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(mén)市政集團(tuán) 廈門(mén)市政設(shè)計(jì)院，福建 廈門(mén) 361000)

離析灌注樁的光纖溫度傳感檢測(cè)模型試驗(yàn)

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(mén)市政集團(tuán) 廈門(mén)市政設(shè)計(jì)院，福建 廈門(mén) 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(cè)原理。設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停謩e制作了水灰比為0.38、0.48、0.58的3種離析樁模型，對(duì)不同離析程度樁的光纖溫升進(jìn)行測(cè)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(duì)光纖溫升的影響，通過(guò)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(duì)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(yàn)； 分布式光纖測(cè)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(shì)必造成整體建筑物破壞。因此,樁基的設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)是樁基礎(chǔ)安全與可靠的先決因素[1]。在實(shí)際工程中灌注樁基礎(chǔ)的缺陷有很多種，比較常見(jiàn)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(shí)還極大影響建筑結(jié)構(gòu)的安全。所以在實(shí)際工程中，樁基礎(chǔ)的質(zhì)量檢測(cè)已成為土建工程中一個(gè)不可或缺的步驟[2]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)灌注樁安全相關(guān)方面的課題都進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)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(yùn)用的有低應(yīng)變法、高應(yīng)變法、超聲波透射法、靜載試驗(yàn)等。這些方法在檢測(cè)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(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題，比如效率低、設(shè)備重、體積大、不能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、花費(fèi)高等[3]。

為適應(yīng)工程施工技術(shù)以及檢測(cè)技術(shù)發(fā)展需要，灌注樁基檢測(cè)也需要向著智能化、自動(dòng)化、簡(jiǎn)便化、高精準(zhǔn)度等方向發(fā)展?；诜植际焦饫w傳感測(cè)溫的檢測(cè)技術(shù)以普通光纖作為傳感和傳輸介質(zhì)，無(wú)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(shí)際工程檢測(cè)中也已經(jīng)有運(yùn)用到[4]。

目前，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)研究人員對(duì)離析樁的檢測(cè)進(jìn)行了研究，如高景宏、趙紅利用低應(yīng)變動(dòng)測(cè)法檢測(cè)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(cè)的需要，仍存在一些問(wèn)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(cè)溫技術(shù)檢測(cè)灌注樁缺陷，并進(jìn)行了系列模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究表明，分布式光纖溫度傳感方法用于樁基檢測(cè)具有很大的優(yōu)勢(shì)，可以與現(xiàn)有的檢測(cè)手段優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌注樁基質(zhì)量的定性定量檢測(cè)，還需要在理論和試驗(yàn)上進(jìn)行大量的研究和積累。本文在前期研究基礎(chǔ)之上，通過(guò)制作不同離析程度的灌注樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用分布式光纖溫度傳感技術(shù)對(duì)離析樁熱傳導(dǎo)過(guò)程中的溫升進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)溫技術(shù)的灌注樁基質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的工程實(shí)踐提供參考。

1 檢測(cè)原理

1.1 分布式光纖測(cè)溫原理

研究過(guò)程中采用進(jìn)口的Sentinel DTS為測(cè)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(hào)處理系統(tǒng)、光纖和光纖繞組溫度傳感器等組成[9]。其測(cè)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(shí)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(jìn)行溫度拾取點(diǎn)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(wú)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：

(1)

式中：las為Anti-Stokes光強(qiáng)；ls為Stokes光強(qiáng)；v是激發(fā)光的頻率，vi是振動(dòng)頻率，h為普朗克系數(shù)；k為鮑爾次曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。從(1)式可以看出，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(wú)關(guān)。因此，根據(jù)測(cè)出的反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光強(qiáng)之比值可以實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量[10-13]。

1.2 基于DTS灌注樁質(zhì)量檢測(cè)原理

基于分布式測(cè)溫傳感技術(shù)檢測(cè)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(duì)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(cè)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(guò)程中，將產(chǎn)生水化熱，可以通過(guò)測(cè)量水化熱的散熱過(guò)程中樁體的溫度變化，判斷樁體的完整性，但是由于這一時(shí)期樁體沒(méi)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(huì)存在一定的誤差；需要植入熱源，通過(guò)內(nèi)置熱源的加熱和放熱過(guò)程中熱傳導(dǎo)特征的變化判斷樁缺陷。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及內(nèi)置熱源

本試驗(yàn)所用光纖檢測(cè)設(shè)備為進(jìn)口的SentinelDTS，其對(duì)光纖進(jìn)行溫度分布式采集，其取點(diǎn)間距最小為0.5m，檢測(cè)距離最長(zhǎng)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(hào)為進(jìn)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(hào)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(cè)設(shè)備的為E2000連接器，其為一個(gè)按指門(mén)栓系統(tǒng)，在振動(dòng)情況下不會(huì)松弛。試驗(yàn)設(shè)備及內(nèi)置線熱源如圖1所示。

圖 1 試驗(yàn)設(shè)備及內(nèi)置熱源

2.2 模型樁制作

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三組模型樁，樁高500mm，直徑400mm。其中①號(hào)樁為混凝土樁，采用C30混凝土填灌，作為標(biāo)準(zhǔn)樁。②、③號(hào)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(gè)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(shí)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(hù)層厚度設(shè)定為50 mm。

2.3 傳感器的布置

在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，為了盡可能多地將光線長(zhǎng)度布置在樁身內(nèi)部，提高檢測(cè)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(guò)各樁身后露出的光纖兩端分別接入DTS測(cè)溫儀設(shè)備的兩個(gè)接入端口，檢測(cè)DTS的數(shù)據(jù)圖形是否通暢，進(jìn)行混凝土的灌注。灌注完成后的模型樁見(jiàn)圖3。

圖 3 模型樁灌注完成照片

2.4 加熱功率與加熱時(shí)間的選取

在對(duì)傳感光纖進(jìn)行加熱時(shí)必須了解溫升與加熱功率、加熱時(shí)間的關(guān)系。為了確定合適的加熱功率及加熱時(shí)間，范萌、雷文凱等進(jìn)行了大量模型試驗(yàn)[6-8]，研究表明，當(dāng)加熱功率為9 W/m，加熱時(shí)間為950 s時(shí)，溫升值基本穩(wěn)定。本試驗(yàn)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(gè)樁中光纖溫升值。通過(guò)分析測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當(dāng)加熱功率不同時(shí)各樁中光纖溫升都有相同的規(guī)律。取樁中各測(cè)量點(diǎn)在不同功率下的溫升平均值，建立樁中光纖溫升與加熱時(shí)間的關(guān)系(圖4)。

圖 4 1號(hào)樁中光纖溫升與時(shí)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(shì)總體相似，在開(kāi)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(shì)變緩，最后光纖溫升值在上下波動(dòng)中趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)表明當(dāng)加熱時(shí)間為1000 s左右時(shí)，各功率下光纖溫升值均趨于穩(wěn)定狀態(tài)，所以本試驗(yàn)將加熱時(shí)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(duì)調(diào)壓儀的要求也更高，并且過(guò)大的加熱功率會(huì)使試驗(yàn)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(shí)，各樁中光纖溫升值都較小，在其加熱功率下信號(hào)放大不夠，難以區(qū)分各模型；當(dāng)加熱功率過(guò)大時(shí)，其能耗過(guò)高，且空氣中的光纖塑料外包層易達(dá)到燃點(diǎn)而自燃，從而引起安全問(wèn)題。因此本試驗(yàn)選取2 W/m、4 W/m、6 W/m、8 W/m作為加熱功率值。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 光纖溫升規(guī)律

通過(guò)對(duì)空氣中光纖設(shè)定點(diǎn)進(jìn)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(cè)量點(diǎn)的具體位置，經(jīng)定位可知：45-52 m測(cè)量點(diǎn)處于①號(hào)樁、55-62 m測(cè)量點(diǎn)處于②號(hào)樁、65-72 m測(cè)量點(diǎn)處于③號(hào)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(shí)為例，測(cè)得溫升變化見(jiàn)圖5。

圖 5 加熱1200 s時(shí)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(shì)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(dòng)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(cè)點(diǎn)在加熱后，溫升迅速增加所持續(xù)的時(shí)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(shí)間變長(zhǎng)。

3)在較低加熱功率下，溫升值曲線穩(wěn)定段存在一定波動(dòng)，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(dòng)現(xiàn)象逐漸減弱，在6 W/m以上的加熱功率的曲線波動(dòng)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(lái)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(shí)，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(hào)樁內(nèi)光纖溫升值與加熱時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖6，2號(hào)樁、3號(hào)樁的光纖溫升圖與1號(hào)樁類似。不同功率下光纖穩(wěn)定溫升見(jiàn)圖6。

圖 6 號(hào)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(gè)階段。第一階段為快速升溫段，持續(xù)約200 s，在這個(gè)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(hào)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(duì)光纖溫升的影響。本試驗(yàn)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(jiàn)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(guò)原點(diǎn)的線性函數(shù)對(duì)各模型樁溫升值與加熱功率關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，并定義擬合表達(dá)式為

ΔT=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(hào)樁中：

ΔT=0.4592I

在2號(hào)樁中：

ΔT=0.5005I

在3號(hào)樁中：

ΔT=0.5481I

4 灌注樁離析程度對(duì)光纖溫升的相關(guān)性分析

由檢測(cè)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(yàn)采用線性擬合，設(shè)溫升值是水灰比的不過(guò)原點(diǎn)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(shí)，③號(hào)樁較①號(hào)樁穩(wěn)定溫升差值分別為0.03K、0.30K、0.59K、0.74K，③號(hào)樁較②號(hào)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(lái)越大。由此可見(jiàn)，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(shí)，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(guò)光纖溫升反應(yīng)樁身的水灰比。

由于在模型制作過(guò)程中混合均勻、振搗充分，澆筑完成后樁身密實(shí)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(yàn)水灰比的不同導(dǎo)致了各樁中光纖溫升的不同。在實(shí)際工程中，當(dāng)水灰比達(dá)到一定比例數(shù)值時(shí)，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(guò)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(guò)溫度的差異來(lái)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(shí)際工程中，當(dāng)樁體材料水灰比達(dá)到一定比例數(shù)值時(shí)，所澆注的灌注樁將產(chǎn)生離析。本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同水灰比材料澆注的模型灌注樁，檢測(cè)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(guò)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了分布式光纖測(cè)溫技術(shù)用于離析灌注樁完整性檢測(cè)的可行性，為樁基質(zhì)量缺陷檢測(cè)提供了新的檢測(cè)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(guò)模型試驗(yàn)為工程離析灌注樁的檢測(cè)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(cè)手段，在熱傳導(dǎo)理論和室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到了一些離析樁的溫升特征，還需要在試驗(yàn)和工程實(shí)踐中進(jìn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578219)；湖北省科技廳創(chuàng)新群體項(xiàng)目(2012FFA035)；湖北省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(T201605)

徐超凡(1988-)， 男， 湖北荊門(mén)人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)楣饫w傳感測(cè)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?yàn)閹r土工程的檢測(cè)及評(píng)價(jià)

1003-4684(2017)02-0105-05

TU473

A