基于分布式光纤测温技术的灌注桩完整性检测

雷文凯，肖衡林

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

如何对灌注桩完整性进行全面、快速、高效检测，并准确评价桩基质量，是桩基工程界一直关注的热点课题。长期以来，人们对灌注桩完整性检测进行了深入的研究，提出了许多有效的检测方法与技术，包括低应变法、声波透射法、高应变法、取样、钻芯法、静载试验等，这些目前常用的检测方法存在设备笨重、效率低、费用高、误差较大、易漏检错判、检测条件严格、易受干扰、不能定量判断、检测周期长、无法检测和评价桩身混凝土保护层等问题［1］，且不能在线与长期监测，难以满足当今工程建设与维护的需要，开拓发展新技术、新方法与新设备是当务之急。

近几年来，分布式光纤传感技术因其高精度、抗腐蚀、抗电磁干扰、耐高压、轻便、无损、能长期在线实时快速分布式检测等优点被广泛用于监测结构的健康状态，在桩基检测中的应用也有很多实例，但一般集中于监测桩基的应变，通过所测得的应变来反演桩身内力、摩阻力及桩基承载力［2－3］。分布式光纤用于灌注桩不同施工阶段的桩身温度监测方面还处于空白。而事实上，灌注桩的温度，特别是水化热过程中桩身的温度分布情况与其完整性有很大关系［4］。基于此，本文提出基于分布式光纤测温技术的灌注桩完整性检测方法。

1 检测原理

1.1 分布式光纤测温原理

在分布式光纤测温系统中，光纤既用来感知信息，也用作传输介质，DTS（分布式光纤温度测量仪）利用激光在光纤中传播时的后向Raman散射温度效应，对光纤沿线的温度场进行实时测量，通过光时域反射技术对拾取点进行精确定位，温度拾取点密度可按实际要求设置。根据蔡德所等［5］的研究成果，可将分布式光纤测温原理具体阐述如下。

DTS激光发射装置向通过特制接头与其连接的光纤发射一束脉冲光，该脉冲光在传感光纤中向前传播（速度略低于真空中的光速），同时向光纤周围发射散射光，散射光中有一部分沿光纤返回到入射端，入射光和反射光的时间差记为t，散射光发生的位置距入射端的距离

式（1）中：C为光纤中的光速，C＝c／n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率。DTS利用该式进行温度拾取点的定位。

返回入射端的反射光中，有一种称做Raman散射光。该Raman散射光含有Stokes光和Anti－Stokes光两种成份。其中Stokes光与温度无关，而Anti－Stokes光的强度随温度变化而发生改变。Anti－Stokes与Stokes的强度之比和温度之间的关系可用下式表示：

式中：las为 Anti－Stokes光强；ls为Stokes光强；a为温度相关系数，它是与Stokes光和Anti－Stokes光的波长有关的一个常量；h为普朗克系数；c为真空中的光速；v为拉曼平移量；k为鲍尔次曼常数；T为绝对温度值。

从式（2）可以看出，Anti－Stokes与Stokes的强度之比仅与温度T有关，而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。因此，根据检测到的反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光强之比值可以实现温度的测量。即：

值得注意的是，光纤测温测量的是Raman反射光中Anti－Stokes与Stokes两种成分之比，与它们各自的绝对值没有关系，即使光纤老化，沿程的光损失变大，仍不会对测温精度产生影响。

1.2 灌注桩桩身温度分布与其完整性间的关系

正常情况下，硅酸盐水泥水化放热分为水解、初凝、水化反应加速、水化物缓慢形成、稳定期5个阶段，而钻孔灌注桩由于现场地质情况复杂，容易形成缩径、孔洞、夹泥、离析、沉渣过厚、断桩等缺陷，对桩身混凝土的水化过程产生影响。温度在0～100℃之间时，正常混凝土的导热系数约为1.28W／（mK），卵石、黄砂、砂土的导热系数也各不相同。显然，缺陷体的密度、材质等与正常混凝土有很大不同，热传导能力偏低，不管何种桩身缺陷，同正常情况下混凝土相比，在水解、凝结、硬化过程中，桩身释放的热量普遍偏少，由于桩身温度变化不均匀，桩身夹泥等缺陷，甚至没有热量释放出来。高飞等指出：通过对大直径灌注桩混凝土浇注时所产生水化热的精确测量，可以实现对桩身完整性检测的目的，一定程度上弥补现有检测技术的不足与缺陷［4］，并提出了基于混凝土水化热的大直径灌注桩桩身完整性检测新技术［1］，其研究成果表明：灌注桩缺陷体对热量的传导能力普遍较差，可以通过精确测量大直径灌注桩混凝土水化热而产生的温度梯度来判定桩身完整性，并通过现场试验验证了该技术的可行性。因此，如果能精确测量出灌注桩混凝土硬化过程中因水化热而导致的桩身温度分布情况，就能对桩身结构完整性进行评价。

基于分布式光纤测温技术的灌注桩完整性检测方法的原理是：采用DTS，借助埋设在灌注桩中的分布式光纤测量桩身不同时刻的温度分布情况，得到整个灌注桩在不同时刻的温度场，由于温度场和材料的热力学参数密切相关，热力学参数可反映材料成分等性质，于是通过反演温度场，便可得知灌注桩不同部位的材料和结构特性，即桩身的完整性。

2 现场试验

2.1 试桩概况

现场试验所选试桩是武汉某测绘院大楼的钻孔灌注桩，采用泥浆护壁冲击钻法进行成孔。试桩各参数见表1。钢筋笼总长度52m，分6段先后进行吊装，段与段之间的焊接在吊装过程中完成。

表1 试桩概况

2.2 分布式光纤的铺设

经与施工人员的沟通协调，在钢筋笼吊装的过程中进行分布式光纤的铺设（图1）。光纤既是传输媒介，也是传感媒体，它的成功铺设对桩体温度监测起关键作用，必须保证光纤畅通无断点。

图1 光纤铺设示意图

为提高测温精度并抵抗外界干扰、减小损伤，传感光纤选用金属铠装线性光纤。将铠装光纤沿着钢筋笼对称的1＃和7＃两根主筋进行铺设，铺设过程中尽量使光纤保持挺直，每隔50cm左右绑扎一次，绑扎与下笼同时进行，形成U型回路，两端接上尾纤后，可用DTS进行双通道测量，起到对比作用。根据场地实际情况，传感光纤在桩顶每端预留约15 m，方便尾纤接入和现场测量。铺设过程中要特别注意以下3点：1）铠装光纤应沿着主筋的侧边进行铺设，避免混凝土在浇注时直接冲撞光纤；2）U型回路底部，也就是钢筋笼最底处，应沿铺设光纤的主筋和底部加强筋焊两根弧形钢筋，使传感光纤在回路底部平滑过渡；3）施工现场环境非常复杂，尾纤头部及尾纤与铠装光纤的熔接处需进行保护（图2）。

图2 现场测试图

2.3 现场测试及数据处理

试桩浇筑混凝土的时间是7月6号凌晨2点到7点，在桩身混凝土浇注完毕后，将桩顶预留的传感光纤与尾纤熔接，用金属波纹管保护好接头，然后把DTS搬进现场，接入尾纤，测量桩身混凝土中光纤的温度，如图2所示。总共进行了五次测量，分别在7月7号下午5点20分、7号晚上9点30分、8号上午9点17分、10号下午5点12分、14号下午6点。

DTS记录数据的周期设置为1min，每次测量持续时间为5min，获得5组数据。由于灌注桩桩身材料的级配、颗粒大小以及桩体所处环境等的不同，测得的5组数据有一定程度的波动性，因此，用平均法对数据进行修匀，消除或减轻偶然因素的影响，尽可能真实地反映桩身温度，即对一次测量的5组数据求算术平均数，把求得的平均值作为该次测量的温度实测值。测量的同时，对尾纤或桩顶预留的传感光纤进行局部加热，便于在分析数据时对传感光纤进行定位，也就是将DTS上显示的横坐标（光纤长度）与灌注桩高程对应起来。通过平均法把不规则的温度变动修匀，减小了数据因偶然因素影响而产生的波动性，再结合光纤在桩体中的定位情况，即可得出桩身温度的分布曲线，然后根据温度分布曲线的特征分析灌注桩的完整性。

2.4 测试结果分析

以桩体顶部高程为零点，深度为横坐标，温度为纵坐标，建立每次测量时两对称主筋附近桩身温度与桩体深度的曲线关系（图3、图4）。

图3 1＃主筋附近桩身温度分布曲线

图4 7＃主筋附近桩身温度分布曲线

因桩底温度过大，图3、图4没有将桩底温度情况体现出来，须作特别说明。桩底在每次测量时的温度均超过50℃，前三次测量的桩底温度甚至超过70℃，而除桩底外，桩身其他部分温度大多在20～40℃之间。显然，这种差异是由于灌注桩在浇筑过程中，混凝土中的水泥因重力作用沉积在桩底，并发生剧烈的水化反应，从而导致桩底温度大大超出桩体其他部分的温度。这种差异表明桩底上部混凝土存在一定程度的离析。

通过对不同时间测量的温度曲线进行比较，可以看出，第一次测量的桩身整体温度最高，其它测量的温度都比第一次测量小：22h桩身温度大约为36℃，50h桩身温度大约为31℃，106h桩身温度大约为33℃，203h桩身温度大约为23℃。且随着测量时间的推移，桩身温度变化越来越小，慢慢趋于稳定，由于混凝土浇筑后会产生大量水化热，所以最先测量时桩身温度最高，慢慢的随着热量的传导，桩身温度渐渐降低，最后达到与环境温度相同。

比较同一时间测量所得的桩身温度分布曲线，发现1＃和7＃主筋附近的桩身温度基本相同，且温度曲线的变化趋势基本一致，这表明桩身在同一深度处的材质和混凝土密实度基本相同，也就是桩体在同一深度处完整性基本相同；比较不同时间的桩身温度分布曲线，可以直观地看到，第一次测量时桩身整体温度最高，随后每次测量时桩身整体温度依次变小，且五次测量的桩身温度分布曲线变化趋势一致，说明灌注桩浇筑后，随着时间推移，桩身混凝土在硬化过程中产生的热量逐渐变少，从而表明桩身不存在夹泥、缩颈两种缺陷。

分析变化趋势一致的五条桩身温度分布曲线，发现5～35m段曲线较平缓，而桩顶至5m段、35 m至桩底段，曲线存在明显的波动，且桩顶至5m段桩身温度偏大，35m至桩底段桩身温度偏小，35 m至桩底段的温度波动在后两次测量中更加明显。说明5～35m段桩身混凝土比较均匀，完整性最好；而其余两段水化热不正常：桩顶至5m段，可能是由于作为桩体向空气中散热的通道而温度较高，与其完整性无关；35m至桩底段，桩身结构导热系数有波动，因混凝土在浇注时有泥浆混入导致桩身存在夹泥缺陷；且35m深附近作为温度曲线变化趋势的明显分界点，可能存在二次浇注面。

3 结论

通过本文研究，得出以下结论。1）DTS能够对光纤沿线的温度场进行实时测量，并对温度拾取点精确定位，可以使用DTS，借助预埋在灌注桩中的传感光纤测量灌注桩不同时刻的温度分布情况，且能实现在线长期实时监测的目的。2）与正常混凝土相比，灌注桩缺陷段的密度、材质等有很大不同，热传导能力偏低，在水解、凝结、硬化过程中释放的热量普遍偏少，桩身温度变化不均匀。分布式光纤能精确测量出灌注桩混凝土硬化过程中因水化热而导致的桩身温度分布情况，进而评价桩身结构完整性。3）铠装光纤的成功铺设对测试起关键作用，本文现场试验中采取的光纤铺设方案是可行的。4）对DTS一次测量的多组数据取平均值作为该次测量的桩身温度实测值，可以减轻桩体周边环境、桩身材料级配等偶然因素的影响。5）从现场试验结果来看，桩顶至35m段桩身混凝土比较均匀，完整性最好，35m至桩底段桩身混凝土在硬化时产生离析，但五次测量的桩身温度分布曲线变化趋势一致，整体温度突变不大，说明桩身没有较严重的缺陷，整个桩的完整性符合工程要求。6）分布式光纤测温技术为灌注桩完整性检测提供了一个新的思路，但本文所得结论只能作为定性判断，如需定量检测，还要开展大量的模型与现场试验。

［1］ 高 飞.基于混凝土水化热的大直径灌注桩完整性检测新技术［J］.岩土工程学报，2011（增刊），33（02）：278－281.

［2］ 朴春德，施 斌，魏广庆，等.分布式光纤传感技术在钻孔灌注桩检测中的应用［J］.岩土工程学报，2008，30（07）：976－981.

［3］ 唐 坚.传感光纤技术在钻孔灌注桩应力测试中的应用［J］.建筑施工，2010，32（09）：930－932.

［4］ 陈建荣，高 飞.现代桩基工程试验与检测—新技术·新方法·新设备［M］.上海：上海科学技术出版社，2011.

［5］ 蔡德所，戴会超，蔡顺德，等.分布式光纤监测三峡大坝混凝土温度场试验研究［J］.水利学报，2003（05）：88－91.