CN107558508A - 一种基于botda分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，将光纤沿一侧主筋铺设，在桩底沿桩底箍筋向桩侧壁转弯过渡至另一侧主筋底部，并沿该侧主筋由下至上铺设；光纤与主筋之间在竖直方向上每隔1～2米用细扎丝绑扎紧，光纤两端应伸出抗滑桩外各至少50厘米；跳线熔接及接头保护：采用熔接机将测温光纤与跳线熔接在一起，并保证熔接过程光损在允许范围内；熔接完毕后采用激光笔测试；浇筑混凝土，跳线与光纳仪连接，开始混凝土凝固期水化热温度的连续监测；全分布式，可全面的反应整个混凝土结构的温度变化；便于测量，利于推广；测量精度高，反应灵敏。
Description
技术领域
本发明属于大体积混凝土施工的混凝土温度控制领域，具体涉及一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固期水化热温度监测的方法。
背景技术
混凝土结构已经在我国得到了广泛的应用，各种型式的混凝土结构如大坝、港口、高层建筑的地下室地板和大型的基础承台、大直径钻孔灌注桩、抗滑桩等都是大体积混凝土现场浇注而成。与此同时，抗滑桩的温度变化，容易引起应力和裂缝问题也越来越受到工程人士的关注。抗滑桩在浇筑后凝固过程中，由于混凝土凝结阶段水化热聚集在一起难以对外界释放，导致混凝土内部温度剧烈升高，且混凝土外侧由于容易散热，混凝土结构内外侧产生较大温差，当温差超过一定数值时，结构表面拉应力超出其极限值，从而产生温度裂缝。一般认为混凝土内外温差宜控制在25℃以内。因此，研究混凝土凝固阶段的放热效应以进行混凝土施工温度控制、避免或减少温度裂缝有很大的意义。
传统的大体积混凝土放热效应研究都是使用钢筋计或普通温度传感器进行监测，在大体积混凝土凝固过程的温度空间分布规律、温度随时间的变化趋势、温度控制效果评价等方面取得较多研究成果，但是其铺设线路、铺设方法较麻烦，且测试精度普遍较低，只能完成点式监测，使用BOTDA 分布式光纤测温技术进行混凝土水化热温度监测研究几乎没有。而BOTDA 技术具有全分布式、便于测量的特点，能够及时、精确、全面的反应大体积混凝土凝固阶段的温度变化，并应用分布式光纤的不同空间布置对大体积混凝土凝固阶段放热效应作出综合评价。
发明内容
本发明的目的是传统的大体积混凝土放热效应研究在铺设线路、铺设方法方面较麻烦，而且测试精度普遍较低，只能完成点式监测的问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，其特征在于包括如下步骤：
a、铺设分布式测温光纤：浇筑前根据抗滑桩的配筋设计制定光纤敷设计划，具体考虑光纤布置回路要覆盖全桩深、在桩身横断面上分布均匀；将光纤沿一侧主筋铺设，在桩底沿桩底箍筋向桩侧壁转弯过渡至另一侧主筋底部，并沿该侧主筋由下至上铺设，以避免混凝土浇筑过程中直接砸落对光纤的损伤。光纤与主筋之间在竖直方向上每隔1～2米用细扎丝绑扎紧，注意光纤转弯段要平滑自然，以免引起光纤折断或过大的光损，影响光纤的存活率和监测效果；光纤两端伸出抗滑桩外各至少50厘米，以方便熔接跳线；
b、跳线熔接及接头保护：采用熔接机将测温光纤与跳线熔接在一起，并保证熔接过程光损在允许范围内；熔接完毕后采用激光笔测试，如为通路则表明熔接成功；
c、浇筑混凝土，跳线与光纳仪连接，开始混凝土凝固期水化热温度的连续监测；
d、根据监测数据分析混凝土内部水化热在不同桩深度、不同桩断面位置的分布情况，并可监测凝固期内混凝土温度随时间的变化规律。
进一步的，所述步骤b中对光纤与跳线的熔接处采用套管保护，光纤接头建有保护盒或保护箱进行集中保护。
进一步的，所述测温光纤为塑封铠装单芯单模温度感测光缆。
本发明的有益效果和特点是：①全分布式，可全面的反应整个混凝土结构的温度变化；②便于测量，利于推广；③测量精度高，反应灵敏。
附图说明
图1是本发明较佳实施例基于BOTDA的分布式测温系统桩横断面布置示意图
图2是本发明较佳实施例的纵向剖面结构示意图；
图3是本发明较佳实施例光纤监测系统(包括钢筋计)在抗滑桩截面上的布置图；
图4是本发明较佳实施例光纤监测回路混凝土温度-距离(深度)曲线；
图5是本发明较佳实施例光纤监测回路混凝土温度变化值-距离(深度) 曲线；
图6是本发明较佳实施例光纤监测回路混凝土温度-距离(深度)曲线
图7是本发明较佳实施例钢筋计监测混凝土温度-距离(深度)曲线
图中标号分别表示：1-抗滑桩主筋、2-测温光纤、3-光纳仪、4-熔接接头、5-抗滑桩、6-主筋、7-光纤桩身一侧、8-光纤桩身另一侧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
如图1及图2所示，一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，包括如下步骤：
a、铺设分布式测温光纤：浇筑前根据抗滑桩的配筋设计制定光纤敷设计划，具体考虑光纤布置回路要覆盖全桩深、在桩身横断面上分布均匀；将光纤沿一侧主筋铺设，在桩底沿桩底箍筋向桩侧壁转弯过渡至另一侧主筋底部，并沿该侧主筋由下至上铺设，以避免混凝土浇筑过程中直接砸落对光纤的损伤。光纤与主筋之间在竖直方向上每隔1～2米用细扎丝绑扎紧，注意光纤转弯段要平滑自然，以免引起光纤折断或过大的光损，影响光纤的存活率和监测效果；光纤两端应伸出抗滑桩外各至少50厘米，以方便熔接跳线；
b、跳线熔接及接头保护：采用熔接机将测温光纤与跳线熔接在一起，并保证熔接过程光损在允许范围内；熔接完毕后采用激光笔测试，如为通路则表明熔接成功；熔接接头处采用套管保护，光纤接头建有保护盒(或保护箱)进行集中保护。
c、浇筑混凝土，跳线与光纳仪连接，开始混凝土凝固期水化热温度的连续监测；
d、根据监测数据分析混凝土内部水化热在不同桩深度、不同桩断面位置的分布情况，并可监测凝固期内混凝土温度随时间的变化规律。
所述的光纳仪、分布式测温光纤基于BOTDA原理。
BOTDA技术是基于受激布里渊散射的光纤传感技术，其收集的信号为受激布里渊散射所包含的温度及应变信息。分别将脉冲光(泵浦光)和连续光(探测光)从光纤两端分别注入传感光纤内，根据受激布里渊的基本原理，当探测光和泵浦光与光纤中某区域的布里渊频移相等时，就产生了受激布里渊效应，同时完成脉冲光与探测光之间能量的转移。通过对两激光器频率进行连续调节，检测从光纤一端耦合出来的连续光的光功率，以此确定光纤各小区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，这种频率差与光纤自身频率对应，光纤自身频率和区域上温度及应变信息呈良好的线性关系，见公式(1)。
光纤的轴向应变可由两部分原因引起，一是由于外界的拉压引起的，另外温度改变也会引起光纤轴向变形，根据受激布里渊的基本原理，两者同时都会导致应变发生位置处的布里渊散射光产生相应的布里渊频移，光纤应变点处布里渊频移同应变和温度的关系可用公式(1)表示：
ν(ε，T)是光纤应变为ε，温度为T时的布里渊频移；
ν(ε0，T0)是光纤应变为ε0，温度为T0时的布里渊频移；
T0、T分别是初始温度和各期测量时的温度；
ε、ΔT分别是应变、温度变化量；
为应变系数；
为温度系数。
当光纤仅受温度变化影响时，应变点处布里渊频移同温度的关系可用公式(2)表示：
ν(ε0，T)是光纤应变为ε0，温度为T时的布里渊频移；
ν(ε0，T0)是光纤应变为ε0，温度为T0时的布里渊频移；
T0、T分别是初始温度和各期测量时的温度；
ΔT分别是温度变化量；
为温度系数。
目前国内已应用的先进的基于BOTDA原理的光纳仪具有高精度、长距离和可视化等优点，空间分辨率可达到5cm，温度测量和应变精度分别达到0.35℃、7.5με，最大测量长度为25km。
分布式光纤传感器充分利用光纤既可作为传感元件又可作为传输元件的性能，在测量沿线直接使用一根光纤进行信息采取。分布式光纤传感技术测量范围大、距离长，能够实现多维、连续、实时的信息监测与传输。所述分布式测温光纤的应变仅受温度变化的影响，且其温度系数已经过出厂标定获得。
对于布置于抗滑桩内的温度测量光纤，既需要较高的强度避免其尽可能不受外界环境破坏，又要保证保护层内的光纤保持自由受力状态，即不受依附结构应力应变的影响，仅受到依附结构温度的影响。所述温度测量光纤采用苏州南智传感公司生产的松套铠装传感光缆，即塑封铠装单芯单模温度感测光缆。
在抗滑桩内布置多条分布式测温光纤回路，在抗滑桩浇筑前绑扎在结构内竖向钢筋上并经过底部关于其截面对称。
本发明提供一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩混凝土凝固期水化热温度监测的方法，该方法是由基于BOTDA分布式光纤测温技术的光纳仪、分布式测温光纤、外接光纳仪的跳线、光纤熔接及接头保护各类装置组成。分布式测温光纤在抗滑桩混凝土浇筑前绑扎在桩内竖向钢筋上并经过桩底关于桩截面对称，具体铺设光纤时，沿抗滑桩主筋受拉侧—桩底部—侧壁—抗滑桩主筋受压侧呈“U”字形敷设。光纤两侧接跳线后接光纳仪可形成回路进行测试。
目前该技术已经应用到了实际中，在巴东三中滑坡防治工程施工完项目中，该滑坡发育在早期泥石流堆积体上，属第四纪堆积层滑坡。在巴东三中滑坡防治工程施工完成前，计划在滑坡主滑方向抗滑桩上选一根典型桩沿桩内主筋铺设分布式光纤监测系统，整个系统还包括钢筋计监测措施，监测系统将用于抗滑桩混凝土凝固期的温度监测。本文中的监测仪器采用 NBX-6050分布式光纤监测系统。
监测目的：对桩体混凝土凝固期的混凝土温度进行监测，通过光纤和钢筋计的连续测温数据，认识凝固期内温度随时间的变化过程、不同深度的温度分布规律及温度变化速度和桩体不同深度的关系，综合光纤和钢筋计的温度监测结果对混凝土放热效应作出评价，并对比两种监测手段的优劣。
光纤选择(类型、强度)：本次监测温度测量光纤采用苏州南智公司的光缆产品松套铠装应变传感光缆。该种光缆既具有较高强度，在抗滑桩施工过程中不易受到破坏，又能保证保护层内的光纤保持自由受力状态，即不受依附结构应力应变的影响，仅受到依附结构温度的影响，故具有良好的测温性能。
铺设路径：为能最大限度地监测抗滑桩混凝土凝固期间的水化热分布情况，结合抗滑桩钢筋笼的分布形态，铺设光纤时采用铺设路径为：沿抗滑桩主筋受拉侧—距桩底部3m—侧壁—抗滑桩主筋受压侧，呈“U”字形敷设。
在巴东三中滑坡抗滑桩中选取C8桩共铺设了3条温度监测光纤回路。监测桩C8桩长31.5m，横断界面为2m×3.5m，抗滑桩为钢筋混凝土现浇桩。每根测量光纤桩内的长度约54米(不包括光纤弯曲段和缠绕段长度)。为研究抗滑桩混凝土浇筑后凝固阶段的温度空间分布和变化趋势，将 WB1#、WB2#、WB3#分别布置在桩体横断面的不同部位。钢筋计选择桩内靠中心的一根主筋纵向布置，沿深度方向每隔2m布置一个。
光纤监测系统(包括钢筋计)在桩体横断面布置情况见图3。
监测桩于2015年11月16日凌晨约两点浇筑完毕，测试时间自当天下午开始，进行了约一个月的连续温度监测(除了有几天湿度太高、下雨原因影响仪器正常工作)，其中钢筋计每天监测1-2次，光纤每天监测1次。由于混凝土凝固阶段前期升温快，降温过程速度随时间增加由快变慢，在后期约2周的监测频率变为钢筋计监测1-2天一次，光纤监测2-3天一次。并于2016年1月28日、2016年3月17日进行了钢筋计和光纤的各两次温度监测。
通过测温光纤监测数据绘制了混凝土凝固阶段光纤回路温度-距离(深度)曲线，曲线明显可见两处最低温位置和中部转折段，最低温位置对应的桩表面光纤入口和出口处，中部转折段为光纤铺设回路由抗滑桩受拉侧向受压侧在桩底的过渡段，并且温度曲线表现为关于桩底转折段呈对称状，与光纤铺设在空间上关于桩中性轴面相对称的布置相符合，说明混凝土凝固过程中热量从内部向外部流动，其流动速度在相同的距离内一致。见图4。
为方便分析混凝土凝固期间水化热随凝固时间的变化，以2015年11 月21日的光纤监测温度数据为基准值，后面各期数据与之相减，绘制出光纤监测回路混凝土温度变化值-距离(深度)曲线，见图5。2015年11月 18日至2015年12月16日为混凝土浇筑后凝固期间的主要降温阶段，2016 年1月28日为混凝土主要凝固期结束后第一次测试的时间。由于受空气湿度和下雨的影响，光纤监测有两期数据(2015.11.18、2015.11.30两期)未能成功采集，故缺失期数据采用钢筋计的监测数据替代。
从时间上看，2015.11.18-2015.11.30温度降低相对较快， 2015.11.30-2015.12.15温度降低相对较慢，总体来说温度下降比较缓慢。 2015.11.18-2015.12.15温度下降最大总幅度34.5℃，其中 2015.11.18-2015.11.30温度下降幅度约22℃，平均降温速率约为1.83℃/天； 2015.11.30-2015.12.15温度下降幅度约12.5℃，平均降温速率约为0.83℃/ 天，降温阶段的速率总体表现为时间上由快到慢，表明混凝土内部温度与环境的温度差在慢慢减小，使得热量传递速率变慢，并逐步趋于稳定。
从深度上看，表现为桩体一定深度内越接近桩表面，降温速度越快，主要凝固期内降温最大幅度出现在桩表面下1m深度，为34.5℃；明显可见桩底(桩底以上2m内)和桩中上部分(桩表面以下9m处)降温幅度较窄，桩底降温幅度为12.25℃，桩表面以下9m处降温幅度为14.5℃，混凝土降温幅度最大值和最小值相差约3倍。
从混凝土降温阶段单期测试曲线看，自桩表面到桩底混凝土温度与深度不是简单的线性关系，总体趋势为深度从浅到深表现为快速上升—极大值(桩顶以下3-5m)—快速下降—极小值(桩顶以下9m附近)—较快上升—极大值(桩顶以下19—21m)—较快下降。分析原因有：(1)由于降温阶段初始测试时混凝土温度在深度上即呈现不规律性，为升温阶段各深度放热进程不一致的结果；(2)桩体与周围环境直接接触面有两处，桩顶和桩底，护壁由混凝土构成，导热性能相对较差，混凝土内部的热量主要通过桩顶和桩底向桩外空气和桩底岩体释放出去，故表现为桩顶以下3-5m 内温度快速上升和桩底以上2m内温度快速下降。
混凝土主要凝固期内降温阶段单期测试混凝土内部最高温度为46℃、最大温差为14.75℃，且随着降温的时间推移，混凝土内部温差逐渐变小。测试期内混凝土内部最大温差在25℃内，表明混凝土浇筑过程中温度控制措施较好，能有效的避免温度裂缝的产生。
比较分析混凝土降温阶段钢筋计温度监测结果和分布式光纤温度监测结果，见图6、图7。光纤监测温度-深度曲线与钢筋计监测温度-深度曲线基本一致。对比发现光纤监测为全深度的温度监测，仪器采样间隔达到 10cm，而钢筋计只能用于点式监测。且光纤监测温度的精度最高达到 0.35℃，高于钢筋计的测试精度0.5℃。监测过程中钢筋计出现了不同程度的破坏，某些深度的温度数据无法获得或失效，而3条光纤回路全部成活，且每期温度数据没有缺损段。
综上说明相对于传统的监测手段，BOTDA技术具有全分布式、便于测量的特点，且采用合适的测温光纤和铺设系统，光纤不易破坏、成活率高，能够及时、精确、全面的反应大体积混凝土凝固阶段的温度变化，并应用分布式光纤的不同空间布置对大体积混凝土凝固阶段放热效应作出综合评价。
本方法为总结大体积混凝土凝固期放热规律，检验大体积混凝土的浇筑质量是否合格，及时确认大体积混凝土有无温度裂缝出现的可能并采取措施控制大体积混凝土水化热、提前消除温度裂缝有重要的作用和价值。本方法具有全分布式、便于测量的特点；能够及时、精确、全面的反应整个混凝土结构的温度变化；并应用分布式光纤的不同空间布置对混凝土凝固阶段放热效应作出综合评价。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，该测温方法中的测温技术基于BOTDA原理，其特征在于包括如下步骤：
a、铺设分布式测温光纤：浇筑前根据抗滑桩的配筋设计制定光纤敷设计划，具体考虑光纤布置回路要覆盖全桩深、在桩身横断面上分布均匀；将光纤沿一侧主筋铺设，在桩底沿桩底箍筋向桩侧壁转弯过渡至另一侧主筋底部，并沿该侧主筋由下至上铺设；光纤与主筋之间在竖直方向上每隔1～2米用细扎丝绑扎紧，光纤两端伸出抗滑桩外各至少50厘米，以方便熔接跳线；
b、跳线熔接及接头保护：采用熔接机将测温光纤与跳线熔接在一起，并保证熔接过程光损在允许范围内；熔接完毕后采用激光笔测试，如为通路则表明熔接成功；
c、浇筑混凝土，跳线与光纳仪连接，开始混凝土凝固期水化热温度的连续监测；
d、根据监测数据分析混凝土内部水化热在不同桩深度、不同桩断面位置的分布情况，并可监测凝固期内混凝土温度随时间的变化规律。
2.根据权利要求1所述的一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，其特征在于：所述步骤b中对光纤与跳线的熔接处采用套管保护，光纤接头建有保护盒或保护箱进行集中保护。
3.根据权利要求1所述的一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，其特征在于：所述测温光纤为塑封铠装单芯单模温度感测光缆。
4.根据权利要求1所述的一种基于BOTDA分布式光纤测温技术进行抗滑桩凝固阶段水化热温度监测的方法，其特征在于：BOTDA分布式光纤测温技术中光纤应变点处布里渊频移同应变和温度的关系可用公式(1)表示：
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ν(ε，T)是光纤应变为ε，温度为T时的布里渊频移；
ν(ε0，T0)是光纤应变为ε0，温度为T0时的布里渊频移；
T0、T分别是初始温度和各期测量时的温度；
ε、ΔT分别是应变、温度变化量；
为应变系数；
为温度系数。
当光纤仅受温度变化影响时，应变点处布里渊频移同温度的关系可用公式(2)表示：
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ν(ε0，T)是光纤应变为ε0，温度为T时的布里渊频移；
ν(ε0，T0)是光纤应变为ε0，温度为T0时的布里渊频移；
T0、T分别是初始温度和各期测量时的温度；
ΔT分别是温度变化量；
为温度系数。
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