光纖測溫技術(shù)在斷樁檢測模型試驗中的應(yīng)用*

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)

0 引 言

灌注樁由于其適應(yīng)性強、承載力高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點被廣泛應(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方面:1)導(dǎo)管埋深過小，會出現(xiàn)拔脫提漏現(xiàn)象，形成夾層斷樁;2)提升時連接螺栓拉斷或?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，對于誘發(fā)斷樁的各類因素在施工初期清除其隱患。同時，施工完成后，需要對樁基進(jìn)行檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應(yīng)補救措施。

目前，國內(nèi)外對于樁基檢測主要包括超聲波透射法、高應(yīng)變法、靜載試驗等，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、費用高，不能自動在線監(jiān)測等局限性［3］，因此，需要尋求一種新的測試手段來進(jìn)行樁基質(zhì)量檢測。分布式光纖測溫技術(shù)以其高精度、抗干擾、長距離、能長期在線監(jiān)測等優(yōu)勢受到了關(guān)注［4］。目前，本文作者所在課題組已對光纖測溫技術(shù)在灌注樁檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，如肖衡林設(shè)計模型試驗，以線熱源法為基礎(chǔ)，闡述分布式光纖傳感技術(shù)測量巖土體導(dǎo)熱系數(shù)方法的基本原理［5］;雷文凱結(jié)合實際工程分析灌注樁在水化熱過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溫技術(shù)研究了不同程度含泥量時夾泥灌注樁的溫升規(guī)律，本文在此基礎(chǔ)上主要對光纖測溫技術(shù)在斷樁檢測中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，通過斷樁模型試驗，采用光纖測溫技術(shù)對樁基進(jìn)行定性定量檢測，為基于光纖測溫技術(shù)的樁基檢測研究積累經(jīng)驗。

1 檢測原理

測溫系統(tǒng)主要由三部分組成:分布式光纖測溫儀、溫度傳感器及調(diào)壓儀。其中，分布式光纖測溫儀包括: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，本試驗中采用英國進(jìn)口鎧裝光纖，它在裸纖外層套上了一定尺寸的金屬鎧來提高溫度傳感的穩(wěn)定性并防止外界硬物對光纖造成損傷。本試驗中采用型號為TDGC2—5 的調(diào)壓儀，可以根據(jù)光纖長度和電阻率大小選擇相應(yīng)量程，滿足不同功率的需要。通過調(diào)壓儀對光纖加熱，其目的是放大信號，有時缺陷處的溫差不明顯，不容易區(qū)分，通過信號放大后差值會放大。

基于光纖測溫技術(shù)的斷樁模型試驗檢測原理為:通過在樁身布設(shè)傳感光纖使得傳感光纖與樁身溫度一致，利用光纖測溫儀監(jiān)測布設(shè)在樁中的傳感光纖在不同時刻的溫度，同時采用調(diào)壓儀對光纖金屬鎧保護(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，則該段溫度分布會與其他樁段不同，即表現(xiàn)異常，且在加熱過程中，該異常會被放大，由此可對該段進(jìn)行判斷。

2 夾泥斷樁試驗設(shè)計

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溫儀的兩個端口，檢測其通暢性后開始澆筑混凝土。通過對空氣中光纖指定點進(jìn)行多次加熱，確定布設(shè)于模型樁內(nèi)光纖空間測量點的具體位置，經(jīng)定位可知，76 ～82 m 測點處于模型樁中。

2.2 加熱功率范圍與加熱時間的確定

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測點在不同功率下加熱的溫升數(shù)據(jù)，分析該點處光纖溫升與加熱時間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 77 m 處光纖溫升與時間變化曲線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階段:第一個階段為快速升溫段，持續(xù)時間隨著加熱功率的不同而不同，在這個階段，光纖溫升增加迅速;第二個階段為穩(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;第三個階段為穩(wěn)定段，在加熱1 000 s 左右，光纖溫升在波動中保持穩(wěn)定。由此，應(yīng)將試驗加熱時間設(shè)置為略大于1 000 s，本試驗中設(shè)定加熱時間為1 200 s。

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

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 測點處于模型樁中，其中76 ～78 m 測點處于下部混凝土段，79 m 測點處于夾泥段，80 ～82 m 測點處于上部混凝土段。在此，分別取78，79，80 m 測點作為樁內(nèi)三層材料的代表點進(jìn)行分析。圖3 ～圖5 分別為三個測點在不同加熱功率下光纖溫升隨時間變化曲線。

圖3 78 m 處測點光纖溫升與時間變化曲線Fig 3 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 78 m

圖4 79 m 處測點光纖溫升與時間變化曲線Fig 4 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 79 m

圖5 80 m 處測點光纖溫升與時間變化曲線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，模型樁中各測點光纖溫升變化趨勢大體一致，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，最后在波動中慢慢達(dá)到穩(wěn)定。

2)在不同加熱功率下，模型樁中各測點在加熱后，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)在加熱功率為3，6，9 W/m 時，78 m 處測點光纖溫升分別穩(wěn)定在1.7，3.8，5.5 K;79 m 處測點光纖溫升分別穩(wěn)定在3.3，6.6，9.7 K;80 m 處測點光纖溫升分別穩(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 處測點光纖溫升穩(wěn)定時均高于其他測點，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，差值越來越顯著。

5)隨著加熱功率的增加，模型樁內(nèi)各測點光纖溫升隨之增大。

3.2 加熱功率對光纖溫升影響規(guī)律

為了更加清晰地研究加熱功率對光纖溫升影響，選取加熱時間為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。模型樁兩端測點接近外界，溫度受到大氣影響，因而將這兩點去除。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)。采用過原點的線性函數(shù)對各監(jiān)測點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 夾泥對光纖溫升影響規(guī)律

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

圖7 光纖溫升對比圖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，模型樁中粘土段(79 m 位置測點)的穩(wěn)定溫升均大于混凝土樁內(nèi)(78 m 位置測點)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)定溫差值越來越大。

由此可見，夾泥導(dǎo)致了溫度的異常，其原因為粘土的導(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，在加熱過程中表現(xiàn)為粘土段光纖溫升高于混凝土段。由此可通過溫度的差異來判斷樁體的缺陷。

4 結(jié) 論

1)設(shè)計了斷樁模型試驗，通過模型試驗驗證了光纖測溫技術(shù)應(yīng)用于斷樁檢測的可行性，為樁基檢測提供了新的檢測手段。

2)無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，在加熱過程中若發(fā)現(xiàn)樁內(nèi)光纖溫升突然升高，可對其缺陷進(jìn)行判斷。

［1］ 張 宏.灌注樁檢測與處理［M］.北京:人民交通出版社，2001.

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

［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］ 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)測定方法［J］，巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(4):819－825.

［6］ 雷文凱，肖衡林.基于分布式光纖測溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，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)的流速測量方法研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30(11):3543－3547.