基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法

技术领域

本发明公开了一种基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法，涉及灌注桩桩身质量检测的技术领域。

背景技术

灌注桩具有较大的承载力且适应性强，在我国大多数高层建筑、桥梁等工程中得到普遍应用。随着基建工程的快速发展，灌注桩的需求必然会向着更大、更深等方向发展。然而，受地质条件的不确定性和施工过程的复杂性等因素的影响，在灌注桩桩体成型的过程中出现完整性缺陷(断桩、径缩、离析、夹泥等缺陷)的可能性高达15％～20％。由于桩基的深度较大、隐蔽性强，对桩基的质量缺陷进行修补是昂贵且耗时的，尤其是如果未能检测到大的缺陷，可能会导致严重的工程事故。因此，灌注桩桩体成型后的完整性检测对后期建筑的安全使用具有十分重要的意义。

目前针对灌注混凝土之后桩身完整性无损检测方法主要有低(高)应变动测、声波透射法和热完整性桩基检测技术。

低(高)应变动测的基本原理是：桩-土系统在动力作用下发生动态响应，基于一维杆件的波动理论，采用传感器接收桩顶的动态响应信号(如位移、加速度等信号)，通过对测得的信号进行一定的数学分析，据此来判定桩身结构的完整性。声波透射法是基于超声波的井间测试，由于声波在不同介质中传播表现出来的特性不同，在预埋声测管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，以此来判断桩基的好坏。声波透射法被如此广泛接受的主要原因是，它是一种准确、经济、无损的方法来检测钻孔井筒基础混凝土的完整性。此外，还决定了深层地基中混凝土的完整性和均匀性，并能识别结构中的孔隙或土壤侵入。热完整性桩基检测技术是一种新的桩基检测技术，其原理是在桩体成型初期，利用混凝土水化反应发热的原理，基于传统的测温手段对沿桩身不同深度处的温度进行测量，由于混凝土释放的温度与混凝土的用量和质量缺陷(缩颈、鼓包、夹泥)存在一定的相关关系，根据测得的温度与温度沿桩身的相对差异可以用来分析桩身的完整性。

上述方法均能够进行灌注桩桩身完整性检测，也存在各自的局限性。低(高)应变法容易受到周围环境的影响，对小缺陷的灵敏度不高，无法获得缺陷水平位置的信息；对于灌注桩，很难计算弹性模量，从而导致桩长和缺陷深度不准确，；声波透射法则需要在混凝土桩中插入声测管，并且只能检测到接触管之间存在的缺陷，存在一定的检测盲区，不容易检测到水平细小的裂纹，不能应用于未固化的混凝土桩，增加了检测时长，并且以上方法均需要考虑混凝土的龄期，在成桩一段时间后进行检测，相对增大了工期。

热完整性桩基检测技术在灌注桩成桩过程中，利用水泥水化反应产生的水化热，根据桩身的热传导特征判断桩身的完整性，可以节约工期，间接减少了工程费用。然而，现有传统的测温手段需要布设大量的温度传感器，增加了桩基检测的成本，且不能保证传感器的存活率；而现有的基于分布式光纤测温技术(DTS)的热法桩身完整性检测技术受到分布式光纤测温技术(DTS)的空间分辨率和测温精度的限制，对小范围的缺陷检测准确性较低，尤其是对低质量的混凝土和桩长较短的灌注桩检测精度低。还有一种方法是基于主动加热的分布式光纤测温技术(DTS)的桩身完整性检测技术，同样是根据桩身的热传导特征来判断桩基的完整性，但该方法则需要对预埋在灌注桩中的传感光纤加热进行桩基缺陷检测，操作复杂且延长了桩基检测的时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法，基于桩身混凝土水化热的热传导规律，预埋布设温度增敏单元的铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤，采用高精度、高灵敏和高空间分辨率的密集分布式光纤光栅温度传感技术对灌注后的桩身进行温度变化检测，通过对比桩身温度相对差异和灌注混凝土的用量及质量与缺陷的关系来获得桩身缺陷大小及位置，最终做出灌注桩的完整性评价。该发明采用大膨胀系数的金属作为光纤的基底，提高了密集分布式光纤光栅温度传感的灵敏性和精度，提高了桩基质量检测的精度和实时性。充分利用桩身混凝土释放的水化热对光纤进行被动加热，不需要主动加热光纤，提前了桩基质量检测的时间，并保证了桩身的完整性。不仅可以判断桩基的完整性信息，也可以得出灌注桩的桩径分布范围。传感光纤保护措施到位，可以用于长期的桩身和地下温度场监测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置，所述测量装置包括：铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤、温度增敏单元、密集分布式温度解调仪、温度数据处理单元、缺陷分析单元和桩基完整性评价单元；温度增敏单元布设在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤上，温度增敏单元由温度增敏元件和金属保护层组成，温度增敏元件环向设置在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤上，温度增敏元件外设置金属保护层；铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤定点绑扎在钢筋笼的主筋上；铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤与密集分布式温度解调仪连接；密集分布式温度解调仪采集温度数据后传输至温度数据处理单元；温度数据处理单元与缺陷分析单元连接；缺陷分析单元与桩基完整性评价单元连接。

所述的基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤的保护外层间隔一定距离剥离，将温度增敏元件环向设置在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤无保护层处，并在该位置处加盖金属保护层；

步骤二、将布设温度增敏单元的铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过金属保护层四周的小孔定点绑扎在灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋外侧面，在灌注桩桩头的位置预留一定长度的光纤；

步骤三、下放钢筋笼后，将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过光纤跳线连接至密集分布式温度解调仪，并检查线路；

步骤四、桩身混凝土灌注完成后，密集分布式温度解调仪开始采集一定时间内的桩身温度变化数据；

步骤五、密集分布式温度解调仪将采集到的温度数据传输至温度数据处理单元；

步骤六、缺陷分析单元根据桩身温度相对差异和灌注混凝土的用量及质量获得桩身缺陷大小及位置；

步骤七、桩基完整性评价单元依据缺陷分析单元得到的缺陷信息对灌注桩的桩身完整性做出评价。

所述步骤一中，温度增敏元件采用大热膨胀系数的金属材料。

所述步骤一中，根据桩长确定铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤保护外层剥离的长度及间隔距离。

所述步骤一中，金属保护层采用中间开槽的板状金属，并在四周加四个螺孔，便于光纤的绑扎固定。

所述步骤一中，注入环氧树脂时，要适当加热，以增加环氧树脂的流动性和密实度。

所述步骤二中，铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤采用定点绑扎的方式固定在灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋上，铺设形状呈U字形，在桩头位置预留一定长度并进行保护。

所述步骤三中，钢筋笼下放后，需要准确定位铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤在桩身内的位置。

所述步骤四中，灌注混凝土时，需要记录混凝土的用量及质量。

所述步骤四中，根据混凝土的用量及质量确定密集分布式温度解调仪的采集时间参数。

所述步骤五中，温度数据处理单元将采集到的温度数据处理为对应深度处的温度随时间的变化曲线。

所述步骤六中，根据不同平面位置处的桩身温度相对差异和灌注混凝土的用量及质量获得桩身缺陷大小及位置信息。

步骤七中桩基完整性评价单元将缺陷分析单元得到的桩身缺陷大小及位置信息与规范规定的桩基完整性指标进行对比，评价灌注桩的桩身完整性。

本发明的有益效果：

1.本发明将温度增敏材料与密集分布式光纤光栅温度传感技术相结合，极大的提高了测温精度和定位精度，采用本发明所述的装置和方法，布设温度增敏单元后，光纤光栅的热光系数没有改变，但其热膨胀性质发生改变，可以将密集分布式光纤光栅温度传感技术的测温精度提升到0.02℃，进而精确的获得桩身各个位置的温度变化。

2.通过对比不同平面位置处的桩身温度相对差异和灌注混凝土的用量及质量，密集分布式光纤光栅温度传感技术可以有效的检测灌注桩完整性，不仅克服了低(高)应变动测法对于长桩测量时对桩底的缺陷判断不准确的问题和超声检测法存在的检测盲区的问题，而且本发明充分利用混凝土水化热对光纤进行被动加热，与基于主动加热法的分布式光纤测温技术的桩身完整性检测技术相对比，不需要对光纤进行主动加热，就可以实现对灌注桩完整性的判断。

3.该方法能很好降低外界环境对桩基检测的干扰，传感器存活率高、分布式测量，并且操作简单，安装方便，基于被动法利用灌注桩的水化热进行桩基检测，能够极大地提前桩基检测的时间，进而降低测量成本，并且铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤的布设不会影响桩身的完整性。

附图说明

图1为本发明所述系统的组成示意图。

图2为温度增敏单元与铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤的连接示意图。

图3为灌注桩桩身温度变化图。

图4为灌注桩桩径及缺陷分布图。

图中铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤1、温度增敏单元2、温度增敏元件2-1、金属保护层2-2、密集分布式温度解调仪3、温度数据处理单元4、缺陷分析单元5和桩基完整性评价单元6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

一种基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法，其特征在于包括：铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤、温度增敏单元、密集分布式温度解调仪、温度数据处理单元、缺陷分析单元和桩基完整性评价单元；温度增敏单元布设在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤上，温度增敏单元包括温度增敏元件和金属保护层；铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤定点绑扎在钢筋笼的主筋上；铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤与密集分布式温度解调仪连接；密集分布式温度解调仪采集温度数据后传输至温度数据处理单元；温度数据处理单元与缺陷分析单元连接，根据密集分布式温度解调仪采集到的温度变化和温度沿桩身的相对差异来分析混凝土浇筑是否均匀及桩径范围，进一步判断灌注桩的完整性；缺陷分析单元与桩基完整性评价单元连接，将缺陷信息与完整性评价指标进行对比，最终做出钻孔灌注桩的完整性评价。

所述的基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法，包括以下步骤：

步骤一、将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤的保护外层间隔一定距离剥离，采用环氧树脂将温度增敏元件环向黏贴在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤无保护层处，并在该位置处加盖金属保护层；

步骤二、将布设温度增敏单元的铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过金属保护层四周的小孔定点绑扎在灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋外侧面，在灌注桩桩头的位置预留一定长度的光纤；

步骤三、下放钢筋笼后，将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过光纤跳线连接至密集分布式温度解调仪，检查线路完好；

步骤四、桩身混凝土灌注完成后，密集分布式温度解调仪开始采集一定时间内的桩身温度变化数据；

步骤五、密集分布式温度解调仪将采集到的温度数据传输至温度数据处理单元；

步骤六、缺陷分析单元根据桩身温度相对差异和灌注混凝土的用量及质量获得桩身缺陷大小及位置信息；

步骤七、桩基完整性评价单元依据缺陷分析单元得到的缺陷信息对灌注桩的桩身完整性做出评价。

进一步地，所述步骤一中，温度增敏单元采用大热膨胀系数的金属材料；

进一步地，所述步骤一中，根据桩长确定铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤保护外层剥离的长度及间隔距离；

进一步地，所述步骤一中，金属保护层采用中间开槽的板状金属，并在四周加四个螺孔，便于光纤的绑扎固定；

进一步地，所述步骤一中，注入环氧树脂时，要适当加热，以增加环氧树脂的流动性和密实度；

进一步地，所述步骤二中，铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤采用定点绑扎的方式固定在灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋上，铺设形状呈U字形，在桩头位置预留一定长度并进行保护；

进一步地，所述步骤三中，钢筋笼下放后，需要准确定位铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤在桩身内的位置；

进一步地，所述步骤四中，混凝土浇灌过程中，注意对桩头处预留的光纤进行保护；

进一步地，所述步骤四中，灌注混凝土时，需要记录混凝土的用量及质量；

进一步地，所述步骤四中，根据混凝土的用量及质量确定密集分布式温度解调仪的采集时间参数；

进一步地，所述步骤五中，温度数据处理单元将采集到的温度数据处理为对应深度处的温度随时间的变化曲线；

进一步地，所述步骤六中，通过下式根据混凝土的用量及质量可以得到理想状态下桩身的温度变化曲线；

θ(τ)＝θ

式中：θ(τ)表示在龄期τ时的绝热温升(℃)；θ

进一步地，所述步骤六中，当桩身的完整性不同时，不同平面位置处的桩身温度不同。通过对比不同平面位置处的桩身温度相对差异的变化，就可以得到灌注桩缺陷大小及位置信息，也可以进一步确定桩基的桩径。

进一步地，步骤七中，桩基完整性评价单元将缺陷分析单元得到的桩身缺陷大小及位置信息与规范规定的桩基完整性指标进行对比，评价灌注桩的桩身完整性。

实施例1

如图1所示，基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法包括：铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤1、温度增敏单元2、密集分布式温度解调仪3、温度数据处理单元4、缺陷分析单元5和桩基完整性评价单元6；

一种基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法，包括以下步骤：

步骤一、如图2所示，将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤的保护外层间隔一定距离剥离，采用环氧树脂将温度增敏元件环向黏贴在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤无保护层处，并在该位置处加盖金属保护层；注入环氧树脂时，要适当加热，以增加环氧树脂的流动性和密实度；

步骤二、将布设温度增敏单元的铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤定点绑扎在灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋外侧面，在灌注桩桩头的位置预留一定长度的光纤；

步骤三、下放钢筋笼后，将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过光纤跳线连接至密集分布式温度解调仪，检查线路完好；

步骤四、桩身混凝土灌注完成后，密集分布式温度解调仪开始采集一定时间内的桩身温度变化数据；

步骤五、密集分布式温度解调仪将采集到的温度数据传输至温度数据处理单元；

步骤六、缺陷分析单元根据桩身温度相对差异和灌注混凝土的用量及质量获得桩身缺陷大小及位置信息；

步骤七、桩基完整性评价单元依据缺陷分析单元得到的缺陷信息对灌注桩的桩身完整性做出评价。

实施例2

一种基于密集分布式光纤光栅温度传感技术的灌注桩完整性检测装置及方法，其特征在于包括：铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤1、温度增敏单元2、密集分布式温度解调仪3、温度数据处理单元4、缺陷分析单元5和桩基完整性评价单元6；温度增敏单元2布设在铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤1上，温度增敏单元2由温度增敏元件2-1和金属保护层2-2组成；铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤1定点绑扎在钢筋笼的主筋上；铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤1与密集分布式温度解调仪3连接；密集分布式温度解调仪3采集温度数据后传输至温度数据处理单元4；温度数据处理单元4与缺陷分析单元5连接，根据密集分布式温度解调仪3采集到的温度变化和温度沿桩身的相对差异来分析混凝土浇筑是否均匀及桩径范围，进一步判断灌注桩的完整性；缺陷分析单元5与桩基完整性评价单元6连接，将缺陷信息与完整性评价指标进行对比，最终做出钻孔灌注桩的完整性评价。

利用本发明所述装置及方法对某场地的灌注桩桩基进行完整性检测。试桩桩径500mm，桩长20m，试验场地为软土地基，0～5m为淤泥质粉质黏土，5～15m为粉土，20m以下为基岩。

步骤一、选择栅距为0.1m的铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤，如图2，采用大热膨胀系数为23×10

步骤二、将布设温度增敏单元的铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过金属保护层四周的小孔定点绑扎在灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋外侧面，铺设形状呈U字形，在灌注桩桩头的位置预留20m长度的光纤；

步骤三、下放钢筋笼后，将铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤通过光纤跳线连接至密集分布式温度解调仪，并检查线路；准确定位铠装密集分布式光纤光栅温度感测光纤在桩身内的位置；

步骤四、开始灌注混凝土并注意对桩头处预留的光纤进行保护，桩身总计使用C30的混凝土4.5m

步骤五、密集分布式温度解调仪将采集到的温度数据传输至温度数据处理单元，温度数据处理单元将采集到的温度数据处理为对应深度处的温度随时间的变化曲线，如图3所示；

步骤六、当桩身的完整性不同时，不同平面位置处的桩身温度不同。通过对比不同平面位置处的桩身温度相对差异的变化，就可以得到灌注桩缺陷大小及位置信息，也可以进一步确定桩基的桩径。通过下式根据混凝土的用量及质量可以得到理想状态下桩身的温度变化曲线；

θ(τ)＝θ

式中：θ(τ)表示在龄期τ时的绝热温升(℃)；θ

缺陷分析单元根据桩身温度相对差异和理想状态下桩身温度变化曲线，分析得出桩身混凝土浇筑过程中，最大温度变化是5℃。5m处温度变化分别为0.4℃，约为总温度变化的8％，判断桩身缺陷为缩颈，缺陷程度轻微,如图4所示。根据地层信息，5m位置为淤泥质黏土和粉土的接触面，易发生塌孔，导致桩身发生缩颈；

步骤七、桩基完整性评价单元依据缺陷分析单元得到的缺陷信息对灌注桩的桩身完整性做出评价。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。