CN105651812A - 一种基于dts检测灌注桩完整性的检测系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法，将线状光纤植入桩截面半径为R桩体内沿中心线布置，以植入光纤为内热源，对其进行加热，热传导的影响半径为r₀，T_s为岩土介质温度，初始条件下桩体及外表面温度与岩土介质温度相等，通过在桩体内沿中心线不同距离处布置多条光纤传感器即可确定临界半径r₀，通过DRPL-Ⅱ导热系数测试仪可以确定导热系数k，根据已知的DTS仪器精度δ，通过公式即可算出光纤加热功率q，本发明通过以大直径混凝土灌注桩缺陷检测为研究对象，确定了植入光纤的合适数量，计算出加热辐射临界半径r₀和加热功率q，使得DTS检测过程中设计指标有了依据，可以实现快速而完整检测，对规范DTS检测桩缺陷具有推动意义。

Description

一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法

技术领域

本发明涉及工程领域基于热传导特征检测灌注桩完整性的温度传感器的布置设计，尤其涉及一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法。

背景技术

目前在进行灌注桩完整性检测时，多采用低应变法、高应变法、超声波透射法、静载试验等。这些检测方法存在效率低、设备重、体积大、不能实时远程监测、花费高等缺点。

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。但是，光纤传感器在灌注桩中的布置方案及相关参数指标的确定仍没有理论依据。

要推广DTS检测系统在灌注桩完整性检测中的应用，必须规范DTS检测系统相关参数的确定，必须确定下列参数：(1)内置光纤热源的加热功率；(2)光纤传感器的布线方式及间距。

发明内容

考虑到基于热传导特征的灌注桩缺陷的检测原理，为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法，包括以下主要步骤：

①将线性光纤植入桩截面半径为R桩体内沿中心线布置，以植入光纤为内热源，热传导的影响半径为r，T_s为岩土介质温度，初始条件下桩体及外表面温度与岩土介质温度相等，光纤均匀容积生成热为q为单位长度的功率；

②当桩体内光纤加热处于稳态时，以光纤为中心柱坐标下热流方程式为：

$\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left(r\frac{dT}{dr}\right)+\frac{Q}{k}=0---\left(1\right)$

其中k为导热系数，T为以加热光纤为中心在临界半径r₀范围内的桩体温度；

对上述公式(1)进行积分得到桩体温度分布为：

$T\left(r\right)=-\frac{Q}{4k}{r}^2+C_1\ln r+C_2---\left(2\right)$

③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；

确定公式(2)中C₁，C₂积分常数需要如下两个边界条件：

第一类边界条件：当r＝r₀时，T(r₀)＝T_s；

第二类边界条件：当r＝r₀时，

考虑边界条件，由公式(2)得到温度分布为：

$T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)+T_s---\left(3\right)$

④在大直径的灌注桩中心线处设置线状光纤，在距离灌注桩中心线不同半径r处设测量温度的光纤，对灌注桩中心线处光纤进行加热，当离灌注桩中心线光纤距离为r处桩体温度T(r)不再下降时，该半径即为灌注桩中心线处加热光纤的热传导辐射临界半径r₀；

⑤对方程式(3)在桩体中心线求值，并用此值去除方程(3)，得到温度分布的无因次形式：

$\frac{T\left(r\right)-T_s}{T_0-T_s}=1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，T₀为热源处温度，即位于桩体中加热光纤沿线温度，通过DTS检测即可得到，记△T(r)＝T(r)-T_s，定义为离热源距离为r点的过余温度，热源点的过余温度最大；

公式(3)可以记成如下形式：

$\mathrm{\Δ}T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)---\left(5\right)$

⑥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的测试精度是一定的；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，仪器无法识别温度变化，即可认为热传导结束，因此可以通过DTS仪器测试精度确定q；

对公式(5)进行求导，且满足下列等式：

$\frac{d\mathrm{\Δ}T\left(r\right)}{dr}{|}_{r=r_0}=-\mathrm{\δ}---\left(6\right)$

其中δ为DTS仪器精度；

对公式(6)求解可得：

q|_r＝r0＝2kπδr₀(7)

其中，导热系数k可通过DRPL-Ⅱ导热系数测试仪确定，r₀可通过步骤④中方式确定，π为圆周率取3.14。

本发明有益效果是：

1.基于DTS的灌注桩完整性检测的费用较低，检测效率高，可以在桩体内布置多条光纤传感器，通过本发明方法确认的r₀，使得桩体内的多条光纤传感器在加热时热传导形成的辐射区的外圆两两相切，互不干扰，可分别同时对多组光纤同时加热，可快速和全面的检测桩体缺陷；

2.确定光纤加热功率，使得临界半径r₀过大，大于灌注桩桩体尺寸，而导致无法短时间内形成稳定温升测量不准；或者临界半径r₀过小，不能完全检测全面桩体缺陷。如果采用特制光纤，光纤温度传感器后续在灌注桩受力阶段可作为变形传感器监测桩体的受力变形。

3.使得DTS检测过程中设计指标有了依据，可以实现快速而完整检测，对规范DTS检测桩缺陷具有推动意义。

附图说明

图1是本发明理论计算模型示意图。

图2是本发明DTS检测系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施，对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

柱状灌注桩为径向对称的几何体，将传感光纤植入其中，通过对光纤进行加热，植入光纤即为内热源。如果将光纤沿桩的中心线布置，桩体材料均匀，圆柱体的中心线就是温度场的对称线。应用径向对称系统导热理论对光纤热源热传导的计算，为简化计算，假设满足以下条件：

(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；

本发明提供一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法，包括以下主要步骤：

①将线状光纤植入桩截面半径为R桩体内沿中心线布置，以植入光纤为内热源，热传导的影响半径为r₀，T_s为岩土介质温度，初始条件下桩体及外表面温度与岩土介质温度相等，光纤均匀容积生成热为q为单位长度的功率；

②当桩体内光纤加热处于稳态时，以光纤为中心柱坐标下热流方程式为：

$\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left(r\frac{dT}{dr}\right)+\frac{Q}{k}=0---\left(1\right)$

其中k为导热系数，T为以加热光纤为中心在临界半径r₀范围内的桩体温度；

对上述公式(1)进行积分得到桩体温度分布为：

$T\left(r\right)=-\frac{Q}{4k}{r}^2+C_1\ln r+C_2---\left(2\right)$

③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；

确定公式(2)中C₁，C₂积分常数需要如下两个边界条件：

第一类边界条件：当r＝r₀时，T(r₀)＝T_s；

第二类边界条件：当r＝r₀时，

考虑边界条件，由公式(2)得到温度分布为：

$T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)+T_s---\left(3\right)$

④在大直径的灌注桩中心线处设置线状光纤，在距离灌注桩中心线不同半径r处设测量温度的光纤，对灌注桩中心线处光纤进行加热，当离灌注桩中心线光纤距离为r处桩体温度T(r)不再下降时，该半径即为灌注桩中心线处加热光纤的热传导辐射临界半径r₀；

⑤对方程式(3)在桩体中心线求值，并用此值去除方程(3)，得到温度分布的无因次形式：

$\frac{T\left(r\right)-T_s}{T_0-T_s}=1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，T₀为热源处温度，即位于桩体中加热光纤沿线温度，通过DTS检测即可得到，记△T(r)＝T(r)-T_s，定义为离热源距离为r点的过余温度，热源点的过余温度最大；

公式(3)可以记成如下形式：

$\mathrm{\Δ}T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)---\left(5\right)$

⑥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的测试精度是一定的；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，仪器无法识别温度变化，即可认为热传导结束，因此可以通过DTS仪器测试精度确定q；

对公式(5)进行求导，且满足下列等式：

$\frac{d\mathrm{\Δ}T\left(r\right)}{dr}{|}_{r=r_0}=-\mathrm{\δ}---\left(6\right)$

其中δ为DTS仪器精度；

对公式(6)求解可得：

q|_r＝r0＝2kπδr₀(7)

其中，导热系数k可通过DRPL-Ⅱ导热系数测试仪确定，r₀可通过步骤④中方式确定，π为圆周率取3.14。

在本实施例中，截面半径为400mm的灌注桩，取r₀＝200mm，k＝1.74W/(m.k)，T_s＝10℃，δ＝0.05，根据公式(7)计算得q＝0.109(W/m)。

Claims (1)

1.一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法，包括以下主要步骤：

①将线状光纤植入桩截面半径为R桩体内沿中心线布置，以植入光纤为内热源，热传导的影响半径为r₀，T_s为岩土介质温度，初始条件下桩体及外表面温度与岩土介质温度相等，光纤均匀容积生成热为q为单位长度的功率；

②当桩体内光纤加热处于稳态时，以光纤为中心柱坐标下热流方程式为：

$\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left(r\frac{dT}{dr}\right)+\frac{Q}{k}=0---\left(1\right)$

其中k为导热系数，T为以加热光纤为中心在临界半径r₀范围内的桩体温度；

对上述公式(1)进行积分得到桩体温度分布为：

$T\left(r\right)=-\frac{Q}{4k}{r}^2+C_1\ln r+C_2---\left(2\right)$

③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；

确定公式(2)中C₁，C₂积分常数需要如下两个边界条件：

第一类边界条件：当r＝r₀时，T(r₀)＝T_s；

第二类边界条件：当r＝r₀时，

考虑边界条件，由公式(2)得到温度分布为：

$T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)+T_s---\left(3\right)$

④在大直径的灌注桩中心线处设置线状光纤，在距离灌注桩中心线不同半径r处设测量温度的光纤，对灌注桩中心线处光纤进行加热，当离灌注桩中心线光纤距离为r处桩体温度T(r)不再下降时，该半径即为灌注桩中心线处加热光纤的热传导辐射临界半径r₀；

⑤对方程式(3)在桩体中心线求值，并用此值去除方程(3)，得到温度分布的无因次形式：

$\frac{T\left(r\right)-T_s}{T_0-T_s}=1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2---\left(4\right)$

其中，T₀为热源处温度，即位于桩体中加热光纤沿线温度，通过DTS检测即可得到，记△T(r)＝T(r)-T_s，定义为离热源距离为r点的过余温度，热源点的过余温度最大；

公式(3)可以记成如下形式：

$\mathrm{\Δ}T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)---\left(5\right)$

⑥热传导的影响范围r₀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的测试精度是一定的；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，仪器无法识别温度变化，即可认为热传导结束，因此可以通过DTS仪器测试精度确定q；

对公式(5)进行求导，且满足下列等式：

$\frac{d\mathrm{\Δ}T\left(r\right)}{dr}{|}_{r=r_0}=-\mathrm{\δ}---\left(6\right)$

其中δ为DTS仪器精度；

对公式(6)求解可得：

$q{|}_{r=r_0}=2{\mathrm{k\π\δr}}_0---\left(7\right)$

其中，导热系数k可通过DRPL-Ⅱ导热系数测试仪确定，r₀可通过步骤④中方式确定，π为圆周率取3.14。