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(shù)具有突出優(yōu)點(diǎn)，在樁基工程檢測中體現(xiàn)出良好的適應(yīng)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(shù)手段。現(xiàn)階段，該技術(shù)的應(yīng)用推廣效果一般，需要加強(qiáng)相關(guān)人員的技術(shù)理解，不斷規(guī)范檢測過程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確操作技術(shù)要點(diǎn)，從而推動光纖傳感技術(shù)在樁基檢測中快速發(fā)展。

2 分布式光纖傳感技術(shù)在樁基檢測中的應(yīng)用發(fā)展與應(yīng)用原理

2.1 分布式光纖傳感技術(shù)在樁基檢測中的應(yīng)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(jìn)行檢測，對整個樁基工程實(shí)施效果進(jìn)行評定，常用的樁基檢測方法有靜載荷試驗(yàn)法、鉆樁取芯試驗(yàn)法、高應(yīng)變檢測法、低應(yīng)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(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際需求結(jié)合運(yùn)用，這些方法更多的是運(yùn)用在樁基完整性檢測上，缺乏樁基內(nèi)力檢測，而且傳統(tǒng)點(diǎn)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(shù)具有分布式、長距離、抗干擾、耐久性強(qiáng)、易植入、協(xié)調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足樁基檢測的需求，通過在樁體內(nèi)植入感測光纜，能夠?qū)崿F(xiàn)樁身變形應(yīng)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(yīng)用廣泛的是基于布里淵散射原理的分布式光纖感測技術(shù)，經(jīng)過一定時間的發(fā)展，該技術(shù)得到了良好的試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)踐論證。

2.2 分布式光纖傳感技術(shù)在樁基檢測中的應(yīng)用原理

運(yùn)用基于布里淵散射原理的分布式光纖感測技術(shù)，需要將感測光纜植入到樁體內(nèi)部或者貼在樁體表面，一同貫入地基土體內(nèi)部，達(dá)到二者協(xié)調(diào)一致變形的目的。在進(jìn)行樁基靜載荷試驗(yàn)時，感測光纜和樁體會產(chǎn)生耦合變形，通過光纖應(yīng)變測試儀，可以檢測到感測光纜的應(yīng)變分布，實(shí)現(xiàn)樁體的應(yīng)變解調(diào)，利用相關(guān)理論，建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出樁身軸力、端阻力、彎矩、側(cè)摩阻力等相關(guān)數(shù)據(jù)，估算出樁體水平承載力、抗壓、抗拔，從而進(jìn)行全面的質(zhì)量評價。在檢測前，首先要進(jìn)行樁身初值測試，試驗(yàn)過程采用慢速維持荷載法，在每一級荷載下沉量達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后，再加下一級荷載，直到試驗(yàn)結(jié)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(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 檢測解調(diào)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(shù)，可以共同用感測光纜作為樁基內(nèi)力檢測傳感器，然后分別采用專用的解調(diào)儀器進(jìn)行應(yīng)變解調(diào)，這三種分布式光纖感測技術(shù)具有不同的特點(diǎn)，其中，BOTDR具有長距離、大范圍、單端檢測的特點(diǎn)，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(fēng)險，不利于實(shí)際工程應(yīng)用；BOFDA具有空間定位準(zhǔn)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(diǎn)，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(yán)重，容易產(chǎn)生結(jié)果不穩(wěn)定的問題。在實(shí)際的樁基檢測過程中，需要根據(jù)三種技術(shù)特點(diǎn)合理選擇，保證其適用性，隨著技術(shù)的不斷成熟，可選擇的光纖解調(diào)設(shè)備類型越來越多，技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)差異比較大，需要本著經(jīng)濟(jì)適用的原則進(jìn)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(shè)效果，這是測試能否成功的關(guān)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(jì)、技術(shù)等角度出發(fā)，保證其適用性。感測光纜的布設(shè)需要遵循一定的原則，首先，要明確布設(shè)方向，根據(jù)樁體變形規(guī)律和特點(diǎn)，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(diào)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(shè)工藝[2]。

3.2.1 灌注樁感測光纜選擇和布設(shè)

3.2.1.1 感測光纜選擇

應(yīng)用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行灌注樁質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yīng)變測試敏感度高，由于纖芯微小，存在斷裂風(fēng)險，因此需要采取加強(qiáng)保護(hù)措施。鋼絞線光纜和GFRP光纜是通過綁扎的方式進(jìn)行固定的，在鋼筋籠澆筑成型后，植入樁體內(nèi)部，鋼絞線光纜是金屬基索狀結(jié)構(gòu)，帶有高強(qiáng)度金屬加強(qiáng)件，能夠有效提升感測光纜抗拉強(qiáng)度，而且由于表面結(jié)構(gòu)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(qiáng)件保護(hù)，可以有效應(yīng)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(dāng)，具有較好的應(yīng)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(shè)

根據(jù)灌注樁的施工流程，感測光纜的布設(shè)需要依托成型鋼筋籠進(jìn)行安裝，常用的鋪設(shè)方式有定點(diǎn)布設(shè)和全面粘貼布設(shè)兩種。定點(diǎn)布設(shè)適用于鋼絞線光纜和GFRP光纜，選擇兩根對稱主筋作為布設(shè)路線，從下而上呈U字型鋪設(shè)，定點(diǎn)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(yīng)的保護(hù)，避免受到破壞。其次，鋼筋籠接合完畢后，需要用預(yù)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(cè)面將感測光纜綁扎固定好。最后，對感測光纜樁頭處加強(qiáng)保護(hù)，防止后期施工作業(yè)和試驗(yàn)過程造成損壞。全面粘貼布設(shè)主要用于900μm光纜，首先要在鋼筋上刻槽，用粘結(jié)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(cè)壁上，這樣能夠提升感測光纜的成活率[3]。

3.2.2 預(yù)制樁感測光纜選擇和布設(shè)

3.2.2.1 感測光纜選擇

混凝土預(yù)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(nèi)，最后用結(jié)構(gòu)膠灌滿固定，一般采用900μm光纜和2mm聚氨酯光纜作為預(yù)制樁的感測光纜。其中，前者的應(yīng)變敏感性更好，所以應(yīng)用更多。對于預(yù)制管樁，也可以將布設(shè)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(fù)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(shè)

根據(jù)預(yù)制樁的施工特點(diǎn)，常用的感測光纜布設(shè)方法包括表面淺埋法和管內(nèi)植入法。表面淺埋法是在預(yù)制樁生產(chǎn)完成后、沉樁前在樁身開槽埋設(shè)感測光纜，主要施工流程包括定線、開槽、清槽、埋線鋪設(shè)、補(bǔ)鋪、保護(hù)，保證感測光纜的鋪設(shè)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(jī)沿著標(biāo)識路線進(jìn)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(jìn)行清洗，并對局部進(jìn)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(qiáng)鎧裝護(hù)套，起到加強(qiáng)保護(hù)的作用，使用快干膠定點(diǎn)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(shè)完畢以后，檢查是否存在外露的情況，及時進(jìn)行補(bǔ)鋪，針對樁頭和樁身連接處，應(yīng)該通過玻璃絲布和軟管進(jìn)行保護(hù)，這樣能夠防止在打樁和搬運(yùn)過程中造成破壞。管內(nèi)植入法主要針對預(yù)制管樁感測光纜布設(shè)，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(nèi)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(jìn)行固定和保護(hù)；最后，將封裝好的感測光纜鋼筋架送入管樁內(nèi)，并進(jìn)行光纖出線保護(hù)，回灌混凝土澆筑[4]。

3.2.3 鋼管樁感測光纜選擇和布設(shè)

3.2.3.1 感測光纜選擇

鋼管樁屬于鋼結(jié)構(gòu)體，很難像混凝土預(yù)制樁一樣擴(kuò)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(diǎn)，在不斷實(shí)踐的過程中，有一種適用于鋼結(jié)構(gòu)體分布式檢測的銅帶式光纜得以開發(fā)應(yīng)用。首先，將鋼結(jié)構(gòu)體表面打磨光滑，然后，點(diǎn)焊固定銅帶光纜，最后，進(jìn)行封裝保護(hù)。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(qiáng)，不容易折斷和攪亂，有利于鋪設(shè)施工的快速進(jìn)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(diǎn)焊鋼筋、粘貼光纜的方式實(shí)現(xiàn)光纜植入檢測。

3.2.3.2 感測光纜布設(shè)

由于鋼管樁和普通光纜表面材質(zhì)不同，很難實(shí)現(xiàn)有效的粘貼固定，在打樁震動作用下，會導(dǎo)致光纜脫落，鋼管樁感測光纜布設(shè)方法可根據(jù)直徑進(jìn)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(jìn)行點(diǎn)焊輔助。大直徑鋼管樁桿側(cè)光纜布設(shè)工藝流程包括定線、打磨清理、鋪線點(diǎn)焊、全面粘貼、隔離保護(hù)等，在鋼管樁內(nèi)劃出預(yù)設(shè)的路線，保證線路筆直，方向與鋼管樁軸向一致，沿著標(biāo)識打磨出一條寬約三厘米的光滑線路，并進(jìn)行清洗除塵，使用點(diǎn)焊機(jī)將銅帶式光纜分段固定在樁體表面，然后沿著鋪設(shè)線路涂刷環(huán)氧樹脂膠，全面進(jìn)行粘貼固定，在粘結(jié)劑發(fā)生顯著作用后，應(yīng)該在表面做一層隔離保護(hù)，防止后續(xù)工作損壞光纜，在鋼管樁底部兩側(cè)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(dǎo)致感測光纜脫落。小直徑鋼管樁感測光纜布設(shè)工藝流程包括定線、打磨、鋼筋點(diǎn)焊、鋪設(shè)、接樁部位光纜保護(hù)、樁頭部位光纖引線保護(hù)，需要嚴(yán)格按照技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行操作，才能保證最終的布設(shè)效果[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，本文首先介紹了分布式光纖傳感技術(shù)在樁基檢測中的發(fā)展與應(yīng)用原理，然后從檢測調(diào)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(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。希望充分認(rèn)識分布式光纖傳感檢測技術(shù)的發(fā)展前景，根據(jù)不同工程特點(diǎn)和樁基類型，選擇合適的儀器設(shè)備，提高光纜鋪設(shè)效果，保證樁基檢測的全面性和準(zhǔn)確性。