离析灌注桩的光纤温度传感检测模型试验

徐超凡， 范 萌, 刘永莉， 肖衡林

(1 湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068; 2 厦门市政集团 厦门市政设计院，福建 厦门 361000)

离析灌注桩的光纤温度传感检测模型试验

徐超凡1， 范 萌2, 刘永莉1， 肖衡林1

(1 湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 430068; 2 厦门市政集团 厦门市政设计院，福建 厦门 361000)

介绍了分布式光纤温度传感技术的灌注桩基质量检测原理。设计试验模型，分别制作了水灰比为0.38、0.48、0.58的3种离析桩模型，对不同离析程度桩的光纤温升进行测量，分析不同离析桩中光纤温升规律；研究加热功率大小对光纤温升的影响，通过分析发现温升与加热功率具有良好线性关系；研究了离析程度对光纤温升的影响，结果表明：光纤温升随离析程度增加而增加。

水灰比； 离析桩； 模型试验； 分布式光纤测温技术； 温升

桩基是隐遮的地下结构物,桩基结构支撑着地面上的建、构筑物,它是建筑物的基础,一旦基础失稳,势必造成整体建筑物破坏。因此,桩基的设计、施工和检测是桩基础安全与可靠的先决因素[1]。在实际工程中灌注桩基础的缺陷有很多种，比较常见的有桩身夹泥、断桩、离析、缩颈、断桩等，这些质量缺陷在影响桩身完整性的同时还极大影响建筑结构的安全。所以在实际工程中，桩基础的质量检测已成为土建工程中一个不可或缺的步骤[2]。

当前，国内外对灌注桩安全相关方面的课题都进行了大量的研究，通过研究和分析已经总结和归纳了许多可行的方法，广泛运用的有低应变法、高应变法、超声波透射法、静载试验等。这些方法在检测桩基质量，保证桩基的安全方面发挥了重要的作用，这些方法在应用过程中仍然存在一些问题，比如效率低、设备重、体积大、不能实时远程监测、花费高等[3]。

为适应工程施工技术以及检测技术发展需要，灌注桩基检测也需要向着智能化、自动化、简便化、高精准度等方向发展。基于分布式光纤传感测温的检测技术以普通光纤作为传感和传输介质，无需在添加其它外置传感器件，并且其具有一定的柔韧性，能够保持一定程度的弯折度埋置到构件中，一定程度上满足了现代传感技术发展的要求，在实际工程检测中也已经有运用到[4]。

目前，国内已有相关研究人员对离析桩的检测进行了研究，如高景宏、赵红利用低应变动测法检测大直径灌注桩混凝土离析缺陷[5]。目前的研究成果还不能完全满足离析桩检测的需要，仍存在一些问题亟待解决。肖衡林，雷文凯等[6-8]提出应用分布式光纤测温技术检测灌注桩缺陷，并进行了系列模型试验及现场试验，研究表明，分布式光纤温度传感方法用于桩基检测具有很大的优势，可以与现有的检测手段优势互补。目前的研究仍处于基础研究阶段，要想规范该技术来实现对灌注桩基质量的定性定量检测，还需要在理论和试验上进行大量的研究和积累。本文在前期研究基础之上，通过制作不同离析程度的灌注桩试验模型，采用分布式光纤温度传感技术对离析桩热传导过程中的温升进行检测，定量分析加热功率与光纤温升及离析程度的关系，为基于分布式光纤测温技术的灌注桩基质量检测技术的工程实践提供参考。

1 检测原理

1.1 分布式光纤测温原理

研究过程中采用进口的Sentinel DTS为测温设备，其由激光组件、光线波分复用器、光电接受与放大组件、信号处理系统、光纤和光纤绕组温度传感器等组成[9]。其测温原理如下：DTS激光发射装置向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光在光纤中以略低于真空中光速的速度向前传播，并发生非弹性散射，散射光中的一部分沿光纤返回到入射端，入射光和反射光之间的时间差记为t，发射散射光的位置距入射端的距离

式中：C为光纤中的光速，C=C0/n，C0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。返回入射端的拉曼散射光含有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：

(1)

式中：las为Anti-Stokes光强；ls为Stokes光强；v是激发光的频率，vi是振动频率，h为普朗克系数；k为鲍尔次曼常数；T为绝对温度。从(1)式可以看出，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，根据测出的反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值可以实现温度的测量[10-13]。

1.2 基于DTS灌注桩质量检测原理

基于分布式测温传感技术检测灌注桩基原理为：含缺陷桩的桩体材料的热传导特性与完整桩相比，热传导特征差异较大；利用不同类型桩缺陷对桩体材料热传导特征的影响，将传感光纤植入到桩体内部，测量桩的导热特征，利用不同的导热特征判断桩的缺陷程度。灌注桩成桩过程中，将产生水化热，可以通过测量水化热的散热过程中桩体的温度变化，判断桩体的完整性，但是由于这一时期桩体没有完全固结，所以利用水化热引起的温度效应判断桩体完整性会存在一定的误差；需要植入热源，通过内置热源的加热和放热过程中热传导特征的变化判断桩缺陷。

2 试验设计

2.1 试验设备及内置热源

本试验所用光纤检测设备为进口的SentinelDTS，其对光纤进行温度分布式采集，其取点间距最小为0.5m，检测距离最长可达25km，温度分辨率可精确到0.05℃。所使用的传感光纤型号为进口的50/125多模光纤，其由圆柱形玻璃纤芯、包层及涂层组成中心部分，外包一层铝制金属铠甲与绝缘塑料。其中铝制铠甲与调压仪输出端连接后作为模型的内置热源。加热使用的调压仪型号为正泰TDGC2-5，调节电压幅度为0-250V，输入电压为220V。连接传感光纤与DTS检测设备的为E2000连接器，其为一个按指门栓系统，在振动情况下不会松弛。试验设备及内置线热源如图1所示。

图 1 试验设备及内置热源

2.2 模型桩制作

试验设计了三组模型桩，桩高500mm，直径400mm。其中①号桩为混凝土桩，采用C30混凝土填灌，作为标准桩。②、③号桩均为离析桩，使其中的水灰比发生变化，即使其中的水、水泥、砂和石的混合量不同。以桩中水与水泥的比值为水灰比，则三个桩水灰比分别为0.38、0.48、0.58；各模型桩中水泥、砂、石的比例不变，为m水泥∶m砂∶m石=1∶1.11∶2.72。模型制作时各材料混合均匀，所有材料都按规范要求选配。在桩身内部放置了预先焊接好的钢筋笼作为传感光纤的骨架，其中保护层厚度设定为50 mm。

2.3 传感器的布置

在实验中，传感光纤不仅是传感元件还是传输热量的介质，因此在桩身内部要选择均匀的光纤布设方式。在实验模型中，为了尽可能多地将光线长度布置在桩身内部，提高检测的精确性和灵敏度，选择以单螺旋线状的方式由下至上将光纤缠绕在钢筋笼上，然后用扎丝将其固定，取各圈之间间距为0.1 m(图2)。

图 2 模型示意图

然后将通过各桩身后露出的光纤两端分别接入DTS测温仪设备的两个接入端口，检测DTS的数据图形是否通畅，进行混凝土的灌注。灌注完成后的模型桩见图3。

图 3 模型桩灌注完成照片

2.4 加热功率与加热时间的选取

在对传感光纤进行加热时必须了解温升与加热功率、加热时间的关系。为了确定合适的加热功率及加热时间，范萌、雷文凯等进行了大量模型试验[6-8]，研究表明，当加热功率为9 W/m，加热时间为950 s时，温升值基本稳定。本试验加热功率设为1～9 W/m，以1 W/m递增，得到各功率下3个桩中光纤温升值。通过分析测量的数据发现当加热功率不同时各桩中光纤温升都有相同的规律。取桩中各测量点在不同功率下的温升平均值，建立桩中光纤温升与加热时间的关系(图4)。

图 4 1号桩中光纤温升与时间关系曲线

由图4可知：在加热功率不同的情况下，光纤的温升变化趋势总体相似，在开始阶段温升值斜率都较大，而后温升值斜率变小，温升增加趋势变缓，最后光纤温升值在上下波动中趋于稳定。试验表明当加热时间为1000 s左右时，各功率下光纤温升值均趋于稳定状态，所以本试验将加热时间设定为1200 s。

理论上加热功率越大光纤温升越明显，但随着加热功率的增大，对调压仪的要求也更高，并且过大的加热功率会使试验安全性降低；由图4可知，在1-9 W/m加热功率下光纤温升的稳定状态值分别为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。当加热功率较小为1 W/m时，各桩中光纤温升值都较小，在其加热功率下信号放大不够，难以区分各模型；当加热功率过大时，其能耗过高，且空气中的光纤塑料外包层易达到燃点而自燃，从而引起安全问题。因此本试验选取2 W/m、4 W/m、6 W/m、8 W/m作为加热功率值。

3 试验结果

3.1 光纤温升规律

通过对空气中光纤设定点进行多次不同功率加热，确定埋设于模型桩内光纤的空间测量点的具体位置，经定位可知：45-52 m测量点处于①号桩、55-62 m测量点处于②号桩、65-72 m测量点处于③号桩中。

由图4可知，加热功率越大光纤温升越大，以加热1200 s时为例，测得温升变化见图5。

图 5 加热1200 s时各桩光纤温升

结合图4和图5可以看出：

1)在不同加热功率下，各模型桩中光纤的温升变化趋势相似，在初始阶段光纤温升增加迅速，之后在热量平衡作用下温度增加减缓，最后在波动中逐渐达到稳定状态。

2)在不同加热功率下，各模型桩中监测点在加热后，温升迅速增加所持续的时间不同，在小功率下光纤温升表现不明显，而随着加热功率的增加，温升增加持续的时间变长。

3)在较低加热功率下，温升值曲线稳定段存在一定波动，如4 W/m以下的加热功率与温升值的关系曲线。随着加热功率的增加，曲线波动现象逐渐减弱，在6 W/m以上的加热功率的曲线波动现象消失。

4)在各加热功率下，空气段的光纤温升值远远高于各模型桩内的温升值，且随着加热功率的增加，其差值越来越大。

5)在各加热功率下，各模型桩内温升大小不同，温升大小依次为③>②>①，即温升大小随着水灰比增加而增加。

3.2 加热功率与光纤温升相关性

由图5可以发现，在不同的加热功率下，空气段温度上升最快。同时，也反映出加热功率与光纤温升值有很大相关性。在选取的加热功率下1号桩内光纤温升值与加热时间的关系见图6，2号桩、3号桩的光纤温升图与1号桩类似。不同功率下光纤稳定温升见图6。

图 6 号桩中光纤温升图

由图6可得：在各加热功率下光纤的温升曲线明显分为两个阶段。第一阶段为快速升温段，持续约200 s，在这个阶段光纤温度值增加迅速；第二阶段为稳定上升段，在200 s之后，光纤温度增加减缓，最后保持稳定。在各加热功率下，1号桩内光纤最高温升值分别为0.9 K、2.0 K、2.8 K、3.7 K。

为了更加清晰的反应出加热功率对光纤温升的影响。本试验根据各模型桩中光纤温升稳定段的数据作为最后各桩的稳定温升值，见表1。

表1 各桩在不同加热功率下的稳定温升值

由表1中各模型桩在不同加热功率下的稳定温升值可知：光纤温升值随着加热功率的增加而增大，即温升是功率的单调递增函数。并采用过原点的线性函数对各模型桩温升值与加热功率关系曲线进行拟合，并定义拟合表达式为

ΔT=aI

(1)

式中：ΔT为温升，K；I为加热功率，W/m；a为拟合相关系数。

由拟合结果知，各拟合曲线相关系数均大于0.9954，所以可认为光纤温升值与加热功率存在良好的线性关系。在各桩中光纤温升与加热功率之间的关系为：

在1号桩中：

ΔT=0.4592I

在2号桩中：

ΔT=0.5005I

在3号桩中：

ΔT=0.5481I

4 灌注桩离析程度对光纤温升的相关性分析

由检测到的各模型桩的稳定温升值，可分析得在不同加热功率下光纤温升与水灰比关系曲线(图7)。本试验采用线性拟合，设温升值是水灰比的不过原点的递增函数。

图 7 光纤温升与离析程度关系曲线

由图7分析可得：

1)在各种加热功率下，光纤温升随着水灰比(离析程度)的增加而增大。在加热功率分别为2W/m、4W/m、6W/m、8W/m时，③号桩较①号桩稳定温升差值分别为0.03K、0.30K、0.59K、0.74K，③号桩较②号桩稳定温升差值分别为0.02K、0.17K、0.31K、0.39K。

2)随着加热功率增加，不同水灰比下的温升差值越来越大。由此可见，水用量的增加导致了温度的异常，且随着加热功率的增加，该异常被放大。

3)加热功率分别为2W/m、4W/m、6W/m、8W/m时，各直线的拟合相关系数为0.9939、0.9938、0.9991、0.9985。由此可得各加热功率下光纤温升与水灰比之间有很好的线型关系。在一定范围内，可以通过光纤温升反应桩身的水灰比。

由于在模型制作过程中混合均匀、振捣充分，浇筑完成后桩身密实性较好。但是在相同加热功率下，各桩的温升情况有较大差异，表明光纤温升与其所处桩身材料介质的性质和材料导热系数密切相关。本试验水灰比的不同导致了各桩中光纤温升的不同。在实际工程中，当水灰比达到一定比例数值时，所浇筑灌注桩将产生离析，水灰比越大桩体质量离析程度越大，导热系数也越小，所以其模型桩内的光纤温升也越大。因此在加热过程中，表现为水灰比越大桩中光纤温升越高，且随着水灰比的增加光纤温升亦增加，由此可通过温度的差异来判断桩体因水灰比较大而产生的缺陷。

5 结论及建议

在实际工程中，当桩体材料水灰比达到一定比例数值时，所浇注的灌注桩将产生离析。本文通过设计不同水灰比材料浇注的模型灌注桩，检测在内置热源情况下，水灰比与桩体内温度变化的相关性，研究结果表明：

1)通过设计模型试验，初步验证了分布式光纤测温技术用于离析灌注桩完整性检测的可行性，为桩基质量缺陷检测提供了新的检测手段。

2)在各模型桩中，光纤温升随着加热功率的增加而增加，两者之间具有良好的线性关系。

3)在各加热功率下，光纤温升随着水灰比(离析程度)的增加而增加，两者之间具有良好的线性关系。

4)通过模型试验为工程离析灌注桩的检测提供了技术方法和理论基础。

本文提出的方法丰富了现有灌注桩质量检测手段，在热传导理论和室内试验的基础上，得到了一些离析桩的温升特征，还需要在试验和工程实践中进一步完善。

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[责任编校： 张岩芳]

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

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)02-0105-05

TU473

A