基于DTS的灌注桩完整性检测方法研究

刘永莉，肖衡林，胡其志，马 强，李丽华

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)

基于DTS的灌注桩完整性检测方法研究

刘永莉，肖衡林，胡其志，马 强，李丽华

(湖北工业大学 土木建筑与环境学院，武汉 430068)

为了完善DTS应用于灌注桩完整性检测的理论，基于有内热源的径向热传导理论和试验，针对桩径为300，400，600，1 000 mm的灌注桩，对沿桩中心轴线方向内置光纤热源的热传导特征进行研究；取最大过余温度1 K，对加热功率与温度场的相关性进行计算分析。确定了桩体内置光纤热源径向热传导特征、桩径、加热功率的定量关系，分析了DTS检测桩缺陷对光纤布线及加热功率的要求，最后给出了考虑DTS测试精度的合理光纤加热功率的确定方法。

灌注桩；缺陷检测；DTS；一维径向热传导；温度场

1 研究背景

分布式光纤测温传感技术(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing Technology，简称DTS)以光纤作为传感器，测量光纤沿线温度[1]。

根据结构体的温度场分布和温度场变化规律，可以判断结构物的物理、力学性能[2-6]。蔡德所[7]2001年率先将DTS测温技术引入到国内，并在三峡工程中进行了试验；试验结果表明该方法能快速、连续地监测坝体内部混凝土水化热的释放过程；继而又将其应用于坝基渗透监测。肖衡林等[4,8]提出应用DTS测试材料的热传导系数，根据桩缺陷对热传导的影响，又将DTS应用于混凝土灌注桩缺陷的识别研究，通过模型试验验证了DTS检测断桩、夹泥、离析等桩缺陷的可行性，建立了热传导系数与桩缺陷的定量关系式。

研究人员提出了诸多行之有效的方法，并将其应用于灌注桩检测，但是都不能完全满足桩质量检测的需要。探索灌注桩检测新方法，与现有检测方法优势互补，是研究灌注桩中值得关注的一个方面[9]。

本文在已有研究的基础上，系统地给出了DTS检测方案的设计方法，并对检测方案中相关参数的确定进行了理论研究，对规范DTS检测桩缺陷具有推动意义。

2 DTS检测桩缺陷的试验分析

2.1 DTS检测灌注桩缺陷的模型试验

建立截面半径为0.4 m，高0.5 m的圆柱形灌注桩模型，支模采用透明高强度的塑料，便于观察桩的灌注情况。在该模型中分别置入光纤传感器和声测管，见图1。

图1 离析桩模型Fig.1 Model of segregated pile

图2 超声波速度检测结果Fig.2 Test result ofultrasonic velocity

光纤沿钢筋笼内侧呈螺旋形置入，光纤螺旋线导程0.1 m，半径0.15 m。桩中心轴线两侧布置声测管，间距0.3 m，长1 m，高出桩0.5 m。当加热光纤的功率不大时，螺旋形布置的光纤形成的内热源满足一维线热源理论。

图2是模型试验桩声测管检测结果，检测值波动较大，显然与实际工况不符。

图3反映了桩内光纤加热时温度的上升规律，加热功率较小时，温度变化在短时间内达到稳定，说明为稳态热传导；加热功率增大时，光纤热源中心温度较高，热传导中心温度不稳定。

图3 加热光纤温度上升规律Fig.3 Rise of optical fiber temperature when heated

螺旋线形式布置光纤，间接提高了距离分辨率，模型试验中桩体尺寸相对于工程桩较小，光纤置入模型桩不产生结构效应，应用于模型试验中具有常规检测仪器难以比拟的优势。但是，光纤发热功率高时，热源中心温度增幅较大，且光纤与桩体周围岩土介质距离较小，难以满足线热源理论条件。此种布线方式不适用于现场检测。

图4 桩体光纤布置示意图Fig.4 Layout of fiberin pile

2.2 DTS灌注桩缺陷现场试验

图4是灌注桩现场检测

光纤布置示意图，桩径1 m，桩长51 m，将光纤沿受力主筋绑扎在钢筋笼上。光纤沿受力主筋呈“U”形回路布置。

沿光纤主轴方向布置光纤适用于灌注桩的现场检测,但是水化热导致的热传导是瞬态的，理论分析较为复杂，不利于定量评价；热传导存在临界半径，光纤布线位置设计不当关系到整个桩体能否全面被检测。

2.3 DTS应用于灌注桩检测的关键环节分析

2.3.1 光纤传感器的布置

对于桩检测，加热光纤形成的热传导需要覆盖整个桩体，同时尽量减小对周围环境热辐射的影响。桩体周围地质环境复杂，如果热传导的影响范围涉及岩土介质，则会影响检测数据后续的处理与桩质量评价。

2.3.2 光纤加热功率的确定

灌注桩浇注完成后，混凝土水化热会随着时间增长逐渐减小，形成瞬态热传导。由水化热形成的温度场不易控制，应用水化热特征判断桩身质量较难统一。应用DTS对桩缺陷检测，通过加热光纤形成热源易于控制，而且也有相应的理论作为依据，易于推广，但是，加热功率需要针对不同的桩进行设计。

3 桩体内置加热光纤热源热传导模型

在径向对称的几何体中，在有内热源且在稳态状况下,假定内热源生热均匀，温度分布为[10]

(1)

柱状灌注桩为径向对称的几何体，植入光纤即为内热源[11]。应用径向对称系统导热理论对光纤热源热传导进行计算，为简化计算，假设满足以下条件[12]：①稳态工作状况；②任何平行于桩中心轴线的光纤热源为一维径向热传导；③常物性；④均匀的容积热生成率；⑤外表面绝热。

图5 计算模型Fig.5 Calculation model

边界条件如下：

第1类边界条件,当r=r0时，T(r0)=Ts；

考虑边界条件，由式(1)得温度分布为

(2)

用式(2)对中心线上的温度进行求值，并用此值除以式(2)，得到温度分布的无因次形式，即

(3)

式中:r0为热传导临界半径;T0为中心线温度，即光纤沿线温度，ΔT(r)=T(r)-Ts，定义为离热源距离为r处的过余温度，热源点的过余温度最大。

4 算例分析

4.1 不同桩径热传导温度分布特征

计算工况：光纤沿桩体的中心轴线布置，即r0分别取0.3，0.4，0.6，1m，最大过余温度取1K，光纤为单芯铠装光缆。根据式(2)进行计算，计算结果见图6。

图6 ΔT(0)=1 K热传导温度分布Fig.6 Distribution of heat transfer temperaturewhen ΔT(0)=1 K

图6表明：当r增大时，热量损失增加，温度降低；当r=r0(临界半径)时，温度不再降低，降温梯度随着r的增大而减小。对于大直径的灌注桩，通过对内置光纤进行加热，引起的热传导形成一个热传导辐射区，存在一个临界半径r0，超过这个半径以外的区域，不受加热光纤的影响，温度等于环境温度。如果光纤布置在桩体的中心，随着桩体半径的增大，当发热功率受限时，热传导很难覆盖整个桩截面，则说明一根桩布置一条光纤很难满足桩体检测的需要。

4.2 加热功率与桩体热传导温度分布相关性

计算工况：光纤沿桩体的中心轴线布置，即r0分别取0.3，0.4，0.6，1m，q分别取10，12，15W/m。

对于检测桩体，热传导系数是确定的。式(2)可写成如下形式，即

(4)

图7表明，过余温度随着加热功率的增大而增大。当功率为10～15W/m时，中心最高温度增长幅度在1K左右，加热功率越大，过余温度就越大，考虑绝热面，降温幅度也就越大。所以，加热光纤发热功率的选择，需要制作桩体材料试块进行试验，预估桩体材料的导热系数，根据导热系数初始设计加热功率，并计算过余温度。同时，过余温度增长时，对于没有明显绝热层的材料，热传导的影响范围就越大，如果桩体内同时内置多条光纤作为内热源，热传导之间会相互影响。

图7 r0=0.3 m处热传导温度分布Fig.7 Distribution of heat transfer temperaturewhen r0=0.3m

图8 DTS检测光纤布线方式Fig.8 Layout of fiber by distributed optical fibertemperature sensing (DTS) technology

4.3 光纤布线方式的确定

对于大直径的灌注桩，需要在桩体内布置多条光纤，才可以检测整个桩体是否存在质量缺陷。光纤两端同时加热时，才能保证光纤内发热功率是均匀的，所以光纤需要按照“U”型布置。热生成速率既要保证热源中心温度上升满足热传导的要求，又要保证光纤热传导之间不相互影响。同时热传导要满足径向热传导理论条件。

4.4 光纤加热功率的确定

根据式(4)，检测对象确定时，即r0确定。式(4)中有2个未知数，当r=0时，ΔT(0)与q成正比，比例系数等于热传导系数。ΔT(0)可以通过DTS测试获得，对光纤进行加热时，q的量值是可控制的。分别在不同的功率q下，DTS测试获得热源点的温度，ΔT(0)-q曲线的斜率等于k，可以作为初始计算值。热传导的影响范围是由热生成速率和热传导系数决定，热传导的影响范围很难精确控制在半径为r0的圆内，而DTS的测试精度有限；当r越大时，热损失增加，温度下降梯度减小，当小于DTS仪器精度时，可认为热传导结束，因此可以通过DTS仪器精度确定q。

对式(4)进行求导，且满足下列等式，即

(5)

其中δ为DTS仪器的测试精度，求解式(5)即可确定加热功率，因为热传导系数受环境影响，所以长时间检测，需要在环境温度变化较大时，重新计算确定加热功率。

对于截面半径400mm的灌注桩，取r0=200 mm，k=1.74 W/(m·k)，Ts=10 ℃，δ=0.05，根据式(5)计算得q=0.109 W/m。

5 结 论

光纤的布线及测试参数如何确定制约了DTS检测桩缺陷的规范化应用。本文根据一维径向传导理论进行了理论分析和计算，主要得到以下结论。

(1) 光纤只有呈“U”型回路布置在桩体内，光纤热源需两端同时加热，光纤中的热生成速率才均匀。

(2) 光纤呈“U”型回路布置时，光纤间距应等于加热光纤形成热传导的临界半径。

(3) 光纤加热速率值可以根据DTS的测温精度确定。

[1] 陈立军，李海波，吴 谦，等.分布式光纤测温技术研究现状及发展趋势[J].化工自动化及仪表，2010，37(12)：1-4.

[2] 蔡德所，戴会超，蔡顺德，等.大坝混凝土结构温度场监测的光纤分布式温度测量技术[J].水力发电学报，2006,25(4):88-91.

[3] 邓翔文.基于分布式光纤测温传感技术的渗漏监测模型试验研究[D].武汉：湖北工业大学，2011.

[4] 肖衡林，鲍 华，王翠英，等.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)：2784-2798.

[5] 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.

[6] 董海洲，张小燕.堤坝渗漏圆柱状热源模型及试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30(增2)：3665-3670.

[7] 蔡德所.光纤检测技术在大坝工程中的应用[M].北京：中国水力水电出版社，2002.

[8] 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.

[9] 张 宏.灌注桩检测与处理[M].北京：人民交通出版社，2001.

[10]史佩栋.桩基工程手册[M].北京：人民交通出版社，2012.

[11]苏亚欣.传热学[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[12]甘孝清，赵军华，李申亭，等.分布式光纤加热技术研究[J].长江科学院院报，2013，30(11)：119-122.

(编辑：刘运飞)

Research on Integrity Detection Method for Bored Pile UsingDistributed Optical Fiber Temperature Sensing Technology

LIU Yong-li, XIAO Heng-lin, HU Qi-zhi, MA Qiang, LI Li-hua

(School of Civil Engineering, Architecture and Environment, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Application of distributed optical fiber temperature sensing (DTS) technology to the detection of bored pile’s integrity is still in experimental stage, in lack of theoretical basis for fiber layout and mature evaluation system for pile quality. According to the theory of radial heat conduction with internal heat source, some key procedures of detecting bored pile’s defectives by DTS were researched. With bored piles of 300mm, 400mm, 600mm, and 1000mm diameter, the heat transfer characteristics with fiber heat source built-in along the central axis of pile were studied. Furthermore, the relationship between heating power and temperature field was analyzed with excessive temperature of 1K. On this basis, the requirements for fiber layout and heating power by DTS were analyzed.

bored pile; defect detection; DTS; one-dimensional radial heat conduction; temperature field

2016-03-03；

2016-06-20

国家自然科学基金项目(51578219)；湖北省桥梁安全监控技术及装备工程技术研究中心开放基金项目(QLZX2014003)；湖北工业大学高层次人才项目(BSQD12054)

刘永莉(1984-)，女，安徽界首人，讲师，博士，主要从事地质灾害的监测与评价研究，(电话)18627883936(电子信箱)maryroseli@126.com。

肖衡林(1977-)，男，湖南衡阳人，教授，博士，主要从事光纤监测技术及环境岩土工程方面的教学与研究，(电话) 18971670600(电子信箱) xiao-henglin@163.com。

10.11988/ckyyb.20160167

2017,34(6):124-127

TU473

A

1001-5485(2017)06-0124-04