BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)在樁基測(cè)試中的應(yīng)用研究

黃曉維 鄭建國(guó) 于永堂 劉爭(zhēng)宏 張 龍

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710043）

0 引言

樁基作為地下工程的主要類型，其施工質(zhì)量和工后變形直接影響上層建筑的穩(wěn)定性。作為地下隱蔽工程，以往的測(cè)試手段以靜載荷試驗(yàn)法以及高應(yīng)變、低應(yīng)變動(dòng)測(cè)方法為主[1]，監(jiān)測(cè)則采用鋼筋計(jì)、應(yīng)變片等點(diǎn)式測(cè)試技術(shù)[2]，這些技術(shù)受外界環(huán)境影響大、干擾因素多、埋入傳感器成活率不高，難以對(duì)樁基進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效監(jiān)測(cè)[3]。隨著光纖傳感技術(shù)的逐步成熟，其在土木、水利、隧道和橋梁等工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)具有分布式測(cè)量、抗干擾強(qiáng)、長(zhǎng)距離傳輸、成活率高、耐久性強(qiáng)和協(xié)調(diào)性能好等優(yōu)點(diǎn)，能滿足工程結(jié)構(gòu)全斷面監(jiān)測(cè)要求[4?5]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將光纖傳感技術(shù)引入樁基工程測(cè)試中，取得了一系列成果[6?8]。國(guó)際上主流的傳感技術(shù)主要包括：光時(shí)域傳感技術(shù)（OTDR）、基于布里淵散射光時(shí)域的分布式光纖傳感技術(shù)（如BOTDR、BOTDA）、基于拉曼背向散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)（如ROTDR）、基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)（如OFDA）以及基于布拉格光纖光柵的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)（如FBG）等[4,8]?；诓祭餃Y散射光時(shí)域的分布式光纖傳感技術(shù)（BOTDR）是發(fā)展較快、研究較成熟的一項(xiàng)傳感技術(shù)，已成功實(shí)現(xiàn)在預(yù)應(yīng)力管樁和鉆孔灌注樁等樁型中進(jìn)行樁身軸力、側(cè)摩阻力、樁端阻力、樁身應(yīng)變等參數(shù)測(cè)試，并能準(zhǔn)確確定樁身破壞位置，分析破壞原因[9?11]。魏廣慶等[12]基于BOTDR傳感原理，對(duì)預(yù)制樁在分布式應(yīng)變模式下的樁身應(yīng)變、內(nèi)力分布測(cè)試進(jìn)行了研究，并結(jié)合實(shí)例，分析了測(cè)試誤差的可能來源。樸春德等[13]成功將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于鉆孔灌注樁的檢測(cè)中，并與傳統(tǒng)的鋼筋計(jì)、土壓力盒等點(diǎn)式監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得出BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)在測(cè)試全樁身軸力、側(cè)摩阻力分布、確定端承力和檢驗(yàn)樁身澆注質(zhì)量等方面效果良好。因此，BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)作為一種新型檢測(cè)技術(shù)，在樁基測(cè)試中取得了良好的效果，面對(duì)樁基工程測(cè)試的廣大市場(chǎng)需求，具有廣泛的應(yīng)用前景和重大的工程意義。

1 BOTDR技術(shù)原理與設(shè)備

1.1 原理及特點(diǎn)

BOTDR的核心技術(shù)是檢測(cè)光纖中的背向布里淵散射信號(hào)[14?15]。應(yīng)用于樁基測(cè)試時(shí)，通過向光纖中注入脈沖光，若光纖沿樁身發(fā)生軸向應(yīng)變，則光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移[16?17]。據(jù)前人的試驗(yàn)及研究，頻率的漂移量與光纖發(fā)生的軸向應(yīng)變呈一定的線性關(guān)系，依據(jù)測(cè)試前標(biāo)定的光纖線性系數(shù)，便可獲得光纖的應(yīng)變變化量，進(jìn)而推算出樁身內(nèi)力等其他參數(shù)，由于測(cè)試和監(jiān)測(cè)的對(duì)象是應(yīng)變，光纖傳感測(cè)試技術(shù)往往需要采取溫度補(bǔ)償措施[18?19]。

該技術(shù)的特點(diǎn)在于能將普通的單模光纖作為傳感介質(zhì)，無需另外特殊加工，無需回路，單端便可完成測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)對(duì)大型結(jié)構(gòu)工程（橋梁工程）和線狀工程（石油管道、水利工程）的全分布式檢測(cè)和監(jiān)測(cè)[6,20]。

1.2 儀器設(shè)備

（1）傳感光纖類型

傳感光纖可分為無護(hù)套和有護(hù)套。無護(hù)套的傳感光纖稱為裸纖，尺寸纖細(xì)，材質(zhì)脆性大，極易折斷，僅適合室內(nèi)試驗(yàn)研究使用。有護(hù)套的光纖統(tǒng)稱為光纜，為應(yīng)對(duì)樁基工程中復(fù)雜、苛刻的施工環(huán)境，常在裸纖外封裝護(hù)套和保護(hù)層，以提高光纖的強(qiáng)度和存活率，通常具有多層結(jié)構(gòu)，主要包括纖芯、包層、涂覆層、護(hù)套等[21]。據(jù)調(diào)研，國(guó)內(nèi)如?？乒怆娂夹g(shù)有限公司等有生產(chǎn)銷售各種類型的分布式光纖傳感光纜，搭配分布式布里淵光纖傳感解調(diào)儀，已成功應(yīng)用于橋梁等鋼結(jié)構(gòu)體、隧道等水泥結(jié)構(gòu)體表面、土木工程結(jié)構(gòu)等應(yīng)變分布的監(jiān)測(cè)。索文斌等[22]概括了兩類分別適用于預(yù)制樁和灌注樁的分布式傳感光纜，如圖1所示，各類參數(shù)見表1?？傮w來看，在灌注樁使用的光纖直徑較粗，彈性模量大，承受拉力荷載值高，而預(yù)制樁中埋設(shè)的光纖強(qiáng)度參數(shù)要比灌注樁中低得多，這也是結(jié)合不同樁型及其受力特點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)適用的條件下，選擇最優(yōu)的光纖類型（見圖1）。

圖1 兩類傳感光纜示意圖[22]

表1 傳感光纜性能參數(shù)[22]

（2）光纖標(biāo)定

在光纖中發(fā)生布里淵散射光的頻率會(huì)隨樁身的變化而發(fā)生改變[23]，因此，使用基于BOTDR理論的光纖傳感技術(shù)進(jìn)行樁基測(cè)量時(shí)，使用前必須對(duì)光纖進(jìn)行標(biāo)定，以獲得其頻移與應(yīng)變之間的線性關(guān)系[24]。標(biāo)定工作一般在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，常用的方法有等強(qiáng)度梁法、定荷拉伸法、定點(diǎn)拉伸法等[25?26]，其中定點(diǎn)拉伸法在業(yè)內(nèi)應(yīng)用最廣。標(biāo)定工作大多基于裸纖進(jìn)行，相應(yīng)的技術(shù)和配套裝置也發(fā)展成熟。此外，安鵬舉等[26]對(duì)緊包光纖標(biāo)定進(jìn)行了試驗(yàn)，并基于定點(diǎn)拉伸法提出了改進(jìn)的標(biāo)定方法，較傳統(tǒng)方法取得了更好的測(cè)試效果。實(shí)際工程應(yīng)用中的光纖往往具有過厚的黏結(jié)層（如鎧裝光纖），會(huì)造成光纖初始應(yīng)變不均，因此在標(biāo)定過程中受拉時(shí)存在應(yīng)力分布調(diào)整。針對(duì)這類光纖的標(biāo)定，目前在理論研究和試驗(yàn)裝置方面仍有大量的工作需要進(jìn)行。

（3）測(cè)量系統(tǒng)

國(guó)外對(duì)于光纖傳感測(cè)量系統(tǒng)研究起步較早、水平較高，如美國(guó)、加拿大、瑞士、日本等國(guó)家先后在系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用方面取得了巨大進(jìn)步[5,27]。國(guó)內(nèi)如南京大學(xué)施 斌團(tuán)隊(duì)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)董永康團(tuán)隊(duì)、四川大學(xué)劉浩吾等先后研發(fā)生產(chǎn)了分布式光纖傳感技術(shù)系列產(chǎn)品，并在橋梁、隧道工程中付諸實(shí)用。為更好地推廣光纖傳感技術(shù)并服務(wù)于工程應(yīng)用，本文進(jìn)一步調(diào)研了國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)研發(fā)相關(guān)儀器的情況，包括儀器名稱、型號(hào)、測(cè)量參數(shù)、測(cè)量精度等信息參數(shù)，并總結(jié)了一些代表性的生產(chǎn)銷售公司及其部分產(chǎn)品（見表2）。

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，美國(guó)生產(chǎn)的分布式光纖傳感設(shè)備在國(guó)內(nèi)整體價(jià)格昂貴，在實(shí)際樁基工程應(yīng)用中難以推廣，而瑞士、意大利等國(guó)家生產(chǎn)的大多產(chǎn)品既能滿足測(cè)量精度的需求，價(jià)格在國(guó)內(nèi)又可被普遍接受，目前使用較多。隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和技術(shù)實(shí)力的崛起，未來將會(huì)研發(fā)出更加低價(jià)高效的光纖傳感測(cè)量系統(tǒng)，以便分布式光纖傳感技術(shù)在樁基測(cè)試中廣泛推行與應(yīng)用。

2 基于BOTDR技術(shù)的樁基測(cè)試

2.1 安裝工藝

現(xiàn)有的測(cè)試手段是將分布式傳感光纖植入到樁基內(nèi)部去測(cè)量，根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，安裝的成功與否直接決定著測(cè)試效果。本文整理了已有的光纖成功安裝工藝，旨在為光纖在樁基測(cè)試中的布設(shè)提供參考。根據(jù)樁基種類、測(cè)試過程以及測(cè)試內(nèi)容的不同，就應(yīng)用最為廣泛的預(yù)制樁和鉆孔灌注樁進(jìn)行歸納總結(jié)。

（1）預(yù)制樁（PHC管樁）

PHC管樁即預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁，是采用預(yù)應(yīng)力離心成型工藝制成的一種空心圓筒型混凝土預(yù)制構(gòu)件[28]。測(cè)試時(shí)通常沿樁身軸線布置一組或多組兩兩互成90°的傳感光纖，對(duì)樁身的縱向變形進(jìn)行測(cè)試[12]。此外，施 斌等[18]指出，在貫入預(yù)制樁過程中，樁尖部位最易產(chǎn)生局部破壞，因此在該位置一定深度內(nèi)應(yīng)設(shè)置一定間隔的環(huán)向應(yīng)變傳感光纖和溫度補(bǔ)償光纖，以監(jiān)測(cè)樁身的環(huán)向變形和裂縫情況。實(shí)施步驟可概括如下，布設(shè)示意如圖2。

圖2 預(yù)制樁中傳感光纖布設(shè)示意圖

一是開槽布纖。沿樁身表面預(yù)先設(shè)計(jì)測(cè)試路線，后用切割工具沿設(shè)計(jì)路線進(jìn)行開槽，其深度和寬度以能放入測(cè)試光纖為準(zhǔn)，光纖埋入后采取定點(diǎn)固定。

二是涂膠防護(hù)。槽內(nèi)推薦使用高強(qiáng)膠劑進(jìn)行填充、粘貼和表面保護(hù)，樁頭處光纖外露部分可加套管保護(hù)，再用緩沖材料進(jìn)行包裹固定。

三是光纖對(duì)接。將已埋設(shè)好光纖的管樁按先后順序貫入，在樁接口施工處，先進(jìn)行樁的焊接，之后將上下樁對(duì)應(yīng)的光纖進(jìn)行對(duì)接并采取保護(hù)措施，為保證光纖接口成功，兩端保證有富余的光纖長(zhǎng)度，確認(rèn)對(duì)接成功后將冗余的光纖盤在樁接頭處加特殊保護(hù)層，后接著打樁施工。

（2）鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是指通過機(jī)械或人力等手段在地基土中形成樁孔，后在孔中放入鋼筋籠，再灌注混凝土而形成的樁[28]。因此傳感光纖是同鋼筋籠一起放入樁孔的，具體實(shí)施方法與步驟概括如下[13,29?30]，布設(shè)示意如圖3[22]。

圖3 鉆孔灌注樁光纖布設(shè)示意圖

一是光纖布設(shè)。傳感光纖垂直布設(shè)在鋼筋籠對(duì)稱的二根主筋上，為保證其成活率，采用U型放線布設(shè)，且布設(shè)位置盡量靠近鋼筋籠主筋側(cè)面。

二是綁扎固定。該工藝的主要目的是使傳感光纖能夠鉛直埋設(shè)于樁內(nèi)。因此，綁扎時(shí)應(yīng)對(duì)其給予一定的預(yù)應(yīng)力，可將光纖一端固定，另一端利用鎖線器拉緊，采用定點(diǎn)固定的方式，用高壓膠帶或類似其他膠帶進(jìn)行綁扎，固定間隔宜為20～50 cm。

三是過彎及出口保護(hù)。要點(diǎn)是在傳感光纖彎折及混凝土出露位置處加松套管進(jìn)行保護(hù)，防止其折斷。其次在澆筑混凝土過程中，對(duì)其進(jìn)行覆蓋保護(hù)，防止機(jī)械設(shè)備的破壞。傳感光纖應(yīng)在樁頭預(yù)留一定的長(zhǎng)度，以便后續(xù)接入BOTDR調(diào)解儀進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)對(duì)預(yù)留的光纖進(jìn)行特殊保護(hù)，防止后期樁頭施工和養(yǎng)護(hù)對(duì)傳感光纖產(chǎn)生損壞。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

分布式光纖傳感技術(shù)能采集到整個(gè)測(cè)試路線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)，可達(dá)成千上萬(wàn)個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)包含了布里淵散射光頻移、功率譜、損耗及光纖應(yīng)變等信息，一次測(cè)量的數(shù)據(jù)量非常龐大。受外界因素的影響，這些巨大的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中常包含著異常數(shù)據(jù)點(diǎn)、噪聲信號(hào)等干擾數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的處理旨在通過一定的處理技術(shù)及異常識(shí)別模型和方法提取出真實(shí)有用的數(shù)據(jù)，以便于樁基變形分析[13,29,31]。

樸春德等[13]提出了對(duì)采集數(shù)據(jù)的兩種處理方法，即去噪和平滑處理。去噪方法采用了小波分析的原理和方法，即去除噪聲信號(hào)，保留真實(shí)信號(hào)，改善信號(hào)的信噪比[32]；平滑處理則采用了移動(dòng)平均法，減弱或消除偶然因素作用，顯示應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)。

2.3 測(cè)試效果

大量研究結(jié)果表明，BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)在樁基測(cè)試中取得了良好效果，同時(shí)，對(duì)可獲得的測(cè)試參數(shù)及結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)分析[9,12,33]。

（1）樁基樁體全斷深應(yīng)變分布。

（2）根據(jù)樁身的形狀和材料力學(xué)參數(shù)，推算出樁身內(nèi)力、側(cè)摩阻力及樁端阻力。

（3）查明樁徑異常和土層突變位置，準(zhǔn)確識(shí)別和判斷樁身質(zhì)量缺陷，分析施工工藝等因素對(duì)樁身承載性能的影響。

（4）通過多方位布設(shè)光纖測(cè)樁身應(yīng)變，對(duì)樁身形態(tài)和偏心荷載情況進(jìn)行判斷分析，更加全面地了解基樁承載特性。

2.4 工程實(shí)例

圖4顯示了某工地超高層試樁試驗(yàn)工程中應(yīng)變和軸力部分測(cè)試結(jié)果。由測(cè)試結(jié)果可知，樁身軸向應(yīng)變從樁頂?shù)綐兜字饾u減小，在不同荷載級(jí)別下呈現(xiàn)較好的一致性規(guī)律，可直觀觀測(cè)到樁身全斷面應(yīng)變變形分布；隨著樁頂施加的分級(jí)荷載增大，樁身軸力逐漸增大，而隨著樁體埋深的增加，軸力也相繼趨于零，呈現(xiàn)同步變化和一致性規(guī)律。

圖4 樁基部分參數(shù)測(cè)試結(jié)果示意圖

3 結(jié)論

隨著BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)在樁基工程測(cè)試中的逐步推廣，理論和實(shí)踐日益加強(qiáng)，改變了隱蔽的樁基工程在檢測(cè)、監(jiān)測(cè)的中的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)樁基樁身的全斷面監(jiān)測(cè)，大大提高了監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性并切實(shí)保障了工程建設(shè)安全。本文總結(jié)了基于BOTDR原理的分布式光纖傳感技術(shù)在樁基測(cè)試方面的基本原理、設(shè)備概況、測(cè)試流程、數(shù)據(jù)處理與分析及測(cè)試結(jié)果與效果評(píng)價(jià)，進(jìn)一步提出該技術(shù)今后需深入研究的方向。

（1）國(guó)內(nèi)目前使用的光纖調(diào)解儀大多從國(guó)外引進(jìn)，價(jià)格昂貴，在實(shí)際工程中難以廣泛應(yīng)用。需進(jìn)一步開展儀器設(shè)備方面研究，研發(fā)高精度、低價(jià)格的分布式光纖測(cè)試系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)該技術(shù)在樁基測(cè)試應(yīng)用中的全面推廣。

（2）面對(duì)復(fù)雜的地下施工環(huán)境，傳感光纖往往需要較厚的黏結(jié)層來進(jìn)行保護(hù)，嚴(yán)重影響了光纖標(biāo)定的準(zhǔn)確性。需進(jìn)一步研發(fā)更加可靠的光纖標(biāo)定設(shè)備，制定標(biāo)定工藝與流程，解決標(biāo)定中光纖因保護(hù)套導(dǎo)致的初始應(yīng)變不均等問題。

（3）數(shù)據(jù)處理過程中對(duì)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的識(shí)別和判斷對(duì)樁基樁身安全狀態(tài)的鑒別有著至關(guān)重要的作用。面對(duì)地下隱蔽工程，該過程往往因個(gè)人主觀操作而出現(xiàn)偏差。需要進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)處理方法，開展智能化數(shù)據(jù)處理研究。

隨著BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)在樁基測(cè)試領(lǐng)域的深入發(fā)展，其涵蓋的內(nèi)容和范圍愈加廣泛，本文僅對(duì)其中部分內(nèi)容做概述性總結(jié)和評(píng)述，為工程技術(shù)人員提供參考。