BOTDR分布式光纖傳感技術在樁基測試中的應用研究

黃曉維 鄭建國 于永堂 劉爭宏 張 龍

（機械工業勘察設計研究院有限公司 陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室，陜西西安 710043）

0 引言

樁基作為地下工程的主要類型，其施工質量和工后變形直接影響上層建筑的穩定性。作為地下隱蔽工程，以往的測試手段以靜載荷試驗法以及高應變、低應變動測方法為主[1]，監測則采用鋼筋計、應變片等點式測試技術[2]，這些技術受外界環境影響大、干擾因素多、埋入傳感器成活率不高，難以對樁基進行實時、有效監測[3]。隨著光纖傳感技術的逐步成熟，其在土木、水利、隧道和橋梁等工程監測領域有著廣泛的應用。該技術具有分布式測量、抗干擾強、長距離傳輸、成活率高、耐久性強和協調性能好等優點，能滿足工程結構全斷面監測要求[4?5]。

近年來，國內外學者將光纖傳感技術引入樁基工程測試中，取得了一系列成果[6?8]。國際上主流的傳感技術主要包括：光時域傳感技術（OTDR）、基于布里淵散射光時域的分布式光纖傳感技術（如BOTDR、BOTDA）、基于拉曼背向散射原理的分布式光纖傳感技術（如ROTDR）、基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術（如OFDA）以及基于布拉格光纖光柵的準分布式光纖傳感技術（如FBG）等[4,8]。基于布里淵散射光時域的分布式光纖傳感技術（BOTDR）是發展較快、研究較成熟的一項傳感技術，已成功實現在預應力管樁和鉆孔灌注樁等樁型中進行樁身軸力、側摩阻力、樁端阻力、樁身應變等參數測試，并能準確確定樁身破壞位置，分析破壞原因[9?11]。魏廣慶等[12]基于BOTDR傳感原理，對預制樁在分布式應變模式下的樁身應變、內力分布測試進行了研究，并結合實例，分析了測試誤差的可能來源。樸春德等[13]成功將分布式光纖傳感技術應用于鉆孔灌注樁的檢測中，并與傳統的鋼筋計、土壓力盒等點式監測結果進行比較，得出BOTDR分布式光纖傳感技術在測試全樁身軸力、側摩阻力分布、確定端承力和檢驗樁身澆注質量等方面效果良好。因此，BOTDR分布式光纖傳感技術作為一種新型檢測技術，在樁基測試中取得了良好的效果，面對樁基工程測試的廣大市場需求，具有廣泛的應用前景和重大的工程意義。

1 BOTDR技術原理與設備

1.1 原理及特點

BOTDR的核心技術是檢測光纖中的背向布里淵散射信號[14?15]。應用于樁基測試時，通過向光纖中注入脈沖光，若光纖沿樁身發生軸向應變，則光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發生漂移[16?17]。據前人的試驗及研究，頻率的漂移量與光纖發生的軸向應變呈一定的線性關系，依據測試前標定的光纖線性系數，便可獲得光纖的應變變化量，進而推算出樁身內力等其他參數，由于測試和監測的對象是應變，光纖傳感測試技術往往需要采取溫度補償措施[18?19]。

該技術的特點在于能將普通的單模光纖作為傳感介質，無需另外特殊加工，無需回路，單端便可完成測試，能實現對大型結構工程（橋梁工程）和線狀工程（石油管道、水利工程）的全分布式檢測和監測[6,20]。

1.2 儀器設備

（1）傳感光纖類型

傳感光纖可分為無護套和有護套。無護套的傳感光纖稱為裸纖，尺寸纖細，材質脆性大，極易折斷，僅適合室內試驗研究使用。有護套的光纖統稱為光纜，為應對樁基工程中復雜、苛刻的施工環境，常在裸纖外封裝護套和保護層，以提高光纖的強度和存活率，通常具有多層結構，主要包括纖芯、包層、涂覆層、護套等[21]。據調研，國內如睿科光電技術有限公司等有生產銷售各種類型的分布式光纖傳感光纜，搭配分布式布里淵光纖傳感解調儀，已成功應用于橋梁等鋼結構體、隧道等水泥結構體表面、土木工程結構等應變分布的監測。索文斌等[22]概括了兩類分別適用于預制樁和灌注樁的分布式傳感光纜，如圖1所示，各類參數見表1。總體來看，在灌注樁使用的光纖直徑較粗，彈性模量大，承受拉力荷載值高，而預制樁中埋設的光纖強度參數要比灌注樁中低得多，這也是結合不同樁型及其受力特點，在經濟適用的條件下，選擇最優的光纖類型（見圖1）。

圖1 兩類傳感光纜示意圖[22]

表1 傳感光纜性能參數[22]

（2）光纖標定

在光纖中發生布里淵散射光的頻率會隨樁身的變化而發生改變[23]，因此，使用基于BOTDR理論的光纖傳感技術進行樁基測量時，使用前必須對光纖進行標定，以獲得其頻移與應變之間的線性關系[24]。標定工作一般在試驗室內進行，常用的方法有等強度梁法、定荷拉伸法、定點拉伸法等[25?26]，其中定點拉伸法在業內應用最廣。標定工作大多基于裸纖進行，相應的技術和配套裝置也發展成熟。此外，安鵬舉等[26]對緊包光纖標定進行了試驗，并基于定點拉伸法提出了改進的標定方法，較傳統方法取得了更好的測試效果。實際工程應用中的光纖往往具有過厚的黏結層（如鎧裝光纖），會造成光纖初始應變不均，因此在標定過程中受拉時存在應力分布調整。針對這類光纖的標定，目前在理論研究和試驗裝置方面仍有大量的工作需要進行。

（3）測量系統

國外對于光纖傳感測量系統研究起步較早、水平較高，如美國、加拿大、瑞士、日本等國家先后在系統的研發和應用方面取得了巨大進步[5,27]。國內如南京大學施 斌團隊、哈爾濱工業大學董永康團隊、四川大學劉浩吾等先后研發生產了分布式光纖傳感技術系列產品，并在橋梁、隧道工程中付諸實用。為更好地推廣光纖傳感技術并服務于工程應用，本文進一步調研了國內外生產研發相關儀器的情況，包括儀器名稱、型號、測量參數、測量精度等信息參數，并總結了一些代表性的生產銷售公司及其部分產品（見表2）。

據市場調研，美國生產的分布式光纖傳感設備在國內整體價格昂貴，在實際樁基工程應用中難以推廣，而瑞士、意大利等國家生產的大多產品既能滿足測量精度的需求，價格在國內又可被普遍接受，目前使用較多。隨著中國國內市場和技術實力的崛起，未來將會研發出更加低價高效的光纖傳感測量系統，以便分布式光纖傳感技術在樁基測試中廣泛推行與應用。

2 基于BOTDR技術的樁基測試

2.1 安裝工藝

現有的測試手段是將分布式傳感光纖植入到樁基內部去測量，根據已有的工程經驗，安裝的成功與否直接決定著測試效果。本文整理了已有的光纖成功安裝工藝，旨在為光纖在樁基測試中的布設提供參考。根據樁基種類、測試過程以及測試內容的不同，就應用最為廣泛的預制樁和鉆孔灌注樁進行歸納總結。

（1）預制樁（PHC管樁）

PHC管樁即預應力高強度混凝土管樁，是采用預應力離心成型工藝制成的一種空心圓筒型混凝土預制構件[28]。測試時通常沿樁身軸線布置一組或多組兩兩互成90°的傳感光纖，對樁身的縱向變形進行測試[12]。此外，施 斌等[18]指出，在貫入預制樁過程中，樁尖部位最易產生局部破壞，因此在該位置一定深度內應設置一定間隔的環向應變傳感光纖和溫度補償光纖，以監測樁身的環向變形和裂縫情況。實施步驟可概括如下，布設示意如圖2。

圖2 預制樁中傳感光纖布設示意圖

一是開槽布纖。沿樁身表面預先設計測試路線，后用切割工具沿設計路線進行開槽，其深度和寬度以能放入測試光纖為準，光纖埋入后采取定點固定。

二是涂膠防護。槽內推薦使用高強膠劑進行填充、粘貼和表面保護，樁頭處光纖外露部分可加套管保護，再用緩沖材料進行包裹固定。

三是光纖對接。將已埋設好光纖的管樁按先后順序貫入，在樁接口施工處，先進行樁的焊接，之后將上下樁對應的光纖進行對接并采取保護措施，為保證光纖接口成功，兩端保證有富余的光纖長度，確認對接成功后將冗余的光纖盤在樁接頭處加特殊保護層，后接著打樁施工。

（2）鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是指通過機械或人力等手段在地基土中形成樁孔，后在孔中放入鋼筋籠，再灌注混凝土而形成的樁[28]。因此傳感光纖是同鋼筋籠一起放入樁孔的，具體實施方法與步驟概括如下[13,29?30]，布設示意如圖3[22]。

圖3 鉆孔灌注樁光纖布設示意圖

一是光纖布設。傳感光纖垂直布設在鋼筋籠對稱的二根主筋上，為保證其成活率，采用U型放線布設，且布設位置盡量靠近鋼筋籠主筋側面。

二是綁扎固定。該工藝的主要目的是使傳感光纖能夠鉛直埋設于樁內。因此，綁扎時應對其給予一定的預應力，可將光纖一端固定，另一端利用鎖線器拉緊，采用定點固定的方式，用高壓膠帶或類似其他膠帶進行綁扎，固定間隔宜為20～50 cm。

三是過彎及出口保護。要點是在傳感光纖彎折及混凝土出露位置處加松套管進行保護，防止其折斷。其次在澆筑混凝土過程中，對其進行覆蓋保護，防止機械設備的破壞。傳感光纖應在樁頭預留一定的長度，以便后續接入BOTDR調解儀進行測試，同時對預留的光纖進行特殊保護，防止后期樁頭施工和養護對傳感光纖產生損壞。

2.2 數據采集與處理

分布式光纖傳感技術能采集到整個測試路線上的數據點，可達成千上萬個采樣點，每個采樣點包含了布里淵散射光頻移、功率譜、損耗及光纖應變等信息，一次測量的數據量非常龐大。受外界因素的影響，這些巨大的原始監測數據中常包含著異常數據點、噪聲信號等干擾數據，數據的處理旨在通過一定的處理技術及異常識別模型和方法提取出真實有用的數據，以便于樁基變形分析[13,29,31]。

樸春德等[13]提出了對采集數據的兩種處理方法，即去噪和平滑處理。去噪方法采用了小波分析的原理和方法，即去除噪聲信號，保留真實信號，改善信號的信噪比[32]；平滑處理則采用了移動平均法，減弱或消除偶然因素作用，顯示應變曲線的變化趨勢。

2.3 測試效果

大量研究結果表明，BOTDR分布式光纖傳感技術在樁基測試中取得了良好效果，同時，對可獲得的測試參數及結果進行了總結分析[9,12,33]。

（1）樁基樁體全斷深應變分布。

（2）根據樁身的形狀和材料力學參數，推算出樁身內力、側摩阻力及樁端阻力。

（3）查明樁徑異常和土層突變位置，準確識別和判斷樁身質量缺陷，分析施工工藝等因素對樁身承載性能的影響。

（4）通過多方位布設光纖測樁身應變，對樁身形態和偏心荷載情況進行判斷分析，更加全面地了解基樁承載特性。

2.4 工程實例

圖4顯示了某工地超高層試樁試驗工程中應變和軸力部分測試結果。由測試結果可知，樁身軸向應變從樁頂到樁底逐漸減小，在不同荷載級別下呈現較好的一致性規律，可直觀觀測到樁身全斷面應變變形分布；隨著樁頂施加的分級荷載增大，樁身軸力逐漸增大，而隨著樁體埋深的增加，軸力也相繼趨于零，呈現同步變化和一致性規律。

圖4 樁基部分參數測試結果示意圖

3 結論

隨著BOTDR分布式光纖傳感技術在樁基工程測試中的逐步推廣，理論和實踐日益加強，改變了隱蔽的樁基工程在檢測、監測的中的現狀，實現了對樁基樁身的全斷面監測，大大提高了監測準確性并切實保障了工程建設安全。本文總結了基于BOTDR原理的分布式光纖傳感技術在樁基測試方面的基本原理、設備概況、測試流程、數據處理與分析及測試結果與效果評價，進一步提出該技術今后需深入研究的方向。

（1）國內目前使用的光纖調解儀大多從國外引進，價格昂貴，在實際工程中難以廣泛應用。需進一步開展儀器設備方面研究，研發高精度、低價格的分布式光纖測試系統，從而實現該技術在樁基測試應用中的全面推廣。

（2）面對復雜的地下施工環境，傳感光纖往往需要較厚的黏結層來進行保護，嚴重影響了光纖標定的準確性。需進一步研發更加可靠的光纖標定設備，制定標定工藝與流程，解決標定中光纖因保護套導致的初始應變不均等問題。

（3）數據處理過程中對異常數據點的識別和判斷對樁基樁身安全狀態的鑒別有著至關重要的作用。面對地下隱蔽工程，該過程往往因個人主觀操作而出現偏差。需要進一步完善數據處理方法，開展智能化數據處理研究。

隨著BOTDR分布式光纖傳感技術在樁基測試領域的深入發展，其涵蓋的內容和范圍愈加廣泛，本文僅對其中部分內容做概述性總結和評述，為工程技術人員提供參考。