光纖測溫技術在斷樁檢測模型試驗中的應用*

范 萌，劉永莉，肖衡林，雷文凱

(1.湖北工業大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢430064;2.廈門市市政工程設計院有限公司，福建 廈門361000;3.賀州學院 建筑工程學院，廣西 賀州542899)

0 引 言

灌注樁由于其適應性強、承載力高、穩定性好等優點被廣泛應用于基礎工程中，但在施工中因受地質條件、設備技術及施工材料等因素影響，容易出現各種缺陷，給施工質量與工期造成嚴重影響［1］。

斷樁是灌注樁中常見的缺陷形式之一，屬于嚴重質量事故。其產生原因主要有以下幾個方面:1)導管埋深過小，會出現拔脫提漏現象，形成夾層斷樁;2)提升時連接螺栓拉斷或導管破裂而產生斷樁;3)卡管;4)坍塌;5)導管漏水、機械故障和停電等造成施工不能連續進行，或者井中水位突然下降等因素也可能造成斷樁［2］。因此，需認真檢查灌注前的準備工作，對于誘發斷樁的各類因素在施工初期清除其隱患。同時，施工完成后，需要對樁基進行檢測，及時發現問題并采取相應補救措施。

目前，國內外對于樁基檢測主要包括超聲波透射法、高應變法、靜載試驗等，它們為確保樁基質量與保障上部結構做出了突出貢獻，但仍然存在設備笨重、效率低、費用高，不能自動在線監測等局限性［3］，因此，需要尋求一種新的測試手段來進行樁基質量檢測。分布式光纖測溫技術以其高精度、抗干擾、長距離、能長期在線監測等優勢受到了關注［4］。目前，本文作者所在課題組已對光纖測溫技術在灌注樁檢測中的應用進行了一系列研究，如肖衡林設計模型試驗，以線熱源法為基礎，闡述分布式光纖傳感技術測量巖土體導熱系數方法的基本原理［5］;雷文凱結合實際工程分析灌注樁在水化熱過程中樁身溫度分布與其完整性的關系［6］。在此前課題組曾利用光纖測溫技術研究了不同程度含泥量時夾泥灌注樁的溫升規律，本文在此基礎上主要對光纖測溫技術在斷樁檢測中的應用進行了探討，通過斷樁模型試驗，采用光纖測溫技術對樁基進行定性定量檢測，為基于光纖測溫技術的樁基檢測研究積累經驗。

1 檢測原理

測溫系統主要由三部分組成:分布式光纖測溫儀、溫度傳感器及調壓儀。其中，分布式光纖測溫儀包括:激光組件、光纖波分復用器、光電接收放大組件、信號處理系統、光纖和光纖繞組溫度傳感器［7］。溫度傳感器即光纖，本試驗中采用英國進口鎧裝光纖，它在裸纖外層套上了一定尺寸的金屬鎧來提高溫度傳感的穩定性并防止外界硬物對光纖造成損傷。本試驗中采用型號為TDGC2—5 的調壓儀，可以根據光纖長度和電阻率大小選擇相應量程，滿足不同功率的需要。通過調壓儀對光纖加熱，其目的是放大信號，有時缺陷處的溫差不明顯，不容易區分，通過信號放大后差值會放大。

基于光纖測溫技術的斷樁模型試驗檢測原理為:通過在樁身布設傳感光纖使得傳感光纖與樁身溫度一致，利用光纖測溫儀監測布設在樁中的傳感光纖在不同時刻的溫度，同時采用調壓儀對光纖金屬鎧保護層加熱，由于光纖溫度增加與環境熱能以及傳導介質直接相關，如果發生斷樁，則該段溫度分布會與其他樁段不同，即表現異常，且在加熱過程中，該異常會被放大，由此可對該段進行判斷。

2 夾泥斷樁試驗設計

2.1 模型樁制作

模型樁高500 mm，直徑400 mm，采用C30 混凝土填灌，在中部100 mm 范圍采用粘土填灌，用以將上下層混凝土分離，模擬斷樁缺陷。其中，C30 混凝土配合比為︰水︰水泥︰砂︰石=0.38︰1︰1.11︰2.72。樁內置鋼筋籠，鋼筋保護層厚度為50 mm。光纖以單螺旋線狀由下至上纏繞在鋼筋籠上并用扎絲固定，每圈間距為0.1 m。模型樁和光纖布設如圖1所示。

將布設好的光纖分別接入測溫儀的兩個端口，檢測其通暢性后開始澆筑混凝土。通過對空氣中光纖指定點進行多次加熱，確定布設于模型樁內光纖空間測量點的具體位置，經定位可知，76 ～82 m 測點處于模型樁中。

2.2 加熱功率范圍與加熱時間的確定

圖1 模型示意圖Fig 1 Diagram of model

為了確定合適的加熱功率范圍，首先進行了溫度調試:加熱功率從1 ～9 W/m，以1 W/m 遞增。取模型樁中77 m測點在不同功率下加熱的溫升數據，分析該點處光纖溫升與加熱時間的關系，如圖2 所示。

圖2 77 m 處光纖溫升與時間變化曲線Fig 2 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 77 m

由圖2 可以看出:不論加熱功率大小，光纖的溫升曲線明顯分為三個階段:第一個階段為快速升溫段，持續時間隨著加熱功率的不同而不同，在這個階段，光纖溫升增加迅速;第二個階段為穩定上升期，該階段光纖溫升增加減緩，表現為穩中有升;第三個階段為穩定段，在加熱1 000 s 左右，光纖溫升在波動中保持穩定。由此，應將試驗加熱時間設置為略大于1 000 s，本試驗中設定加熱時間為1 200 s。

在第三階段，在穩定時1 W/m 加熱功率下溫升太小，此時信號放大不夠，容易引起誤差;理論上，加熱功率越大越好，但加熱功率增大對調壓儀要求很高，且耗電量大、安全性降低，勢必會影響試驗，且每增加1 W/m 功率時，光纖溫升改變量并不非常明顯，因此，本試驗選取3，6，9 W/m作為加熱功率試驗值。

3 樁體溫升規律分析

3.1 光纖溫升規律

由定位可知，76 ～82 m 測點處于模型樁中，其中76 ～78 m 測點處于下部混凝土段，79 m 測點處于夾泥段，80 ～82 m 測點處于上部混凝土段。在此，分別取78，79，80 m 測點作為樁內三層材料的代表點進行分析。圖3 ～圖5 分別為三個測點在不同加熱功率下光纖溫升隨時間變化曲線。

圖3 78 m 處測點光纖溫升與時間變化曲線Fig 3 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 78 m

圖4 79 m 處測點光纖溫升與時間變化曲線Fig 4 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 79 m

圖5 80 m 處測點光纖溫升與時間變化曲線Fig 5 Curve of optical fiber temperature rising and time change in 80 m

由圖3 ～圖5 可以看出:

1)在不同加熱功率下，模型樁中各測點光纖溫升變化趨勢大體一致，在加熱初期光纖溫升迅速增加，之后在熱量平衡作用下溫升增加減緩，最后在波動中慢慢達到穩定。

2)在不同加熱功率下，模型樁中各測點在加熱后，溫升迅速增加所持續的時間不同，在小功率下光纖溫升表現不明顯，而隨著加熱功率的增加，溫升增加持續的時間變長。

3)在加熱功率為3，6，9 W/m 時，78 m 處測點光纖溫升分別穩定在1.7，3.8，5.5 K;79 m 處測點光纖溫升分別穩定在3.3，6.6，9.7 K;80 m 處測點光纖溫升分別穩定在1.9，4.1，6.3 K。

4)在不同加熱功率下，模型樁內79 m 處測點光纖溫升穩定時均高于其他測點，即粘土段光纖溫升明顯高于混凝土段，且隨著加熱功率的增加，差值越來越顯著。

5)隨著加熱功率的增加，模型樁內各測點光纖溫升隨之增大。

3.2 加熱功率對光纖溫升影響規律

為了更加清晰地研究加熱功率對光纖溫升影響，選取加熱時間為1 040 s ～1 200 s 溫升進行分析，將1 040，1 080，1 120，1160，1200 s 的溫升平均值作為最后穩定溫升。模型樁兩端測點接近外界，溫度受到大氣影響，因而將這兩點去除。光纖溫升與加熱功率的關系曲線如圖6 所示。

圖6 光纖溫升與加熱功率關系曲線Fig 6 Curve of relationship between optical fiber temperature rising and heating power

由圖6 可知，溫升是功率的單調遞增函數。采用過原點的線性函數對各監測點光纖溫升與加熱功率關系曲線進行擬合，并定義擬合表達式為:ΔT=aP(其中，ΔT 為溫升;P 為加熱功率;a 為擬合相關系數)。由擬合結果知，擬合曲線相關系數均大于0.996 4，因此，可認為光纖溫升值與加熱功率存在良好的線性關系。

3.3 夾泥對光纖溫升影響規律

由圖6 可以看出:粘土段的79 m 測點處光纖溫升明顯高于其他測點，而混凝土段的77，78，80，81 m 測點間溫升差值相對較小。取圖6 中混凝土段77 m 測點與粘土段79 m 測點穩定溫升數據分析，如圖7 所示。

圖7 光纖溫升對比圖Fig 7 Comparison chart of optical fiber temperature rising

由圖7 可以看出:

1)在加熱功率為3，6，9 W/m 時，模型樁中粘土段(79 m 位置測點)的穩定溫升均大于混凝土樁內(78 m 位置測點)的穩定溫升，其差值分別為1.0，2.3，3.1 K。

2)隨著加熱功率增加，模型樁粘土段與混凝土段穩定溫差值越來越大。

由此可見，夾泥導致了溫度的異常，其原因為粘土的導熱系數較小，粘土帶走光纖熱量小于混凝土帶走的熱量，因此，在加熱過程中表現為粘土段光纖溫升高于混凝土段。由此可通過溫度的差異來判斷樁體的缺陷。

4 結 論

1)設計了斷樁模型試驗，通過模型試驗驗證了光纖測溫技術應用于斷樁檢測的可行性，為樁基檢測提供了新的檢測手段。

2)無論夾泥段還是混凝土段，光纖溫升隨著加熱功率的增加而增加，兩者之間具有良好的線性關系。

3)夾泥段光纖溫升明顯高于混凝土段，且隨著加熱功率增加，溫升差值增大。因此，在加熱過程中若發現樁內光纖溫升突然升高，可對其缺陷進行判斷。

［1］ 張 宏.灌注樁檢測與處理［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］ 張長寧.鉆孔灌注樁施工中的常見質量缺陷及處理措施［J］.科技咨詢導報，2007，(29):63.

［3］ 陳 凡，徐天平，陳久照，等.基樁質量檢測技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［4］ 王其福，喬學光，賈振安，等.布里淵散射分布式光纖傳感技術的研究進展［J］.傳感器與微系統，2007，26(7):7－9.

［5］ 肖衡林，蔡德所，何 俊.基于分布式光纖傳感技術的巖土體導熱系數測定方法［J］，巖石力學與工程學報，2009，28(4):819－825.

［6］ 雷文凱，肖衡林.基于分布式光纖測溫技術的灌注樁完整性檢測［J］.湖北工業大學學報，2014，29(2):19－22.

［7］ 肖衡林，張晉峰，何 俊.基于分布式光纖傳感技術的流速測量方法研究［J］.巖土力學，2009，30(11):3543－3547.