CN105157999A - 基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，包括以下步骤：将桩身的位置预留两个垂直的孔用于安装光纤传感器；将光纤应变传感器、光纤温度传感器以及应力计预拉后垂直的布设于预留的孔内；利用水泥浆将两个孔灌满；待到水泥浆硬化后利用信号采集仪器采集光纤温度传感器和光纤应变传感器的温度与应变结果，并根据度与应变结果以及应力增量结果进行桩体的完整性评估，同时将得到的两组径向的应变结果进行桩的横向位移计算。本发明能够对桩体的完整性进行评估。

Description

基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法

技术领域

本发明涉及岩土工程监测技术领域，特别是涉及一种基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法。

背景技术

当前国家在基础设施建设方面投入了大量的资金，如当前的热点项目“一带一路”涉及大量的基础设施建设，包括铁路、公路、以及各类型民用建筑，这些基础设施的安全性越来越受到工程师的关注。建筑物基础的安全与稳定性直接决定了人民生命财产的安全，利用有效的方法探测基础内部各种结构如桩、土钉等的力学性能以及安全性是十分必要的。

目前的判断桩体完整性与位移的方法存在一定的问题，如：(1)基于应力波方法探测桩体或其它岩土结构的缺陷，该种技术属于无损检测，其主要缺陷在于，对于较深层的土体内部、周围土质较为复杂、桩身完整性存在较多不确定性的情况下，需要依靠丰富的经验判断信号的可靠性，同时较长的桩体底部得到的信号较弱，导致可靠性较差；(2)混凝土钻芯法是一种直接从桩身取芯的方法探测桩体的长度与完整性，这种方法主要问题在于施工较为复杂，费时费力，技术成本较高；(3)其余方法如超声波扫描、电磁波方法等一般需要在桩身内部预安装套管，这种方法的成本也较高，操作过程亦比较耗时费力。

前人基于其他技术探索了一些测量土钉或桩的基本参数，如殷建华等(2006)提出的基于低相干干涉传感器测量土钉或桩长度的方法，以及施斌等(2005)以及施斌等(2006)基于BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry(BOTDR)技术测量边坡内部土体的变形。前者主要考虑用光纤传感器技术测量长度，而后者主要考虑的是土体的变形以及边坡的稳定性。这些研究也说明了光纤传感器技术的广泛应用前景。其他的技术如布拉格光纤光栅传感器也有部分应用于位移探测(刘波等2006)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，能够对桩体的完整性进行评估。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，包括以下步骤：

(1)将桩身的位置预留两个垂直的孔用于安装光纤传感器；

(2)将光纤应变传感器、光纤温度传感器以及应力计预拉后垂直的布设于预留的孔内；

(3)利用水泥浆将两个孔灌满；

(4)待到水泥浆硬化后利用信号采集仪器采集光纤温度传感器和光纤应变传感器的温度与应变结果，并根据度与应变结果以及应力增量结果进行桩体的完整性评估，同时将得到的两组径向的应变结果进行桩的横向位移计算。

所述光纤应变传感器为直径1.5mm的紧包光纤，外包层为PVC材料，内部为裸光纤。

所述光纤温度传感器为单模光纤光缆。

所述光纤应变传感器和光纤温度传感器的光纤光缆的底部安装有重物。

所述步骤(4)中横向位移计算方法如下：通过基于轴向对称位置测得的应变来计算桩身的倾角，进而计算出桩身相应的位移，计算公式为： $y_n=\frac{L_c^2}{D}\[({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{un}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\ln })+2\underset{i=2}{\overset{n-1}{\∑}}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ui}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{li}})+({\mathrm{\ϵ}}_{u1}-{\mathrm{\ϵ}}_{l1})\],$ 其中，L_c为常量，D为桩体直径，ε_ui和ε_li分别是测得的径向的两个位置的应变，ε_u1与ε_l1分别为第一个初始段长度两个位置的平均应变，ε_un与ε_ln分别为第n段长度两个位置的平均应变。

所述步骤(4)中桩体完整性评估方法如下：基于桩体内传感器测得的应变与应力结果计算桩体的平均有效模量分布，有效模量由以下公式进行计算：Δε_ui与Δε_li分别为两次加载后的两个孔内的应变增量，Δσ_ui与Δσ_li分别为两次加载后的两个孔内与光纤传感器对应位置的应力计的平均增量，当桩体出现缩颈、断桩或者扩径缺陷情况时，得到的相应有效模量E_i会分别出现减小、减小、增大的情况。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明针对桩体的完整性较难评估的特点，将基于BOTDA(Brillouinopticaltimedomainanalysis)光时域分技术的光纤应变和温度传感器布设于桩体内部，测量桩的径向对称位置产生的应变变化，同时在桩顶进行两次不同的加载，记录测得的纯应变信息，结合应力计得到的应力变化，以解析算法为基础计算桩体各部位的有效模量，利用该有效模量判定桩体的完整性。

附图说明

图1是光纤传感器与应力传感器在桩体内部布置方式的示意图；

图2是光纤应变传感器结构示意图；

图3是光纤温度传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其以BOTDA光纤分布式传感器为主，结合应力计对桩体内部径向两个孔内部的应力进行测量，将测量得到的应力与应变结果计算桩体的有效模量，进而判断桩身的完整性；同时考虑用积分的方法计算桩体的侧向位移。

发明中使用的光纤应变传感器为直径是1.5mm的PVC聚氯乙烯(PolyvinylChloride)材料的紧包光纤，内部为裸单模光纤，见图2。光纤温度传感器使用的是普通单模光纤光缆，见图3。使用过程中，在桩体(一般直径为1～3m)顶部预留两个直径为5cm的孔，孔直接到达桩底部以放置光纤传感器与应力计。光纤传感器测量分布的平均应变，即一定长度桩体的平均应变，通过发明中的布置方式可以测量从桩体底部到顶部的平均应变，进而可计算模量以及侧向位移，最终结合采集软件以及相应的计算方法可以判断桩体的完整性以及侧向位移。具体步骤如下：

(1)将桩身的位置预留两个垂直的孔用于安装光纤传感器。

(2)将光纤应变传感器、光纤温度传感器以及应力计预拉后垂直的布设于预留的孔内。为了防止注浆过程中导致光缆上浮，所述光纤应变传感器和光纤温度传感器的光纤光缆的底部可以安装有重物。图1是光纤传感器与应力传感器在桩体内部布置方式的示意图。图中，1为加载设备、2为光纤传感器信号采集仪、3为应力计、4为光纤应变与温度传感器。

(3)将预留孔用水泥砂浆封闭，待水泥砂浆硬化后即可采集信号。

(4)待到水泥浆硬化后利用信号采集仪器采集光纤温度传感器和光纤应变传感器的温度与应变结果，并根据度与应变结果以及应力增量结果进行桩体的完整性评估，同时将得到的两组径向的应变结果进行桩的横向位移计算。

其中，上述光纤应变传感器4用来测量桩体内部的应变分布；上述应力计3用于测量与光纤应变传感器4安装位置的应力值大小；上述光纤温度传感器用于测量桩体内部的温度分布，通过一定的计算方法为应变传感器做温度补偿；上述信号采集仪2用于采集应变信号并对信号数据进行分析，采集仪的类型可以为BOTDADITEST采集仪。加载设备1用于给桩顶施加两次荷载，针对不同的桩的尺寸可以采用不同的荷载值。

横向位移计算方法如下：

通过基于轴向对称位置测得的应变来计算桩身的倾角，进而计算出桩身相应的位移。附图显示的是分布式光纤传感器安装到桩体横截面两个安装位置的示意图，桩体的变形假定为连续的弹性变形，桩体中性轴的倾斜角度与横截面两个传感器安装位置的应变关系如下：

$\tan {\mathrm{\θ}}_i=\frac{({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ui}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{li}})\×L_i}{2R}---\left(1\right)$

其中L_i和θ_i分别代表长度和桩体中性轴旋转角度；ε_ui和ε_li分别是测得的径向的两个位置的应变。假定桩体的底部是固定的，即桩底位置不会发生任何旋转和位移，接近桩底部的第一个桩体单元的侧向位移y₁，可以由下式计算：

y₁＝L₁tanθ₁(2)

因此第i个桩体单元的位移，y_i可以由下式进行计算：

y_i＝L_i(tanθ_i+B_i)+C_i(3)

B_i和C_i是由边界条件决定积分常数。B_i与初始的倾角决定，而C_i由第i个桩身长度单元的初始位移决定。因为桩身的变形是连续的，因此B_i和C_i两个参数可以由第i-1个桩身单元的初始状态计算。因此有

B_i＝tanθ_i-1(4)

C_i＝y_i-1(5)

将公式(4)和(5)带入公式(3)可以得到以下公式：

y_i＝L_i(tanθ_i+tanθ_i-1)+y_i-1(i＝2,3,4,5,6……n)(6)

对于i-1的桩身单元，其横向位移为：

y_i-1＝L_i-1(tanθ_i-1+tanθ_i-2)+y_i-2(i＝3,4,5,6……n)(7)

对于i-2桩身单元，其横向位移为：

y_i-2＝L_i-2(tanθ_i-2+tanθ_i-3)+y_i-3(i＝4,5,6……n)(8)

通常L_i(i＝1,2,3,…n)为一个由光纤传感器分辨率决定的常数，因此可以用常数L_c代替L_i来简化计算，即L_c＝L_i(i＝1,2,3,…n)。基于公式(6)，(7)和(8)，第i个桩身单元的位移如下：

y_i＝L_c(tanθ_i+2tanθ_i-1+2tanθ_i-2+2tanθ_i-3+........+2tanθ₃+2tanθ₂+tanθ₁)(9)

如桩顶的桩身单元为y_n，则简化的计算桩顶的位移公式如下：

$y_n=L_c(\tan {\mathrm{\θ}}_n+2\underset{i=2}{\overset{n-1}{\∑}}\tan {\mathrm{\θ}}_i+\tan {\mathrm{\θ}}_1),(n\≥2)---\left(10\right)$

考虑到公式(1)的基本关系，以应变为参数的桩身横向位移如下:

$y_n=\frac{L_c^2}{D}\[({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{un}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\ln })+2\underset{i=2}{\overset{n-1}{\∑}}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ui}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{li}})+({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ul}}-{\mathrm{\ϵ}}_{l1})\],(n\≥2)---\left(11\right)$

其中，L_c为常量，D为桩体直径，ε_ui和ε_li分别是测得的径向的两个位置的应变，ε_u1与ε_l1分别为第一个初始段长度两个位置的平均应变ε_un与ε_ln分别为第n段长度两个位置的平均应变。

桩体完整性评估方法：

基于桩体内传感器测得的应变与应力结果计算桩体的平均有效模量分布，有效模量由以下公式进行计算：

$E_i=\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ui}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{li}}}{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ui}}+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{li}}}---\left(12\right)$

其中，Δε_ui与Δε_li分别为两次加载后的两个孔内的应变增量，Δσ_ui与Δσ_li分别为两次加载后的两个孔内与光纤传感器对应位置的应力计的平均增量，此处去应力计的平均应力变化值(如附图1所示的光纤应变与应力传感器)，当桩体出现缩颈、断桩或者扩径等缺陷情况时，得到的相应有效模量E_i会分别出现减小、减小、增大的情况。

不难发现，本发明将基于BOTDA(Brillouinopticaltimedomainanalysis)光时域分技术的光纤应变和温度传感器布设于桩体内部，测量桩的径向对称位置产生的应变变化，同时在桩顶进行两次不同的加载，记录测得的纯应变信息，结合应力计得到的应力变化，以解析算法为基础计算桩体各部位的有效模量，利用该有效模量判定桩体的完整性。

Claims (6)

1.一种基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将桩身的位置预留两个垂直的孔用于安装光纤传感器；

(2)将光纤应变传感器、光纤温度传感器以及应力计预拉后垂直的布设于预留的孔内；

(3)利用水泥浆将两个孔灌满；

(4)待到水泥浆硬化后利用信号采集仪器采集光纤温度传感器和光纤应变传感器的温度与应变结果，并根据度与应变结果以及应力增量结果进行桩体的完整性评估，同时将得到的两组径向的应变结果进行桩的横向位移计算。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其特征在于，所述光纤应变传感器为直径1.5mm的紧包光纤，外包层为PVC材料，内部为裸光纤。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其特征在于，所述光纤温度传感器为单模光纤光缆。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其特征在于，所述光纤应变传感器和光纤温度传感器的光纤光缆的底部安装有重物。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其特征在于，所述步骤(4)中横向位移计算方法如下：通过基于轴向对称位置测得的应变来计算桩身的倾角，进而计算出桩身相应的位移，计算公式为： $y_n=\frac{L_c^2}{D}[({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{un}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\ln })+2\underset{i=2}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ui}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{li}})+({\mathrm{\ϵ}}_{u1}-{\mathrm{\ϵ}}_{l1})],$ 其中，L_c为常量，D为桩体直径，ε_ui和ε_li分别是测得的径向的两个位置的应变，ε_u1与ε_l1分别为第一个初始段长度两个位置的平均应变，ε_un与ε_ln分别为第n段长度两个位置的平均应变。

6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术桩完整性和横向位移的评估方法，其特征在于，所述步骤(4)中桩体完整性评估方法如下：基于桩体内传感器测得的应变与应力结果计算桩体的平均有效模量分布，有效模量由以下公式进行计算：Δε_ui与Δε_li分别为两次加载后的两个孔内的应变增量，Δσ_ui与Δσ_li分别为两次加载后的两个孔内与光纤传感器对应位置的应力计的平均增量，当桩体出现缩颈、断桩或者扩径缺陷情况时，得到的相应有效模量E_i会分别出现减小、减小、增大的情况。