灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)專利背景

灌注樁是一種能滿足各種地層承載要求的樁基礎類型，其承載特性及與周邊巖土體間的作用力分布可在現(xiàn)場靜載試驗時利用預先埋入的相關傳感元件來進行檢測確定。2006年7月前靜載荷試驗中的樁檢測主要是點式測量，即在樁身鋼筋籠上預埋應變計如鋼筋計、應變片或者埋設應力計、位移計等，通過測量各點的應變值，獲得樁身應變、應力分布曲線。但點式測量方法一般會存在如下的局限性：（1）屬于不連續(xù)測量，容易漏檢，有時無法反映出樁身缺陷和應力集中狀況；（2）埋入的電子元器件在混凝土澆灌過程中容易失效，加上測試時受零點漂移、安裝和維護費用高、受電磁場干擾精度降低等等多種因素影響，在實際測試中導致數(shù)據(jù)喪失或失真；（3）為了提高檢測精度，安置較多的傳感器又會因為太多的引出導線影響到樁身結構及承載力；（4）零星的點數(shù)據(jù)很難達到對樁身質(zhì)量及樁與地層各分層間作用規(guī)律分析。灌注樁基礎的就力分析是極為重要的。2006年7月前還缺少可靠及簡易完美的方法和手段。

高、低應變法和超聲波法是一種間接的測試方法，依據(jù)的是應力傳播或者聲波反射原理，因此動態(tài)成分高，容易受外界環(huán)境的干擾；對于動力測試，還需要相關的軟、硬件，因此只能作為輔助靜載荷試驗的檢測手段。

BOTDR（Brill ouinop ticaltime-domain reflectometer），中文名稱為布里淵散射光時域反射測量儀，是一種分布式的光纖應變傳感器，可以連續(xù)測量幾十公里范圍內(nèi)的光纖應變分布。截至2006年7月，該技術已被成功應用在建筑、隧道、堤壩等構筑物的安全監(jiān)測當中?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術-BOTDR傳感技術是近幾年發(fā)展起來的一門新型傳感技術，它以光作為采集信號的載體，以光纖作為傳遞光信號的介質(zhì)，具有耐久性好、無零點漂移、不帶電工作、抗電磁干擾、傳輸帶寬大等突出優(yōu)點，可以實現(xiàn)對待測參數(shù)的連續(xù)分布式或準分布式測量，為傳統(tǒng)電子應變傳感技術難以企及的，截至2006年7月，在土木、水利、交通、石化、電力、醫(yī)療、機械、動力、船舶、航空、航天等領域推廣運用，逐步取代原有機電類傳感器。

截至2006年7月，BOTDR用于暴露式建筑物或基礎的應力分析，數(shù)據(jù)預處理主要是對異常識別、數(shù)據(jù)平滑、空間定位等功能。

灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法未有采用，這是由于如何固定及可靠在灌注樁基礎安裝分布式光纖較為困難。這就難以用BOTDR方法分析樁的承載能力及樁身完整性。

灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)專利目的

《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》正是基于以上光纖傳感技術而研發(fā)的專門標定分布式應變傳感光纖的檢測技術。針對傳統(tǒng)點式傳感器存在的問題，《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》利用了分布式光纖傳感技術檢測灌注樁身應變分布，據(jù)此分析樁的承載能力及樁身完整性。

灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)技術方案

《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》的技術解決方案是：灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是利用光纖對應變的傳感特性，將光纖植入灌注樁內(nèi)，當混凝土凝固或受到外界荷載時將會和其周邊混凝土發(fā)生同步變形，其發(fā)生的應變大小可認為是樁身混凝土的應變值，鑒于此傳感技術為分布式數(shù)據(jù)采集，即可得到樁身每一點的應變數(shù)據(jù)，根據(jù)應變結合樁身混凝土彈性模量和樁身面積即可推算出樁身軸力分布，軸力的變化速率就反算出側摩阻力和樁端阻力。側摩阻力和樁端阻力的運算采用該發(fā)明申請人的率定方案和公式。

將封裝的分布式傳感光纖對稱的捆綁在鋼筋籠放入鉆孔中進行澆注，保護引出接入光纖應變解調(diào)儀器進行樁身應變和溫度測試，并將數(shù)據(jù)儲存或輸出到終端處理器。

靜載試驗時每級荷載沉降穩(wěn)定后測試光纖應變值與沒有荷載時初始應變之差作為樁身在相應荷載作用下各截面的附加應變值分布。

附加應變值與混凝土彈性模量和樁身截面積的乘積得出樁身在各級荷載下樁身軸力分布，據(jù)此計算各土層的各級荷載下側摩阻力和樁端阻力大小、發(fā)展趨勢、極限值；根據(jù)應變分布變化異常來探測樁身缺陷的位置及類型；根據(jù)若干根對稱光纖在同一截面點的應變差異判斷荷載是否偏心及樁身是否扭曲。

分布式光纖傳感器的設置方法極為重要。光纖在樁體環(huán)狀加上徑向雙倍長度的分布光纖布置。

光纖鋪設時，將帶有凹槽的載體鋪平于工作臺，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風加快分干。膠水完全干結后，用線盤將光纖盤好包扎，在盤線過程仔細檢查是否有光纖翹起未粘合處，并及時補抹。

將直徑為0.9毫米的單模傳感光纖利用膠劑粘合到雙股護套光纖或電纜的凹槽中風干，定位并標定后作為傳感光纖。將傳感光纖沿著鋼筋籠縱向主筋或?qū)Ч艿膫让孢M行捆綁鋪設，鋪設過程中保持光纖垂直并傳感光纖一直對外。每

根樁光纖至少鋪設兩根，對稱分布，底部平滑過渡并保護，呈“U”字形。對于多節(jié)鋼筋籠，最底部可事先幫好再下，以上部分捆綁光纖要與下籠同步，對接處要防止焊接火花灼斷光纖。灌入混凝土前要將光纖保護從樁頭側邊引出，并做標志定位。

該發(fā)明系統(tǒng)包括樁身測試、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和儲存、數(shù)據(jù)處理分析四個子系統(tǒng)，參見附圖2，其中樁身測試、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》的核心，傳感光纖封裝、鋪設工藝和數(shù)據(jù)處理分析方法為該發(fā)明的技術要點。

普通通訊光纖作為傳感光纖植入混凝土前必需進行封裝，封裝的傳感光纖即要抗拉、抗攪亂、抗混凝土沖擊等強度要求，其對應變的反應靈敏性也不能受到影響?！豆嘧痘A分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》自創(chuàng)了一套傳感光纖的封裝工藝，以帶有與普通尼龍光纖直徑相當寬度凹槽的載體，如雙股護套光纜、雙芯細電纜等，凹槽中涂入膠水后鋪入光纖壓合。為方便施工鋪設載體以富有一定彈性但又柔軟的載體為佳，為防止涂膠后載體及光纖發(fā)脆，膠合試劑以軟韌且能快速來勁的塑料膠為宜，如102膠。

封裝后的傳感光纖如何植入到樁體內(nèi)也是《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》的重要內(nèi)容，《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》利用樁體內(nèi)的鋼筋或者管件作為載體，樁孔完成后安放鋼筋骨架的同時將光纖捆綁在骨架的縱向筋體上同時下放入孔內(nèi)，孔口保護從側邊引出后灌注混凝土。每孔至少鋪設兩條光纖，且呈對稱分布，底部圓滑相連過渡，光纖鋪設要沿鋼筋側邊且將光纖對外。針對鋪設過程中光纖孔底易過渡彎曲、點焊火花灼斷及孔口引出暴露光纖已被人為和機械破壞等問題，提出了相應的保護措施，參見權利保護6。對于地下水活動大的地區(qū)還加鋪設溫度補償線路，以消除溫度影響。此鋪設工藝的優(yōu)點主要有：光纖在樁內(nèi)筆直不彎曲；光纖不易折斷；快速簡單，節(jié)省工期；留有后備保障，光纖傳感器成活率高等。

該測試方法主要配合樁基靜載荷試驗進行，以樁未加載的樁身應變值作為初始應變，每級荷載穩(wěn)定后測試樁身應變，以此應變與初始應變的差值——附加應變作為分析系統(tǒng)的基本變量。數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基于樁身應變模式而開發(fā)，分析系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)預處理、樁身受力計算和成果顯示幾個模塊。數(shù)據(jù)預處理主要是對異常識別、數(shù)據(jù)平滑、空間定位等功能；樁身受力分析包括軸力計算、彈性模量修正、樁身軸面修正、各土層摩擦阻力計算、樁端阻力計算等功能；成果以曲線、表格及彩圖形式輸出。

灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)改善效果

《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》就以該項為核心發(fā)明出一套基于分布式光纖傳感灌注樁監(jiān)測方法和分析系統(tǒng)，該方法系統(tǒng)運用到樁基檢測的將會推動該領域一次革新，這是因為與傳統(tǒng)的樁基檢測手段相比，具有以下優(yōu)點：

（1）能實現(xiàn)分布式檢測，由光纖的一端就可以準確地得到光纖沿線任一點的應力、溫度、振動和損傷等信息，且這些信息都為線性或準線性信息，能克服傳統(tǒng)點式檢測漏檢的弊端，提高監(jiān)測效率，根據(jù)這些分布式信息，可以分析樁身應變分布特征，樁身軸力分布特征，樁身變形機理等，為樁基設計提供參考。

（2）最大量程范圍達80千米，且傳感光纖既能作為傳感體又可作為傳輸體，可以實現(xiàn)長距離、全方位監(jiān)測，能夠滿足超深鉆孔灌注樁的測試要求。

（3）分布式光纖檢測技術作為新型的傳感檢測技術，它的施工工藝簡單，能夠與鋼筋混凝土協(xié)調(diào)變形，且能夠避免電磁干擾，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進入光纖，成活率基本達到100％，避免了傳統(tǒng)鋼筋計的安裝方法困難且成活率不高的弊端。

（4）傳感光纖的封裝是基于普通的通信用單模光纖，所以傳感器的成本相對較低，加上成活率較高，因而可以大大節(jié)省檢測費用，減少檢測時間。隨著技術的發(fā)展，光纖解調(diào)設備的研發(fā)和制造費用也越來越低，故該項技術能夠全面推廣。

（5）通過網(wǎng)絡可以將其與計算機終端連接在一起，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，同時結合計算機軟件可以開發(fā)出遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)、變形預警系統(tǒng)和結構物健康診斷系統(tǒng)等，為最終實現(xiàn)監(jiān)測自動化提供條件。

（6）BOTDR不需要特制的傳感器，只需要一根普通的通信光纖作為傳感光纖。BOTDR不需要特制的傳感器因此傳感光纖的性能和鋪設工藝等是BOTDR可以用于樁基檢測中的關鍵方法和裝置問題。

該方法系統(tǒng)具有分布式、高精度、安裝簡便及成本低廉等特點，可適用于各種施工工藝下完成的摩擦樁、端承樁、支盤樁等各種型灌注樁，能與錨樁反壓、堆載及自平衡法等加載系統(tǒng)進行配合使用。

圖1A、1B是《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》傳感光纖封裝示意圖，圖1A是側視圖，圖1B是截面圖；

圖2是《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》基于分布式光纖檢測技術的灌注樁檢測系統(tǒng)；

圖3是《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》分布式樁身變分布圖。

《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》屬于巖土工程監(jiān)測和檢測技術領域和基于分布式光纖傳感檢測技術領域；尤其涉及灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法。

1、灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是利用光纖對應變的傳感特性，將光纖植入灌注樁內(nèi)，當混凝土凝固或受到外界荷載時將會和其周邊混凝土發(fā)生同步變形，其發(fā)生的應變大小是樁身混凝土的應變值，此傳感技術為分布式數(shù)據(jù)采集，即可得到樁身每一點的應變數(shù)據(jù)，根據(jù)應變結合樁身混凝土彈性模量和樁身面積即可推算出樁身軸力分布，軸力的變化速率就反算出側摩阻力和樁端阻力。

2、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是將封裝的分布式傳感光纖對稱的捆綁在鋼筋籠放入鉆孔中進行澆注，保護引出接入光纖應變解調(diào)儀器進行樁身應變和溫度測試，并將數(shù)據(jù)儲存或輸出到終端處理器。

3、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是靜載試驗時每級荷載沉降穩(wěn)定后測試光纖應變值與沒有荷載時初始應變之差作為樁身在相應荷載作用下各截面的附加應變值分布。

4、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是附加應變值與混凝土彈性模量和樁身截面積的乘積得出樁身在各級荷載下樁身軸力分布，據(jù)此計算各土層的各級荷載下側摩阻力和樁端阻力大小、發(fā)展趨勢和極限值；根據(jù)應變分布變化異常來探測樁身缺陷的位置及類型；根據(jù)若干根對稱光纖在同一截面點的應變差異判斷荷載是否偏心及樁身是否扭曲。

5、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征以樁身分布式應變?yōu)榛A，經(jīng)樁身面積、彈性模量修正后得到樁身軸力分布規(guī)律；其中彈性模量根據(jù)樁頭附近荷載與應變的比值、混凝土標號對應法或根據(jù)超聲波波速來確定，樁身面積直接從測井資料中獲取。

6、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是光纖現(xiàn)場鋪設時：根據(jù)待測樁體的長度量放好光纖和載體，每根長度以樁長兩倍外加余留5米；光纖在樁體環(huán)狀加上徑向雙倍長度的分布光纖布置。

7、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是光纖鋪設時，將帶有凹槽的載體鋪平于工作臺，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風加快分干；膠水完全干結后，用線盤將光纖盤好包扎。

8、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是光纖置于強度很高的金屬管內(nèi)，待混凝土振搗完畢后，在混凝土凝固以前將金屬管抽出或?qū)⒐饫w埋入按實際混凝土配比做成的小混凝土塊中，再將它埋入結構；或?qū)⒅睆綖?.9毫米的單模傳感光纖利用膠劑粘合到雙股護套光纖或電纜的凹槽中風干，定位并標定后作為傳感光纖。將傳感光纖沿著鋼筋籠縱向主筋或?qū)Ч艿膫让孢M行捆綁鋪設，鋪設過程中保持光纖垂直并傳感光纖一直對外；每根樁光纖至少鋪設兩根，對稱分布，底部平滑過渡并保護，呈“U”字形。對于多節(jié)鋼筋籠，最底部事先綁好再下，以上部分捆綁光纖要與下籠同步，對接處要防止焊接火花灼斷光纖；灌入混凝土前將光纖保護從樁頭側邊引出，并做標志定位。

9、由權利要求1所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是數(shù)據(jù)采集與分析在灌注樁澆筑之后根據(jù)樁的性質(zhì)設定儀器所要測試的范圍、頻率、精度等參數(shù)，之后進行數(shù)據(jù)的采集；如果是試驗采用靜載試驗中的慢速維持荷載法，每加一級荷載待后沉量達到相對穩(wěn)定標準，就可以進行這一級的數(shù)據(jù)采集，每一次的數(shù)據(jù)采集都需要對布里淵波譜等信息進行檢測。

10、由權利要求5中所述的所述的灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法，其特征是光纖保護方法，底部光纖沿箍筋綁定后加波紋管裹緩沖膠帶保護；對于干孔作業(yè)防電焊火花采用光纖低于孔口并利用耐火布料覆蓋孔口方式保護，對于濕孔作業(yè)還采用光纖沒入泥漿液中保護；孔口引出光纖采用套上金屬波紋管后引出。

一、光纖封裝

根據(jù)待測樁體的長度量放好光纖和載體，每根長度以樁長兩倍外加余留5米為宜。將帶有凹槽的載體鋪平于工作臺，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風加快分干。膠水完全干結后，用線盤將光纖盤好包扎，在盤線過程仔細檢查是否有光纖翹起未粘合處，并及時補抹。

二、現(xiàn)場鋪設

光纖鋪設的方法2006年7月前主要有二種：一種是用專用或特制的粘結劑將光纖粘貼在被測構筑物上，這種方法主要用于已建構筑物的監(jiān)測；另一種是將光纖植入構筑物中如鋼筋混泥土中，這種方法主要用于在建構筑物及其竣工后的安全質(zhì)量監(jiān)測。

根據(jù)構筑物整體和局部變形等特點以及監(jiān)測儀器的距離分解度，可采用不同的鋪設方式，這里介紹二種：即全面接著鋪設：是將光纖拉直后，用粘結劑將光纖完全貼附在結構物上。拉直的光纖，由于它與結構物緊密相聯(lián)，因此可以確保它的應變與構筑物保持同步，這種方法主要用于構筑物整體變形的監(jiān)測。

定點接著鋪設：是將光纖拉直、微微受力崩緊后，按一定的間隔定點粘著在構筑物上。一旦構筑物沿光纖方向拉伸或收縮，兩點之間的光纖即發(fā)生變形，從而測得構筑物在兩點間的變形情況。由于監(jiān)測儀器距離分解度的存在，因此此種鋪設方式主要用于構筑物局部變形的監(jiān)測。

光纖傳感器的埋入主要針對施工過程而言。其安裝方法有以下三種：

（1）光纖粘貼在鋼筋上，避免混凝土的振搗導致光纖的破壞。在彈性范圍內(nèi)，鋼筋與混凝土同步變形，鋼筋的應變代表混凝土的應變。

（2）光纖置于強度很高的金屬管內(nèi)，待混凝土振搗完畢后，在混凝土凝固以前將金屬管抽出即可。

（3）光纖埋入按實際混凝土配比做成的小混凝土塊中，再將它埋入結構。

三、數(shù)據(jù)采集與分析

灌注樁澆筑之后根據(jù)樁的性質(zhì)設定儀器所要測試的范圍、頻率、精度等參數(shù)，之后進行數(shù)據(jù)的采集。如果是試驗采用靜載試驗中的慢速維持荷載法，每加一級荷載待后沉量達到相對穩(wěn)定標準，就可以進行這一級的數(shù)據(jù)采集。

每一次的數(shù)據(jù)采集都需要對布里淵波譜等信息進行檢測，如果有問題及時進行修正。分析數(shù)據(jù)處理部分，包括數(shù)據(jù)匹配、數(shù)據(jù)定位修正，即根據(jù)在光纖檢測線路上設定的定位標志修訂由BOTDR所采數(shù)據(jù)的空間定位；數(shù)據(jù)計算（BOTDR的輸出與應變有率定對應關系），即由解調(diào)儀器得到的應變、溫度、波長等信息，計算得到樁身應力、軸力分布，以及樁周土體沉降，樁側不同土層產(chǎn)生的樁側摩阻力分布等。

2016年12月7日，《灌注樁基礎分布式光纖傳感檢測方法與系統(tǒng)》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。