雷文凱，肖衡林

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

如何對(duì)灌注樁完整性進(jìn)行全面、快速、高效檢測(cè)，并準(zhǔn)確評(píng)價(jià)樁基質(zhì)量，是樁基工程界一直關(guān)注的熱點(diǎn)課題。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)灌注樁完整性檢測(cè)進(jìn)行了深入的研究，提出了許多有效的檢測(cè)方法與技術(shù)，包括低應(yīng)變法、聲波透射法、高應(yīng)變法、取樣、鉆芯法、靜載試驗(yàn)等，這些目前常用的檢測(cè)方法存在設(shè)備笨重、效率低、費(fèi)用高、誤差較大、易漏檢錯(cuò)判、檢測(cè)條件嚴(yán)格、易受干擾、不能定量判斷、檢測(cè)周期長(zhǎng)、無法檢測(cè)和評(píng)價(jià)樁身混凝土保護(hù)層等問題［1］，且不能在線與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，難以滿足當(dāng)今工程建設(shè)與維護(hù)的需要，開拓發(fā)展新技術(shù)、新方法與新設(shè)備是當(dāng)務(wù)之急。

近幾年來，分布式光纖傳感技術(shù)因其高精度、抗腐蝕、抗電磁干擾、耐高壓、輕便、無損、能長(zhǎng)期在線實(shí)時(shí)快速分布式檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)，在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用也有很多實(shí)例，但一般集中于監(jiān)測(cè)樁基的應(yīng)變，通過所測(cè)得的應(yīng)變來反演樁身內(nèi)力、摩阻力及樁基承載力［2－3］。分布式光纖用于灌注樁不同施工階段的樁身溫度監(jiān)測(cè)方面還處于空白。而事實(shí)上，灌注樁的溫度，特別是水化熱過程中樁身的溫度分布情況與其完整性有很大關(guān)系［4］?；诖耍疚奶岢龌诜植际焦饫w測(cè)溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測(cè)方法。

1 檢測(cè)原理

1.1 分布式光纖測(cè)溫原理

在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)中，光纖既用來感知信息，也用作傳輸介質(zhì)，DTS（分布式光纖溫度測(cè)量?jī)x）利用激光在光纖中傳播時(shí)的后向Raman散射溫度效應(yīng)，對(duì)光纖沿線的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)拾取點(diǎn)進(jìn)行精確定位，溫度拾取點(diǎn)密度可按實(shí)際要求設(shè)置。根據(jù)蔡德所等［5］的研究成果，可將分布式光纖測(cè)溫原理具體闡述如下。

DTS激光發(fā)射裝置向通過特制接頭與其連接的光纖發(fā)射一束脈沖光，該脈沖光在傳感光纖中向前傳播（速度略低于真空中的光速），同時(shí)向光纖周圍發(fā)射散射光，散射光中有一部分沿光纖返回到入射端，入射光和反射光的時(shí)間差記為t，散射光發(fā)生的位置距入射端的距離

式（1）中：C為光纖中的光速，C＝c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率。DTS利用該式進(jìn)行溫度拾取點(diǎn)的定位。

返回入射端的反射光中，有一種稱做Raman散射光。該Raman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(qiáng)度隨溫度變化而發(fā)生改變。Anti－Stokes與Stokes的強(qiáng)度之比和溫度之間的關(guān)系可用下式表示：

式中：las為 Anti－Stokes光強(qiáng)；ls為Stokes光強(qiáng)；a為溫度相關(guān)系數(shù)，它是與Stokes光和Anti－Stokes光的波長(zhǎng)有關(guān)的一個(gè)常量；h為普朗克系數(shù)；c為真空中的光速；v為拉曼平移量；k為鮑爾次曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度值。

從式（2）可以看出，Anti－Stokes與Stokes的強(qiáng)度之比僅與溫度T有關(guān)，而與光強(qiáng)、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關(guān)。因此，根據(jù)檢測(cè)到的反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光強(qiáng)之比值可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。即：

值得注意的是，光纖測(cè)溫測(cè)量的是Raman反射光中Anti－Stokes與Stokes兩種成分之比，與它們各自的絕對(duì)值沒有關(guān)系，即使光纖老化，沿程的光損失變大，仍不會(huì)對(duì)測(cè)溫精度產(chǎn)生影響。

1.2 灌注樁樁身溫度分布與其完整性間的關(guān)系

正常情況下，硅酸鹽水泥水化放熱分為水解、初凝、水化反應(yīng)加速、水化物緩慢形成、穩(wěn)定期5個(gè)階段，而鉆孔灌注樁由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況復(fù)雜，容易形成縮徑、孔洞、夾泥、離析、沉渣過厚、斷樁等缺陷，對(duì)樁身混凝土的水化過程產(chǎn)生影響。溫度在0～100℃之間時(shí)，正?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)約為1.28W／（mK），卵石、黃砂、砂土的導(dǎo)熱系數(shù)也各不相同。顯然，缺陷體的密度、材質(zhì)等與正?；炷劣泻艽蟛煌?，熱傳導(dǎo)能力偏低，不管何種樁身缺陷，同正常情況下混凝土相比，在水解、凝結(jié)、硬化過程中，樁身釋放的熱量普遍偏少，由于樁身溫度變化不均勻，樁身夾泥等缺陷，甚至沒有熱量釋放出來。高飛等指出：通過對(duì)大直徑灌注樁混凝土澆注時(shí)所產(chǎn)生水化熱的精確測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樁身完整性檢測(cè)的目的，一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足與缺陷［4］，并提出了基于混凝土水化熱的大直徑灌注樁樁身完整性檢測(cè)新技術(shù)［1］，其研究成果表明：灌注樁缺陷體對(duì)熱量的傳導(dǎo)能力普遍較差，可以通過精確測(cè)量大直徑灌注樁混凝土水化熱而產(chǎn)生的溫度梯度來判定樁身完整性，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。因此，如果能精確測(cè)量出灌注樁混凝土硬化過程中因水化熱而導(dǎo)致的樁身溫度分布情況，就能對(duì)樁身結(jié)構(gòu)完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

基于分布式光纖測(cè)溫技術(shù)的灌注樁完整性檢測(cè)方法的原理是：采用DTS，借助埋設(shè)在灌注樁中的分布式光纖測(cè)量樁身不同時(shí)刻的溫度分布情況，得到整個(gè)灌注樁在不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)，由于溫度場(chǎng)和材料的熱力學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，熱力學(xué)參數(shù)可反映材料成分等性質(zhì)，于是通過反演溫度場(chǎng)，便可得知灌注樁不同部位的材料和結(jié)構(gòu)特性，即樁身的完整性。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 試樁概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所選試樁是武漢某測(cè)繪院大樓的鉆孔灌注樁，采用泥漿護(hù)壁沖擊鉆法進(jìn)行成孔。試樁各參數(shù)見表1。鋼筋籠總長(zhǎng)度52m，分6段先后進(jìn)行吊裝，段與段之間的焊接在吊裝過程中完成。

表1 試樁概況

2.2 分布式光纖的鋪設(shè)

經(jīng)與施工人員的溝通協(xié)調(diào)，在鋼筋籠吊裝的過程中進(jìn)行分布式光纖的鋪設(shè)（圖1）。光纖既是傳輸媒介，也是傳感媒體，它的成功鋪設(shè)對(duì)樁體溫度監(jiān)測(cè)起關(guān)鍵作用，必須保證光纖暢通無斷點(diǎn)。

圖1 光纖鋪設(shè)示意圖

為提高測(cè)溫精度并抵抗外界干擾、減小損傷，傳感光纖選用金屬鎧裝線性光纖。將鎧裝光纖沿著鋼筋籠對(duì)稱的1＃和7＃兩根主筋進(jìn)行鋪設(shè)，鋪設(shè)過程中盡量使光纖保持挺直，每隔50cm左右綁扎一次，綁扎與下籠同時(shí)進(jìn)行，形成U型回路，兩端接上尾纖后，可用DTS進(jìn)行雙通道測(cè)量，起到對(duì)比作用。根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，傳感光纖在樁頂每端預(yù)留約15 m，方便尾纖接入和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。鋪設(shè)過程中要特別注意以下3點(diǎn)：1）鎧裝光纖應(yīng)沿著主筋的側(cè)邊進(jìn)行鋪設(shè)，避免混凝土在澆注時(shí)直接沖撞光纖；2）U型回路底部，也就是鋼筋籠最底處，應(yīng)沿鋪設(shè)光纖的主筋和底部加強(qiáng)筋焊兩根弧形鋼筋，使傳感光纖在回路底部平滑過渡；3）施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，尾纖頭部及尾纖與鎧裝光纖的熔接處需進(jìn)行保護(hù)（圖2）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及數(shù)據(jù)處理

試樁澆筑混凝土的時(shí)間是7月6號(hào)凌晨2點(diǎn)到7點(diǎn)，在樁身混凝土澆注完畢后，將樁頂預(yù)留的傳感光纖與尾纖熔接，用金屬波紋管保護(hù)好接頭，然后把DTS搬進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，接入尾纖，測(cè)量樁身混凝土中光纖的溫度，如圖2所示。總共進(jìn)行了五次測(cè)量，分別在7月7號(hào)下午5點(diǎn)20分、7號(hào)晚上9點(diǎn)30分、8號(hào)上午9點(diǎn)17分、10號(hào)下午5點(diǎn)12分、14號(hào)下午6點(diǎn)。

DTS記錄數(shù)據(jù)的周期設(shè)置為1min，每次測(cè)量持續(xù)時(shí)間為5min，獲得5組數(shù)據(jù)。由于灌注樁樁身材料的級(jí)配、顆粒大小以及樁體所處環(huán)境等的不同，測(cè)得的5組數(shù)據(jù)有一定程度的波動(dòng)性，因此，用平均法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修勻，消除或減輕偶然因素的影響，盡可能真實(shí)地反映樁身溫度，即對(duì)一次測(cè)量的5組數(shù)據(jù)求算術(shù)平均數(shù)，把求得的平均值作為該次測(cè)量的溫度實(shí)測(cè)值。測(cè)量的同時(shí)，對(duì)尾纖或樁頂預(yù)留的傳感光纖進(jìn)行局部加熱，便于在分析數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)傳感光纖進(jìn)行定位，也就是將DTS上顯示的橫坐標(biāo)（光纖長(zhǎng)度）與灌注樁高程對(duì)應(yīng)起來。通過平均法把不規(guī)則的溫度變動(dòng)修勻，減小了數(shù)據(jù)因偶然因素影響而產(chǎn)生的波動(dòng)性，再結(jié)合光纖在樁體中的定位情況，即可得出樁身溫度的分布曲線，然后根據(jù)溫度分布曲線的特征分析灌注樁的完整性。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

以樁體頂部高程為零點(diǎn)，深度為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)，建立每次測(cè)量時(shí)兩對(duì)稱主筋附近樁身溫度與樁體深度的曲線關(guān)系（圖3、圖4）。

圖3 1＃主筋附近樁身溫度分布曲線

圖4 7＃主筋附近樁身溫度分布曲線

因樁底溫度過大，圖3、圖4沒有將樁底溫度情況體現(xiàn)出來，須作特別說明。樁底在每次測(cè)量時(shí)的溫度均超過50℃，前三次測(cè)量的樁底溫度甚至超過70℃，而除樁底外，樁身其他部分溫度大多在20～40℃之間。顯然，這種差異是由于灌注樁在澆筑過程中，混凝土中的水泥因重力作用沉積在樁底，并發(fā)生劇烈的水化反應(yīng)，從而導(dǎo)致樁底溫度大大超出樁體其他部分的溫度。這種差異表明樁底上部混凝土存在一定程度的離析。

通過對(duì)不同時(shí)間測(cè)量的溫度曲線進(jìn)行比較，可以看出，第一次測(cè)量的樁身整體溫度最高，其它測(cè)量的溫度都比第一次測(cè)量?。?2h樁身溫度大約為36℃，50h樁身溫度大約為31℃，106h樁身溫度大約為33℃，203h樁身溫度大約為23℃。且隨著測(cè)量時(shí)間的推移，樁身溫度變化越來越小，慢慢趨于穩(wěn)定，由于混凝土澆筑后會(huì)產(chǎn)生大量水化熱，所以最先測(cè)量時(shí)樁身溫度最高，慢慢的隨著熱量的傳導(dǎo)，樁身溫度漸漸降低，最后達(dá)到與環(huán)境溫度相同。

比較同一時(shí)間測(cè)量所得的樁身溫度分布曲線，發(fā)現(xiàn)1＃和7＃主筋附近的樁身溫度基本相同，且溫度曲線的變化趨勢(shì)基本一致，這表明樁身在同一深度處的材質(zhì)和混凝土密實(shí)度基本相同，也就是樁體在同一深度處完整性基本相同；比較不同時(shí)間的樁身溫度分布曲線，可以直觀地看到，第一次測(cè)量時(shí)樁身整體溫度最高，隨后每次測(cè)量時(shí)樁身整體溫度依次變小，且五次測(cè)量的樁身溫度分布曲線變化趨勢(shì)一致，說明灌注樁澆筑后，隨著時(shí)間推移，樁身混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的熱量逐漸變少，從而表明樁身不存在夾泥、縮頸兩種缺陷。

分析變化趨勢(shì)一致的五條樁身溫度分布曲線，發(fā)現(xiàn)5～35m段曲線較平緩，而樁頂至5m段、35 m至樁底段，曲線存在明顯的波動(dòng)，且樁頂至5m段樁身溫度偏大，35m至樁底段樁身溫度偏小，35 m至樁底段的溫度波動(dòng)在后兩次測(cè)量中更加明顯。說明5～35m段樁身混凝土比較均勻，完整性最好；而其余兩段水化熱不正常：樁頂至5m段，可能是由于作為樁體向空氣中散熱的通道而溫度較高，與其完整性無關(guān)；35m至樁底段，樁身結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱系數(shù)有波動(dòng)，因混凝土在澆注時(shí)有泥漿混入導(dǎo)致樁身存在夾泥缺陷；且35m深附近作為溫度曲線變化趨勢(shì)的明顯分界點(diǎn)，可能存在二次澆注面。

3 結(jié)論

通過本文研究，得出以下結(jié)論。1）DTS能夠?qū)饫w沿線的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并對(duì)溫度拾取點(diǎn)精確定位，可以使用DTS，借助預(yù)埋在灌注樁中的傳感光纖測(cè)量灌注樁不同時(shí)刻的溫度分布情況，且能實(shí)現(xiàn)在線長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。2）與正?；炷料啾龋嘧度毕荻蔚拿芏?、材質(zhì)等有很大不同，熱傳導(dǎo)能力偏低，在水解、凝結(jié)、硬化過程中釋放的熱量普遍偏少，樁身溫度變化不均勻。分布式光纖能精確測(cè)量出灌注樁混凝土硬化過程中因水化熱而導(dǎo)致的樁身溫度分布情況，進(jìn)而評(píng)價(jià)樁身結(jié)構(gòu)完整性。3）鎧裝光纖的成功鋪設(shè)對(duì)測(cè)試起關(guān)鍵作用，本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采取的光纖鋪設(shè)方案是可行的。4）對(duì)DTS一次測(cè)量的多組數(shù)據(jù)取平均值作為該次測(cè)量的樁身溫度實(shí)測(cè)值，可以減輕樁體周邊環(huán)境、樁身材料級(jí)配等偶然因素的影響。5）從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來看，樁頂至35m段樁身混凝土比較均勻，完整性最好，35m至樁底段樁身混凝土在硬化時(shí)產(chǎn)生離析，但五次測(cè)量的樁身溫度分布曲線變化趨勢(shì)一致，整體溫度突變不大，說明樁身沒有較嚴(yán)重的缺陷，整個(gè)樁的完整性符合工程要求。6）分布式光纖測(cè)溫技術(shù)為灌注樁完整性檢測(cè)提供了一個(gè)新的思路，但本文所得結(jié)論只能作為定性判斷，如需定量檢測(cè)，還要開展大量的模型與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

［1］ 高 飛.基于混凝土水化熱的大直徑灌注樁完整性檢測(cè)新技術(shù)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011（增刊），33（02）：278－281.

［2］ 樸春德，施 斌，魏廣慶，等.分布式光纖傳感技術(shù)在鉆孔灌注樁檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30（07）：976－981.

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