離析灌注樁的光纖溫度傳感檢測模型試驗

徐超凡， 范 萌, 劉永莉， 肖衡林

(1 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068; 2 廈門市政集團 廈門市政設(shè)計院，福建 廈門 361000)

離析灌注樁的光纖溫度傳感檢測模型試驗

徐超凡1， 范 萌2, 劉永莉1， 肖衡林1

(1 湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢 430068; 2 廈門市政集團 廈門市政設(shè)計院，福建 廈門 361000)

介紹了分布式光纖溫度傳感技術(shù)的灌注樁基質(zhì)量檢測原理。設(shè)計試驗?zāi)Ｐ?，分別制作了水灰比為0.38、0.48、0.58的3種離析樁模型，對不同離析程度樁的光纖溫升進行測量，分析不同離析樁中光纖溫升規(guī)律；研究加熱功率大小對光纖溫升的影響，通過分析發(fā)現(xiàn)溫升與加熱功率具有良好線性關(guān)系；研究了離析程度對光纖溫升的影響，結(jié)果表明：光纖溫升隨離析程度增加而增加。

水灰比； 離析樁； 模型試驗； 分布式光纖測溫技術(shù)； 溫升

樁基是隱遮的地下結(jié)構(gòu)物,樁基結(jié)構(gòu)支撐著地面上的建、構(gòu)筑物,它是建筑物的基礎(chǔ),一旦基礎(chǔ)失穩(wěn),勢必造成整體建筑物破壞。因此,樁基的設(shè)計、施工和檢測是樁基礎(chǔ)安全與可靠的先決因素[1]。在實際工程中灌注樁基礎(chǔ)的缺陷有很多種，比較常見的有樁身夾泥、斷樁、離析、縮頸、斷樁等，這些質(zhì)量缺陷在影響樁身完整性的同時還極大影響建筑結(jié)構(gòu)的安全。所以在實際工程中，樁基礎(chǔ)的質(zhì)量檢測已成為土建工程中一個不可或缺的步驟[2]。

當(dāng)前，國內(nèi)外對灌注樁安全相關(guān)方面的課題都進行了大量的研究，通過研究和分析已經(jīng)總結(jié)和歸納了許多可行的方法，廣泛運用的有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、超聲波透射法、靜載試驗等。這些方法在檢測樁基質(zhì)量，保證樁基的安全方面發(fā)揮了重要的作用，這些方法在應(yīng)用過程中仍然存在一些問題，比如效率低、設(shè)備重、體積大、不能實時遠(yuǎn)程監(jiān)測、花費高等[3]。

為適應(yīng)工程施工技術(shù)以及檢測技術(shù)發(fā)展需要，灌注樁基檢測也需要向著智能化、自動化、簡便化、高精準(zhǔn)度等方向發(fā)展。基于分布式光纖傳感測溫的檢測技術(shù)以普通光纖作為傳感和傳輸介質(zhì)，無需在添加其它外置傳感器件，并且其具有一定的柔韌性，能夠保持一定程度的彎折度埋置到構(gòu)件中，一定程度上滿足了現(xiàn)代傳感技術(shù)發(fā)展的要求，在實際工程檢測中也已經(jīng)有運用到[4]。

目前，國內(nèi)已有相關(guān)研究人員對離析樁的檢測進行了研究，如高景宏、趙紅利用低應(yīng)變動測法檢測大直徑灌注樁混凝土離析缺陷[5]。目前的研究成果還不能完全滿足離析樁檢測的需要，仍存在一些問題亟待解決。肖衡林，雷文凱等[6-8]提出應(yīng)用分布式光纖測溫技術(shù)檢測灌注樁缺陷，并進行了系列模型試驗及現(xiàn)場試驗，研究表明，分布式光纖溫度傳感方法用于樁基檢測具有很大的優(yōu)勢，可以與現(xiàn)有的檢測手段優(yōu)勢互補。目前的研究仍處于基礎(chǔ)研究階段，要想規(guī)范該技術(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行大量的研究和積累。本文在前期研究基礎(chǔ)之上，通過制作不同離析程度的灌注樁試驗?zāi)Ｐ停捎梅植际焦饫w溫度傳感技術(shù)對離析樁熱傳導(dǎo)過程中的溫升進行檢測，定量分析加熱功率與光纖溫升及離析程度的關(guān)系，為基于分布式光纖測溫技術(shù)的灌注樁基質(zhì)量檢測技術(shù)的工程實踐提供參考。

1 檢測原理

1.1 分布式光纖測溫原理

研究過程中采用進口的Sentinel DTS為測溫設(shè)備，其由激光組件、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]。其測溫原理如下：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，入射光和反射光之間的時間差記為t，發(fā)射散射光的位置距入射端的距離

式中：C為光纖中的光速，C=C0/n，C0為真空中的光速，n為光纖的折射率。DTS利用該式進行溫度拾取點的定位。返回入射端的拉曼散射光含有Stokes光和Anti-Stokes光兩種成份。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。Anti-Stokes與Stokes的強度之比和溫度之間的關(guān)系可用下式表示：

(1)

式中：las為Anti-Stokes光強；ls為Stokes光強；v是激發(fā)光的頻率，vi是振動頻率，h為普朗克系數(shù)；k為鮑爾次曼常數(shù)；T為絕對溫度。從(1)式可以看出，Anti-Stokes與Stokes的強度之比僅與溫度T有關(guān)，而與光強、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關(guān)。因此，根據(jù)測出的反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光強之比值可以實現(xiàn)溫度的測量[10-13]。

1.2 基于DTS灌注樁質(zhì)量檢測原理

基于分布式測溫傳感技術(shù)檢測灌注樁基原理為：含缺陷樁的樁體材料的熱傳導(dǎo)特性與完整樁相比，熱傳導(dǎo)特征差異較大；利用不同類型樁缺陷對樁體材料熱傳導(dǎo)特征的影響，將傳感光纖植入到樁體內(nèi)部，測量樁的導(dǎo)熱特征，利用不同的導(dǎo)熱特征判斷樁的缺陷程度。灌注樁成樁過程中，將產(chǎn)生水化熱，可以通過測量水化熱的散熱過程中樁體的溫度變化，判斷樁體的完整性，但是由于這一時期樁體沒有完全固結(jié)，所以利用水化熱引起的溫度效應(yīng)判斷樁體完整性會存在一定的誤差；需要植入熱源，通過內(nèi)置熱源的加熱和放熱過程中熱傳導(dǎo)特征的變化判斷樁缺陷。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗設(shè)備及內(nèi)置熱源

本試驗所用光纖檢測設(shè)備為進口的SentinelDTS，其對光纖進行溫度分布式采集，其取點間距最小為0.5m，檢測距離最長可達(dá)25km，溫度分辨率可精確到0.05℃。所使用的傳感光纖型號為進口的50/125多模光纖，其由圓柱形玻璃纖芯、包層及涂層組成中心部分，外包一層鋁制金屬鎧甲與絕緣塑料。其中鋁制鎧甲與調(diào)壓儀輸出端連接后作為模型的內(nèi)置熱源。加熱使用的調(diào)壓儀型號為正泰TDGC2-5，調(diào)節(jié)電壓幅度為0-250V，輸入電壓為220V。連接傳感光纖與DTS檢測設(shè)備的為E2000連接器，其為一個按指門栓系統(tǒng)，在振動情況下不會松弛。試驗設(shè)備及內(nèi)置線熱源如圖1所示。

圖 1 試驗設(shè)備及內(nèi)置熱源

2.2 模型樁制作

試驗設(shè)計了三組模型樁，樁高500mm，直徑400mm。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號樁均為離析樁，使其中的水灰比發(fā)生變化，即使其中的水、水泥、砂和石的混合量不同。以樁中水與水泥的比值為水灰比，則三個樁水灰比分別為0.38、0.48、0.58；各模型樁中水泥、砂、石的比例不變，為m水泥∶m砂∶m石=1∶1.11∶2.72。模型制作時各材料混合均勻，所有材料都按規(guī)范要求選配。在樁身內(nèi)部放置了預(yù)先焊接好的鋼筋籠作為傳感光纖的骨架，其中保護層厚度設(shè)定為50 mm。

2.3 傳感器的布置

在實驗中，傳感光纖不僅是傳感元件還是傳輸熱量的介質(zhì)，因此在樁身內(nèi)部要選擇均勻的光纖布設(shè)方式。在實驗?zāi)Ｐ椭?，為了盡可能多地將光線長度布置在樁身內(nèi)部，提高檢測的精確性和靈敏度，選擇以單螺旋線狀的方式由下至上將光纖纏繞在鋼筋籠上，然后用扎絲將其固定，取各圈之間間距為0.1 m(圖2)。

圖 2 模型示意圖

然后將通過各樁身后露出的光纖兩端分別接入DTS測溫儀設(shè)備的兩個接入端口，檢測DTS的數(shù)據(jù)圖形是否通暢，進行混凝土的灌注。灌注完成后的模型樁見圖3。

圖 3 模型樁灌注完成照片

2.4 加熱功率與加熱時間的選取

在對傳感光纖進行加熱時必須了解溫升與加熱功率、加熱時間的關(guān)系。為了確定合適的加熱功率及加熱時間，范萌、雷文凱等進行了大量模型試驗[6-8]，研究表明，當(dāng)加熱功率為9 W/m，加熱時間為950 s時，溫升值基本穩(wěn)定。本試驗加熱功率設(shè)為1～9 W/m，以1 W/m遞增，得到各功率下3個樁中光纖溫升值。通過分析測量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱功率不同時各樁中光纖溫升都有相同的規(guī)律。取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(圖4)。

圖 4 1號樁中光纖溫升與時間關(guān)系曲線

由圖4可知：在加熱功率不同的情況下，光纖的溫升變化趨勢總體相似，在開始階段溫升值斜率都較大，而后溫升值斜率變小，溫升增加趨勢變緩，最后光纖溫升值在上下波動中趨于穩(wěn)定。試驗表明當(dāng)加熱時間為1000 s左右時，各功率下光纖溫升值均趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所以本試驗將加熱時間設(shè)定為1200 s。

理論上加熱功率越大光纖溫升越明顯，但隨著加熱功率的增大，對調(diào)壓儀的要求也更高，并且過大的加熱功率會使試驗安全性降低；由圖4可知，在1-9 W/m加熱功率下光纖溫升的穩(wěn)定狀態(tài)值分別為0.2 K、0.3 K、0.4 K、0.8 K、1.0 K、1.2 K、1.8 K、2.4 K、2.9 K。當(dāng)加熱功率較小為1 W/m時，各樁中光纖溫升值都較小，在其加熱功率下信號放大不夠，難以區(qū)分各模型；當(dāng)加熱功率過大時，其能耗過高，且空氣中的光纖塑料外包層易達(dá)到燃點而自燃，從而引起安全問題。因此本試驗選取2 W/m、4 W/m、6 W/m、8 W/m作為加熱功率值。

3 試驗結(jié)果

3.1 光纖溫升規(guī)律

通過對空氣中光纖設(shè)定點進行多次不同功率加熱，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：45-52 m測量點處于①號樁、55-62 m測量點處于②號樁、65-72 m測量點處于③號樁中。

由圖4可知，加熱功率越大光纖溫升越大，以加熱1200 s時為例，測得溫升變化見圖5。

圖 5 加熱1200 s時各樁光纖溫升

結(jié)合圖4和圖5可以看出：

1)在不同加熱功率下，各模型樁中光纖的溫升變化趨勢相似，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)定狀態(tài)。

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，溫升值曲線穩(wěn)定段存在一定波動，如4 W/m以下的加熱功率與溫升值的關(guān)系曲線。隨著加熱功率的增加，曲線波動現(xiàn)象逐漸減弱，在6 W/m以上的加熱功率的曲線波動現(xiàn)象消失。

4)在各加熱功率下，空氣段的光纖溫升值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于各模型樁內(nèi)的溫升值，且隨著加熱功率的增加，其差值越來越大。

5)在各加熱功率下，各模型樁內(nèi)溫升大小不同，溫升大小依次為③>②>①，即溫升大小隨著水灰比增加而增加。

3.2 加熱功率與光纖溫升相關(guān)性

由圖5可以發(fā)現(xiàn)，在不同的加熱功率下，空氣段溫度上升最快。同時，也反映出加熱功率與光纖溫升值有很大相關(guān)性。在選取的加熱功率下1號樁內(nèi)光纖溫升值與加熱時間的關(guān)系見圖6，2號樁、3號樁的光纖溫升圖與1號樁類似。不同功率下光纖穩(wěn)定溫升見圖6。

圖 6 號樁中光纖溫升圖

由圖6可得：在各加熱功率下光纖的溫升曲線明顯分為兩個階段。第一階段為快速升溫段，持續(xù)約200 s，在這個階段光纖溫度值增加迅速；第二階段為穩(wěn)定上升段，在200 s之后，光纖溫度增加減緩，最后保持穩(wěn)定。在各加熱功率下，1號樁內(nèi)光纖最高溫升值分別為0.9 K、2.0 K、2.8 K、3.7 K。

為了更加清晰的反應(yīng)出加熱功率對光纖溫升的影響。本試驗根據(jù)各模型樁中光纖溫升穩(wěn)定段的數(shù)據(jù)作為最后各樁的穩(wěn)定溫升值，見表1。

表1 各樁在不同加熱功率下的穩(wěn)定溫升值

由表1中各模型樁在不同加熱功率下的穩(wěn)定溫升值可知：光纖溫升值隨著加熱功率的增加而增大，即溫升是功率的單調(diào)遞增函數(shù)。并采用過原點的線性函數(shù)對各模型樁溫升值與加熱功率關(guān)系曲線進行擬合，并定義擬合表達(dá)式為

ΔT=aI

(1)

式中：ΔT為溫升，K；I為加熱功率，W/m；a為擬合相關(guān)系數(shù)。

由擬合結(jié)果知，各擬合曲線相關(guān)系數(shù)均大于0.9954，所以可認(rèn)為光纖溫升值與加熱功率存在良好的線性關(guān)系。在各樁中光纖溫升與加熱功率之間的關(guān)系為：

在1號樁中：

ΔT=0.4592I

在2號樁中：

ΔT=0.5005I

在3號樁中：

ΔT=0.5481I

4 灌注樁離析程度對光纖溫升的相關(guān)性分析

由檢測到的各模型樁的穩(wěn)定溫升值，可分析得在不同加熱功率下光纖溫升與水灰比關(guān)系曲線(圖7)。本試驗采用線性擬合，設(shè)溫升值是水灰比的不過原點的遞增函數(shù)。

圖 7 光纖溫升與離析程度關(guān)系曲線

由圖7分析可得：

1)在各種加熱功率下，光纖溫升隨著水灰比(離析程度)的增加而增大。在加熱功率分別為2W/m、4W/m、6W/m、8W/m時，③號樁較①號樁穩(wěn)定溫升差值分別為0.03K、0.30K、0.59K、0.74K，③號樁較②號樁穩(wěn)定溫升差值分別為0.02K、0.17K、0.31K、0.39K。

2)隨著加熱功率增加，不同水灰比下的溫升差值越來越大。由此可見，水用量的增加導(dǎo)致了溫度的異常，且隨著加熱功率的增加，該異常被放大。

3)加熱功率分別為2W/m、4W/m、6W/m、8W/m時，各直線的擬合相關(guān)系數(shù)為0.9939、0.9938、0.9991、0.9985。由此可得各加熱功率下光纖溫升與水灰比之間有很好的線型關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，可以通過光纖溫升反應(yīng)樁身的水灰比。

由于在模型制作過程中混合均勻、振搗充分，澆筑完成后樁身密實性較好。但是在相同加熱功率下，各樁的溫升情況有較大差異，表明光纖溫升與其所處樁身材料介質(zhì)的性質(zhì)和材料導(dǎo)熱系數(shù)密切相關(guān)。本試驗水灰比的不同導(dǎo)致了各樁中光纖溫升的不同。在實際工程中，當(dāng)水灰比達(dá)到一定比例數(shù)值時，所澆筑灌注樁將產(chǎn)生離析，水灰比越大樁體質(zhì)量離析程度越大，導(dǎo)熱系數(shù)也越小，所以其模型樁內(nèi)的光纖溫升也越大。因此在加熱過程中，表現(xiàn)為水灰比越大樁中光纖溫升越高，且隨著水灰比的增加光纖溫升亦增加，由此可通過溫度的差異來判斷樁體因水灰比較大而產(chǎn)生的缺陷。

5 結(jié)論及建議

在實際工程中，當(dāng)樁體材料水灰比達(dá)到一定比例數(shù)值時，所澆注的灌注樁將產(chǎn)生離析。本文通過設(shè)計不同水灰比材料澆注的模型灌注樁，檢測在內(nèi)置熱源情況下，水灰比與樁體內(nèi)溫度變化的相關(guān)性，研究結(jié)果表明：

1)通過設(shè)計模型試驗，初步驗證了分布式光纖測溫技術(shù)用于離析灌注樁完整性檢測的可行性，為樁基質(zhì)量缺陷檢測提供了新的檢測手段。

2)在各模型樁中，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)在各加熱功率下，光纖溫升隨著水灰比(離析程度)的增加而增加，兩者之間具有良好的線性關(guān)系。

4)通過模型試驗為工程離析灌注樁的檢測提供了技術(shù)方法和理論基礎(chǔ)。

本文提出的方法豐富了現(xiàn)有灌注樁質(zhì)量檢測手段，在熱傳導(dǎo)理論和室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，得到了一些離析樁的溫升特征，還需要在試驗和工程實踐中進一步完善。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Model Test of Isolated Bored Pile Detection Based on Temperature of Optical Fiber Sensing Technology

XU Chaofan1, FAN Meng2,LIU Yongli1, XIAO Hengling1

(1SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.，Wuhan430068，China; 2XiamenMunicipalGroup,XiamenMunicipalInstitute，Xiamen361000,China)

This paper introduces the principle of bored pile foundation detection of distributed optical fiber temperature sensing technology. Model tests have been designed that three different kinds of segregation of pile have been made with the water-cement ratios of 0.38、0.48 and 0.58. The temperature rise of the optical fiber in the piles has been measured to analyze the rule of the temperature rise. The influence of the size of the heating power on the optical fiber temperature rise has been researched and a good linear relationship has been concluded. The influence of the segregation degree to the optical fiber temperature rise has been researched and the temperature rise increasing with the increment of the segregation degree has been supported by the results.

Water-cement ratio; Isolated pile; Model test; Distributed optical fiber temperature sensing technology；Temperature rise

2016-02-09

國家自然科學(xué)基金項目(51578219)；湖北省科技廳創(chuàng)新群體項目(2012FFA035)；湖北省教育廳創(chuàng)新團隊項目(T201605)

徐超凡(1988-)， 男， 湖北荊門人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為光纖傳感測量

劉永莉(1984-)，安徽界首人，工學(xué)博士，湖北工業(yè)大學(xué)講師，研究方向為巖土工程的檢測及評價

1003-4684(2017)02-0105-05

TU473

A