制的。分別在不同的功率q下，DTS測試獲得熱源點的溫度，ΔT(0)-q曲線的斜率等于k，可以作為初始計算值。熱傳導(dǎo)的影響范圍是由熱生成速率和熱傳導(dǎo)系數(shù)決定，熱傳導(dǎo)的影響范圍很難精確控制在半徑為r0的圓內(nèi)，而DTS的測試精度有限；當(dāng)r越大時，熱損失增加，溫度下降梯度減小，當(dāng)小于DTS儀器精度時，可認為熱傳導(dǎo)結(jié)束，因此可以通過DTS儀器精度確定q。

對式(4)進行求導(dǎo)，且滿足下列等式，即

(5)

其中δ為DTS儀器的測試精度，求解式(5)即可確定加熱功率，因為熱傳導(dǎo)系數(shù)受環(huán)境影響，所以長時間檢測，需要在環(huán)境溫度變化較大時，重新計算確定加熱功率。

對于截面半徑400mm的灌注樁，取r0=200 mm，k=1.74 W/(m·k)，Ts=10 ℃，δ=0.05，根據(jù)式(5)計算得q=0.109 W/m。

5 結(jié) 論

光纖的布線及測試參數(shù)如何確定制約了DTS檢測樁缺陷的規(guī)范化應(yīng)用。本文根據(jù)一維徑向傳導(dǎo)理論進行了理論分析和計算，主要得到以下結(jié)論。

(1) 光纖只有呈“U”型回路布置在樁體內(nèi)，光纖熱源需兩端同時加熱，光纖中的熱生成速率才均勻。

(2) 光纖呈“U”型回路布置時，光纖間距應(yīng)等于加熱光纖形成熱傳導(dǎo)的臨界半徑。

(3) 光纖加熱速率值可以根據(jù)DTS的測溫精度確定。

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(編輯：劉運飛)

Research on Integrity Detection Method for Bored Pile UsingDistributed Optical Fiber Temperature Sensing Technology

LIU Yong-li, XIAO Heng-lin, HU Qi-zhi, MA Qiang, LI Li-hua

(School of Civil Engineering, Architecture and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Application of distributed optical fiber temperature sensing (DTS) technology to the detection of bored pile’s integrity is still in experimental stage, in lack of theoretical basis for fiber layout and mature evaluation system for pile quality. According to the theory of radial heat conduction with internal heat source, some key procedures of detecting bored pile’s defectives by DTS were researched. With bored piles of 300mm, 400mm, 600mm, and 1000mm diameter, the heat transfer characteristics with fiber heat source built-in along the central axis of pile were studied. Furthermore, the relationship between heating power and temperature field was analyzed with excessive temperature of 1K. On this basis, the requirements for fiber layout and heating power by DTS were analyzed.

bored pile; defect detection; DTS; one-dimensional radial heat conduction; temperature field

2016-03-03；

2016-06-20

國家自然科學(xué)基金項目(51578219)；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)

劉永莉(1984-)，女，安徽界首人，講師，博士，主要從事地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測與評價研究，(電話)18627883936(電子信箱)maryroseli@126.com。

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。

10.11988/ckyyb.20160167

2017,34(6):124-127

TU473

A

1001-5485(2017)06-0124-04