基于光纤温度传感技术的灌注桩夹泥试验研究

徐超凡， 刘永莉， 肖衡林

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

基于光纤温度传感技术的灌注桩夹泥试验研究

徐超凡， 刘永莉， 肖衡林

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

介绍了基于分布式光纤温度传感技术的灌注桩质量检测方法。制作了含泥量分别为0、20%、40%、60%、80%、100%的6种夹泥试验模型桩。对传感光纤进行加热，通过检测各模型桩中的光纤温升情况，研究含泥量不同的试验桩中光纤温升规律。研究表明：加热功率越大光纤温升越大；含泥量越大，混合材质的导热系数越小，光纤温升越大。

光纤测温； 加热功率； 夹泥桩； 温升规律

灌注桩属于地下隐蔽工程，由于施工工艺及材料等原因很可能出现振捣不密实、蜂窝、空洞、夹泥、离析等缺陷，这些质量缺陷严重影响桩身完整性和承载力，进而影响建筑物及构筑物的使用安全。所以灌注桩的质量检测成为了桩基础质量检测中的一个相当重要的问题[1-2]。

随着工程建设的迅猛发展，国内外也研究并推广了许多桩基础的检测方法，其中许多都被运用到了实际工程中，并积累了诸多经验，如静载荷试验法、超声波透射法、低应变法、高应变法等。虽然这些检测方法中有的已经在实际工程中得到了广泛的应用，但仍然存在一些不足，如效率低、花费高、设备大且重[3]。随着科学技术的发展，灌注桩质量检测也需要向着更加简便、高效、准确的方向发展。因此，具有诸多优点的分布式光纤温度传感技术被提出并应用于灌注桩质量检测中。光纤传感是一种基于光导纤维的高端技术，它以光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒介，其灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、体积小、重量轻，其能够测量位移、速度、加速度、应变、压力、流量、振动等许多物理量。目前，该技术已经被运用到许多大型边坡支护、水工结构的检测中。

分布式光纤传感技术在水工结构、地质灾害等方面的应用取得了许多研究成果。如美国有学者将该技术运用到混凝土结构质量安全检测中[4]。国内学者在学习和总结国外的先进技术与理论后进行了大量的研究试验，也取得了许多丰硕的研究成果。肖衡林将该技术应用到大坝的渗流检测中[5]；朴春德，施斌等将该技术用于检测钻孔灌注桩试桩中桩端阻力、侧摩阻力分布等[6]；宋建学,白翔宇,任慧志等将该检测技术运用到桩基的静载荷实验中[7]。虽然国内外对于光纤传感技术已经取得了许多研究成果，但是运用到灌注桩基础质量的检测中还处于研究阶段。想要对灌注桩基础的质量缺陷进行定性定量分析，还需要继续深入的进行大量研究。

本研究制作了不同含泥量的灌注桩模型，运用分布式光纤温度传感技术，将光纤埋入灌注桩模型中，研究光纤温升、加热功率、含泥量之间的关系。本研究为基于光纤测温技术的灌注桩夹泥质量缺陷检测提供理论基础。

1 检测原理

1.1 分布式光纤温度传感基本原理

本研究使用的检测设备为进口的分布式温度测量仪(Sentinel DTS)，它由激光组件、光线波分复用器、光电接受与放大组件、信号处理系统等组成，可测量光纤沿线的温度分布。分布式温度传感基本原理是系统使用一个10 μm的光脉冲来照射光纤内部的玻璃芯，当光脉冲沿着玻璃芯移动时，会产生两种类型的辐射散射。一种是由于玻璃芯中自然产生的分子密度震动冷却造成的瑞利散射，由系统校准时考虑它的存在。另一种是当振荡跃迁能量调整最初的光脉冲能量时产生的拉曼散射。当温度变化时会造成沿光纤的振荡跃迁能量，光脉冲能量因振荡跃迁能量减少时产生斯托克斯光，光脉冲能量因振荡跃迁能量而增加时产生反斯托克斯光。系统运用反斯托克斯光与斯托克斯光的比值连同光脉冲的反射时间来计算光纤上某一点的温度[8-9]。

1.2 基于DTS灌注桩缺陷检测原理

基于光纤分布式传感技术的灌注桩基检测原理为：本试验通过将传导光纤螺旋形埋设到模型桩内部，使其与各模型桩内部桩体材料紧密接触，由于各模型桩的夹泥量不同时，导热系数也不一样，从而在相同的外界环境下各模型桩中的光纤温度值也不一样。由于在室温下正常桩和夹泥桩的温度值差异小，光纤测出的温度值接近，所以需要在模型中设置热源，将各模型桩的温升差异信号放大。本试验通过内置光纤传感器作为热源，并用调压仪连接内置热源对模型进行加热，然后通过尾纤接入到DTS上，用DTS实时检测光纤的温度值。由于各模型桩中的介质及导热能力不同，加热后各模型桩的温升差值将会很明显，当这种差异信号放大后，能很直观地地检测到不同含泥量桩体的温升值变化规律，以不同含泥量桩体的温升变化规律为样本数据库，后续可通过温升变化规律确定桩体的含泥量，判断灌注桩的夹泥缺陷。

2 夹泥桩试验设计

2.1 基于DTS灌注桩缺陷检测原理

制作了六组试验模型方桩，高600 mm，横截面450 mm×450 mm(图1)。模型桩①号采用C30混凝土填灌，和其它模型对照。⑥号为纯粘土桩，含泥量为100%。②、③、④、⑤号桩为夹泥桩，含泥量分别为20%、40%、60%、80%。含泥量以装置中泥土含量占整个装置的比重来计算，并将泥土和混凝土按比例均匀混合。装置中使用的混凝土为C30混凝土，其配合比为：水∶水泥∶砂∶石=0.38∶1∶1.11∶2.72，使用的粘土为浅层地表粘土，将碎石等渣滓筛除后用碎土机粉碎成细小颗粒，在和混凝土混合时加入适量水。装置内放入预先制作好的钢筋笼，作为固定钢筋的骨架，其保护层厚度为50 mm。

图 1 模型桩灌注完成照片

2.2 检测系统

本试验所用传感光纤为进口的50/125多模光纤，其最外层为黄色绝缘塑料，内部依次为铝制金属铠甲、圆柱形光纤，其中圆柱形光纤由玻璃纤芯、包层、涂层组成。传感光纤内部的铝制金属铠甲为本试验的模型内置热源。本试验加热使用的调压仪型号为正泰TDGC2-5，其输入电流为交流电，输入电压为220 V，输出电压既调节电压为0～250 V。本试验所用光纤检测设备为进口的Sentinel DTS，Sentinel DTS能沿长度为25 km 的光缆，每隔0.5 m 进行温度测量，温度最高为+600℃，其温度分辨率能达到0.05℃。本试验使用古河FitelS178光纤熔接机及古河FitelS325光纤切割机。本试验的Sentinel DTS 系统使用E2000连接器，其主要设计为一个按指门栓系统，只要按入插座就能连接上，只需按下指按门栓就能拔下。试验设备及内置线热源见图2。

图 2 试验设备及内置热源

试验中，光纤的测量取点间距为1.02 m。为了将传感光纤在不相互影响的情况下尽可能长地布置到模型中，试验采用将光纤以单螺旋线状由下至上缠绕在钢筋笼上，并用扎丝固定，每圈间距为0.1 m，见图3。

图 3 模型示意图

将模型外伸出的两端分别连接尾纤既E2000连接器后插入到检测设备DTS上，用DTS检测装置中光纤有无折断情况，再进行材料填充。

2.3 加热功率范围及加热时间的确定

在对传感光纤进行加热时需要确定合适的加热时间与加热功率。范萌、雷文凯等进行了大量的试验[10-12]，找到了合适的加热时间与加热功率。最终试验得到：当加热功率为9 W且加热时间为1200 s时，模型桩中光纤温升值基本稳定。本试验选取与他们相同的加热时间与加热功率。取④桩的检测结果可以看出其内光纤在不同的加热功率下的温升值，将桩中光纤温升值和加热时间建立一定的关系，见图4。

图 4 ④号桩中光纤温升与时间关系曲线

3 试验结果分析

3.1 光纤温升规律

通过对光纤进行指定点加热，确定模型桩中和模型桩外的光纤长度，并和DTS上的波形进行对照，确定模型桩中的光纤对应的波形的具体位置，48.5～53.5 m测量点处于⑥号桩、58.6～63.7 m测量点处于⑤号桩、68.8～73.8 m测量点处于④号桩、78.9～84.0 m测量点处于③号桩、89.1～94.2 m测量点处于②号桩中、99.2～104.3 m测量点处于①号桩中。

由图3可知，加热功率越大光纤温升越显著，以加热1200 s时为例，测得温升变化mqb(图5)。

图 5 加热1200s时各桩光纤温升

由图4和图5得：

1)由图4可得在各模型桩中温升趋势都是由陡逐渐变为平缓。随着热量的增加，光纤周围介质向外传递的热量开始变大。光纤温升开始变缓。

2)在加热试验桩中光纤时，加热功率越大，其温升值越大。并且在小功率加热的情况下，各桩中光纤温升都不明显。在刚开始加热时加热功率越大，其温升值越大。

3)当加热功率较小时，其温升具有很大的波动性，并且功率越小波动越明显。在4 W及以上的加热功率情况下，其波动性开始变弱。波动持续的范围开始变小。

4)由图5可得:在对光纤进行加热时，处于空气中的温升值大于装置中的光纤，并且加热功率越大其温升差值越大。

3.2 加热功率对光纤温升影响

加热功率的大小对光纤温升具有很大影响。为了定量研究加热功率大小对各模型桩中的光纤温升影响，取各装置中光纤监测点在各加热功率下的温升值进行研究分析。选取1200-1500 s的光纤稳定后的温升值进行分析，将1200-1500 s内的温升平均值取出作为稳定温升值，并将桩体中与空气接触的点的温升值去除。不同功率下光纤稳定温升见图6。

图 6 光纤温升与加热功率关系曲线

由图6可得各桩中温升随加热功率的增加而增加，由图可知在各模型桩中加热功率是光纤温升值的一条过原点的单调递增函数。所以将加热功率与光纤温升值的相关曲线进行拟合，将其相关性定义为如下公式：

ΔT=aI

(1)

式中：ΔT为温升，K；a为拟合相关系数；I为加热功率，W。

由计算结果可得各曲线的相关系数均大于0.9800，最大值为0.9953。所以可以认为光纤温升与加热功率有着良好的相关性。在各模型桩中光纤温升值与加热功率的关系为：

1号桩：ΔT=0.6203；2号桩：ΔT=0.6700； 3号桩：ΔT=0.7193； 4号桩：ΔT=0.7568； 5号桩：ΔT=0.7946； 6号桩：ΔT=0.8492。

由图6和计算结果可得在一定加热功率范围内光纤温升与加热功率有着良好的相关性，在各模型桩中光纤温升值与加热功率的关系为一条过原点的单调递增函数。在各加热功率下温升值的递增斜率均为0.5左右。

4 含泥量与光纤温升的相关性分析

在加热功率不变的情况下，含泥量越大温升值越明显。含泥量与温升值的相关性见图7。

图 7 光纤温升与含泥量关系曲线

由图7可知：

1)当加热功率不变时各模型桩中温升值随着含泥量的增大而增加。在各加热功率下纯粘土桩比纯混凝土桩温升明显。

2)当加热功率较小时，各桩中光纤温升差值较小。当加热功率较大时，各桩中光纤温升差值变大。

3)各桩中加热功率的温升差值较大，说明当加热功率较小时差异信号不明显，各桩温升值都较小。

4)当加热功率较高时，缺陷信号被放大，检测结果更准确。当加热功率为7、8和9 W时，其温升值与加热功率的线性函数关系式为y=0.32231x+4.0588、y=0.3581x+4.5692和y=0.37967x+5.1145，其各店的线性相关性系数均大于0.9923。

本实验中各模型都处于相同的外界环境中，并且各模型桩中所使用填充材料都均匀混合，制作过程中充分振捣。但是当加热功率不变时各装置中光纤温升之间存在很大差异，说明光纤温升和各自所处的介质的导热系数有很大关系。由于粘土的导热系数小，混凝土的导热系数大，当粘土与混凝土混合后，随着含泥量的增加，其模型桩的导热系数也变小，其传导热量的能力也变小。所以当各模型桩中光纤用不同功率加热后，随着含泥量的增加，装置中光纤温升也随之增加。根据桩体夹泥量对各模型桩中的材质热传导热性的影响，通过植入一定长度的光纤传感器，选取较高的加热功率对模型桩进行加热，检测模型桩中的光纤温升值，通过试验得到的在相应加热功率下的温升值与含泥量的经验公式，即可定量计算待测桩体的含泥量。

5 结论

本文通过设计含泥量的模型灌注桩，检测在内置热源加热的情况下，含泥量与桩体内温度变化的相关性，研究结果表明：

1)通过一系列试验验证了基于光纤测温技术的灌注桩完整性检测的可行性，为光纤测温运用于实际工程中进行灌注桩完整性检测提供新的检测手段。

2)在各模型桩中，光纤温升值随加热功率的增大而增加，光纤温升值与加热功率具有良好的相关性。

3)当加热功率相同时，各模型桩中光纤温升随含泥量的增加而增大，光纤温升值与含泥量也具有良好相关性。

4)本试验可为灌注桩夹泥缺陷检测提供试验基础。

依据热传导理论和在室内进行的模型试验，分析得出了夹泥桩在含泥量不同时的一些温升特征，还仍需要在试验和工程实践中进一步完善。

[1] 徐明江.灌注桩检测方法的选择及各检测方法的差异分析[J].广州:广州建筑,2008(2):26-29.

[2] 张献民,蔡靖,王建华.基桩缺陷量化低应变动测研究[J].岩土工程学报,2003,25(1):47-50.

[3] 陈凡,徐天平,陈久照,等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[4] Merzbacher CI, Kersey A D. Fiber optic sensors in concrete structures: a review[J]. Smart Material.Structure，1995(5):196-208.

[5] 肖衡林,鲍华, 王翠英,蔡德所.基于分布式光纤传感技术的渗流监测理论研究[J].岩土力学,2008,29(10)，2795-2799.

[6] 朴春德,施斌,魏光庆,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(7):976-981.

[7] 宋建学,白翔宇,任慧志.分布式光纤在基桩静载荷试验中的应用[J].河南大学学报(自然科学学报)2011,41(4):429-432.

[8] Hartog. A distributed temperature sensor based on liquid-core optical fibres[J]. IEEE. Lightwave Technol，1983，1(3):498-509.

[9] 肖衡林,蔡德所,何俊.基于分布式光纤传感技术的岩土体导热系数测定方法[J].岩石力学与工程学报,2009,28(4)：819-826.

[10] 雷文凯,肖衡林.基于分布式光纤测温技术的灌注桩完整性检测[J].湖北工业大学学报,2014,29(2):19-22.

[11] 范萌, 雷文凯, 肖衡林,等. 夹泥灌注桩的光纤传感检测模型试验[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(4):95-98.

[12] 范萌, 刘永莉, 肖衡林,等. 光纤测温技术在断桩检测模型试验中的应用[J]. 传感器与微系统, 2015, 34(12):153-155.

[责任编校： 张岩芳]

Model Test of Intercalated Mud Bored Pile Detection Based on Optical Fiber Sensing Technology

XU Chaofan, LIU Yongli, XIAO Hengling

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

This paper introduces the principle of the extent of the pile complete detection method based on optical fiber temperature measurement technology. A model test have been designed that six different kinds of intercalated mud pile have been made and the respective clay contents are 0、20%、40%、60%、80%、100%. The sensing fiber has been heated and the optical fiber temperature rise in the piles have been measured to analyze the rule of the temperature rise in the different intercalated mud piles. Studies show that the optical fiber temperature becomes larger as the heating power increases, and the optical fiber temperature rise increases with the increment of clay content of the piles which the thermal conductivity becomes smaller.

optical fiber temperature measurement; heating power; intercalated mud pile; temperature rise law

2016-01-08

国家自然科学基金项目(51578219); 湖北省科技厅创新群体项目(2012FFA035)；湖北省教育厅创新团队项目(T201605)

徐超凡(1988-)，男，湖北荆门人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为光纤传感测量

刘永莉(1984-)，安徽界首人，工学博士，湖北工业大学讲师，研究方向为岩土工程的检测及评价

1003-4684(2017)01-0022-04

TU473

A