CN106679580A - 基于obr技术的预制桩桩身应力应变监测系统及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统及使用方法，主要包括竖向荷载施加模块、光纤布设模块和数据采集处理模块这三个模块，竖向荷载施加模块采用反力架和千斤顶施加反力，光纤布设模块采用PE光纤和特制粘结剂，光纤在桩身上采用U形布设以实现光纤温度的自补偿，数据采集处理模块采用OBR数据仪进行初始数据的采集，并运用预制桩桩身应力应变处理系统对采集到的数据进一步处理，最终得到预制桩桩身的应力应变曲线。该监测系统使用目前业界最先进的OBR光频域技术，使监测达到背向散射级别的灵敏度和毫米级别的空间分辨率，同时采用预制桩桩身应力应变处理系统实现监测数据的自动化处理，整个监测系统具有高精度、智能化的特点，并且施工方法简单，人力成本低廉，可实现无损检测和实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种基础结构的变形监测装置及方法，具体涉及一种基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统及使用方法。
背景技术
预制桩由于成桩质量好、施工效率高、单位面积承载力大等优点在工程中得到广泛应用，研究预制桩在竖向荷载作用下的桩身应力应变关系对于确定预制桩的承载力，推广预制桩的使用具有重要作用。在目前的科研试验和工程建设中，预制桩桩身应变的监测主要采用传统的电式应变片，应变片安装和布设操作繁琐，测点存活率低，且监测数据不连续。在应变片过多的情况下，必须沿桩身导出多条应变片数据线，监测效率低，难以较好地满足科研和工程的需要。在现有的基于光纤技术的桩身应变监测方法中，主要有FBG技术、BOTDR技术和BOFDA技术，FBG传感器制作工艺复杂，价格昂贵，并且没有逃脱传统点式传感器的局限，BOTDR和BOFDA都是分布式监测技术，但是空间分辨率和监测精度不高，不能满足一些科研实验和工程建设的监测需要。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统及使用方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的基于OBR技术的预制桩桩身应变监测装置主要包括竖向加载模块、光纤布设模块和数据采集处理模块，其中，竖向加载模块包括反力架、千斤顶、垫板和围桩，光纤布设模块包括待测预制桩、光纤和粘结剂，数据采集处理模块包括光纤信号数据采集仪和预制桩桩身应力应变处理系统。
作为优选，所述光纤布设模块中，光纤在桩身表面呈U字型布设，在光纤U字弯折处和伸出桩身的部分用铠装护套进行保护。
作为优选，所述光纤布设模块中，所述粘结剂由环氧树脂和玻璃钢胶按体积比4:3配置。
作为优选，所述数据采集处理模块中，光纤信号采集仪采用OBR光频域数据采集仪。
作为优选，所述数据采集处理模块中，预制桩桩身应力应变处理系统对光纤数据进行取舍，并在小范围的波动数据中提取均值，最终呈现监测桩桩身应力应变曲线。
本发明同时提供上述监测系统的使用方法，包括以下步骤：
步骤1，对预制桩桩身表面进行打磨，清理和刻槽；
步骤2，根据桩长截取相应的光纤长度，在光纤U字弯折处和伸出桩身的部分用铠装护套进行保护；
步骤3，将光纤在桩身表面呈U字型布设，用快干胶或胶带进行光纤初步固定；
步骤4，利用环氧树脂和玻璃钢胶按体积比4:3配置专用粘结剂，充分搅拌后在光纤表面进行涂抹；
步骤5，待桩体表面的粘结剂完全凝固后，对涂胶部位进行再次打磨，打磨平滑后进行沉桩，沉桩时避免桩头光纤受损；
步骤6，焊接反力架，设置好千斤顶和垫板；
步骤7，将光纤接头接入OBR数据采集仪，设置好相应参数，检查系统联通性并进行初始值的采集，核实数据有效性后进行设计荷载的施加和数据采集；
步骤8，将数据采集后的数据导入预制桩桩身应力应变处理系统，系统对数据进行取舍、均值等一系列处理后作出预制桩桩身应力应变曲线。
有益效果：本发明将OBR（Optical Backscatter Reflectometer）光纤数据采集技术应用到预制桩桩身应力应变的监测中，并设计了相应的使用方法，具有以下显著的进步：
1.将光纤技术应用于桩身应变监测，相较于传统监测手段，光纤监测具有测点存活率高、采集数据全面、可实时监测等优势；
2.采用OBR技术对光纤信号进行数据采集，相较于其它光纤数据采集技术，OBR技术能在500m的监测范围内达到-125dB的高灵敏度和1.5mm的高分辨率，实现桩身应变的零死区监测；
3.OBR 4200数据采集仪小巧、结实、便携，能够实现在工程现场的快速移动和监测；
4.环氧树脂和玻璃钢胶配置的粘结剂提高了光纤传感器的存活率、防水性、耐久性和耐腐蚀性，使其能够适应工程一线的各种恶劣环境；
5.采用预制桩桩身应力应变处理系统，实现监测数据的自动化处理；
6.随着相应技术的发展，OBR光纤数据采集仪的研发和制造费用也将越来越低，相应的工程监测成本也会降低，故该项技术能够得到全面推广与应用。
除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统及使用方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构示意图；
图2为荷载施加模块的俯视图；
图3a为单节桩桩身光纤布设示意图；
图3b为单节桩横截面光纤布设示意图；
图4a为多根桩桩身光纤布设示意图；
图4b为多根桩横截面光纤布设示意图；
图5为OBR数据采集仪的工作模块分解图；
图6为预制桩桩身应力应变处理系统的界面示意图。
具体实施方式
实施例：
本实施例的整体结构示意图如图1 所示，整个监测系统共分为3大模块，加载施加模块，光纤布设模块，采集处理模块。1为工字型刚梁，2为连接钢板与围桩的钢筋，连接方式采用焊接，3为千斤顶。4为刚性垫板，大小与桩径相当。5为光纤，采用PE光纤，6为试验桩，7为光纤跳线，用来连接待测光纤与OBR数据采集仪，与待测光纤之间采用光纤熔接机熔接。8为OBR数据采集仪，包括光纤数据采集系统和光纤信号数据采集系统,9为预制桩桩身应力应变处理系统。
图2为荷载施加模块的俯视图。单节桩光纤布设如图3a、3b所示，图3a为桩身布置示意图，图3b为横截面布置示意图，5-1为桩头预留的光纤，5-3为桩底U字型光纤，这两部分都用保护套进行保护，5-2为布设在桩身表面的光纤，用特制粘结剂与桩身固定。图4a为多根桩桩身光纤布设示意图，图4b为多根桩横截面光纤布设示意图。从上往下第一节桩的光纤布设与单节桩相同，第二节桩桩身部分的布置与单节桩相同，超出桩身的部分用保护套进行保护后顺着桩身伸出地面，这部分无需与桩身粘结。图5为OBR数据采集仪的工作模块分解图，数据采集模块的作用是光纤原始数据的采集，信号数据采集模块是将光纤信号转换为数字信号，便于后期处理，图形呈现模块是将数字信号以图形的方式展现出来，从图中能看出桩身相应位置的应变值及其变化趋势，但是由于OBR的空间分辨率很高，数据较为密集，曲线波动大，不能直接使用，因而要通过数据输出模块将数据采集后的数据导入预制桩桩身应力应变处理系统进行进一步处理。图6为预制桩桩身应力应变处理系统的界面示意图，数据导入前输入桩身的弹性模量，以便通过应变得到相应的应力值，数据导入后系统对数据进行筛选和处理，在桩身长度处输入长度值，就可得到相应位置处的应力应变曲线，也可将所有数据导出系统进行人为选用。
使用时，运用OBR光频域技术对光纤数据进行采集，包括以下步骤：
1）对预制桩桩身表面进行打磨和清理；
2）根据桩长截取相应的光纤长度，在光纤U字弯折处和伸出桩身的部分用铠装护套进行保护；
3）光纤在桩身表面呈U字型布设，用快干胶或胶带进行光纤初步固定；
4）利用环氧树脂和玻璃钢胶按体积比4:3配置专用粘结剂，充分搅拌后在光纤表面进行涂抹；
5）待桩体表面的粘结剂完全凝固后，对涂胶部位进行再次打磨，打磨平滑后进行沉桩，沉桩时避免桩头光纤受损；
6）焊接反力架，设置好千斤顶和垫板；
7）将光纤接头接入OBR数据采集仪，设置好相应参数，检查系统联通性并进行初始值的采集，核实数据有效性后进行设计荷载的施加和数据采集；
8）将数据采集后的数据导入预制桩桩身应力应变处理系统，系统对数据进行取舍、均值等一系列处理后作出预制桩桩身应力应变曲线。
考虑到OBR技术高精度测量，最长距离为70米，建议桩长为30米，进行U形布设，桩长超过30米，建议单端布设，满足实际工程需要。
本发明将OBR技术应用于预制桩桩身应力应变监测中，当在桩头上施加竖向荷载时，通过光纤不同位置处的光信号波长会发生变化，当温度保持不变时，波长与应变有非常好的线性关系，在OBR数据采集仪上即可显示记录的应变和波长数据。光纤在桩体上采用U形布设，由于光纤监测不需要构成回路，所以U形线的两端都可以作为接入点，当一端的接头出现损坏时，可以从另一端监测到整个U形光纤上的应变数据。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统，主要包括竖向加载模块、光纤布设模块和数据采集处理模块，其特征在于：所述竖向加载模块包括反力架、千斤顶、垫板和围桩，所述光纤布设模块包括待测预制桩、光纤和粘结剂，所述数据采集处理模块包括光纤信号数据采集仪和预制桩桩身应力应变处理系统，所述光纤信号采集仪采用OBR光频域数据采集仪。
2.根据权利要求1所述基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统，其特征在于：所述光纤布设模块中，光纤在桩身表面呈U字型布设，在光纤U字弯折处和伸出桩身的部分用铠装护套进行保护。
3.根据权利要求1所述基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统，其特征在于：所述光纤布设模块中，所述粘结剂由环氧树脂和玻璃钢胶按体积比4:3配置。
4.根据权利要求1所述基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统，其特征在于：所述数据采集处理模块中，预制桩桩身应力应变处理系统对光纤数据进行取舍，并在小范围的波动数据中提取均值，最终呈现监测桩桩身应力应变曲线。
5.根据权利要求1所述基于OBR技术的预制桩桩身应力应变监测系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，对预制桩桩身表面进行打磨，清理和刻槽；
步骤2，根据桩长截取相应的光纤长度，在光纤U字弯折处和伸出桩身的部分用铠装护套进行保护；
步骤3，将光纤在桩身表面呈U字型布设，用快干胶或胶带进行光纤初步固定；
步骤4，利用环氧树脂和玻璃钢胶按体积比4:3配置专用粘结剂，充分搅拌后在光纤表面进行涂抹；
步骤5，待桩体表面的粘结剂完全凝固后，对涂胶部位进行再次打磨，打磨平滑后进行沉桩，沉桩时避免桩头光纤受损；
步骤6，焊接反力架，设置好千斤顶和垫板；
步骤7，将光纤接头接入OBR数据采集仪，设置好相应参数，检查系统联通性并进行初始值的采集，核实数据有效性后进行设计荷载的施加和数据采集；
步骤8，将数据采集后的数据导入预制桩桩身应力应变处理系统，系统对数据进行取舍、均值等一系列处理后作出预制桩桩身应力应变曲线。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170517 |
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