CN111794294A - 基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，所述灌注桩顶部安装有荷载模块，所述灌注桩嵌入式安装在地面的深坑内；所所述桩体内嵌入式预埋有轴向光纤和补偿光纤，所述轴向光纤和补偿光纤通过光纤引出线连接至数据收集模块；所述千斤顶安装在桩体顶部，所述荷载控制仪与千斤顶电连接，所述千斤顶顶部设置有主梁，所述主梁上分别安装有次梁和承重板，所述重物放置在承重板上，所述主梁两侧还设置有复数个支墩。本申请的系统能识别岩溶区桩基附近溶洞存在的位置，为溶洞注浆提供了精准的定位；本申请的方法还能识别岩溶区桩基附近溶洞的形状大小，进而能确定了溶洞处理过程中的注浆量。

Description

基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统及方法

技术领域

本发明涉及基建领域，具体涉及一种基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统及方法。

背景技术

现有岩溶在我国分布十分广泛，是常见的工程地质灾害之一。随着岩溶发育地区的工程建设项目越来越多，岩溶地区兴建起大量高层建筑、桥梁等结构。钻(冲)孔灌注桩因具有很强的场地适应性和高承载力在岩溶地区得到广泛的应用。然而，在未探明岩溶区桩身溶洞发育的情况下进行钻(冲)孔灌注桩施工，极易发生溶洞漏浆，若处理不当，将引起坍孔、地面沉降、埋钻、周围建筑开裂等严重事故。另外，岩溶区的溶洞和其他地质异常体，不仅在工程建设中影响着工程地基的稳定，在工程完工后的使用中也影响着建筑物的使用安全性。当桩基下存在溶洞或溶洞处理不完全时，由于溶洞岩面起伏,其上覆土层压缩性不均,导致桩基不均匀沉降，严重者导致桩基失效。同时,岩溶水的动态变化会对溶洞岩体以及桩身发生侵蚀，影响桩基使用效果。为消除钻(冲)孔灌注桩施工完成后溶洞产生的隐患，需要对溶洞进行探测，明确注浆的位置，消除溶洞岩溶留下的隐患，确保地基的安全性。目前，在桩基施工完成后对桩基附近溶洞的研究极少。

目前，岩溶溶洞探测一般在施工前进行勘探，常用的溶洞探测方法有瑞利波法、地震法、地震CT法、高密度电法、瞬变电磁场法、地质雷达和无线电波透视法等。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种结构简单易于安装、并能精准定位溶洞位置和大小的基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统及方法。

为实现该技术目的，本发明的方案是：基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，包括灌注桩、荷载模块，所述灌注桩顶部安装有荷载模块，所述灌注桩嵌入式安装在地面的深坑内；

所述灌注桩内设置有桩体、轴向光纤、补偿光纤，所述桩体内嵌入式预埋有轴向光纤和补偿光纤，所述轴向光纤和补偿光纤通过光纤引出线连接至数据收集模块；

所述荷载模块包括千斤顶、荷载控制仪、重物，所述千斤顶安装在桩体顶部，所述荷载控制仪与千斤顶电连接，所述千斤顶顶部设置有主梁，所述主梁上分别安装有次梁和承重板，所述重物放置在承重板上，所述主梁两侧还设置有复数个支墩。

作为优选，所述轴向光纤与桩体的轴向平行，所述补偿光纤外侧还套有保护套管；

所述轴向光纤之间还设置有复数个环形径向光纤，环形径向光纤与桩体轴向垂直，轴向光纤将复数个平行设置的环形径向光纤连接在一起。

作为优选，所述桩体内设置有复数根垂直方向的主筋和水平方向的箍筋，所述箍筋环绕在主筋外侧；

所述补偿光纤位于两主筋之间，所述环形径向光纤紧贴箍筋上设置，轴向光纤紧贴在主筋方向。

一种灌注桩静载试验溶洞识别方法，根据基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，具体步骤如下：

第一步，布设，在灌注桩上布设支墩、主梁、次梁和承重板，布置完成后，在承重板上面堆载重物，同时将荷载控制仪点连接至液压型的千斤顶；

第二步，数据采集，加载分9级，第一级加载到2000kN，每级以2000kN压力递增，终止荷载为1800kN；待一级加载稳定后，即每小时的沉降不超过0.1mm，并连续出现两次时，通过数据收集模块记录补偿光纤、轴向光纤和环形径向光纤的里渊频移量，可获补偿光纤的温度应变值ε_T，轴向光纤或环形径向光纤总应变值ε_c，进而获得结构应变值ε_i，每次采集10组以上，测试完后继续加下一级荷载；

第三步，溶洞判定，溶洞的判别公式如下：为轴向和径向应变变化率小于阈值，即

式中，ε_i+1和ε_i为轴向或径向的第i+1和第i个采样点的应变值；ΔL为分布式光纤采集间距，光纤测量的采样间距为0.25m；b为轴向或径向阈值，阈值的取值范围一般不大于0.05，本次轴向阈值取0.05，径向阈值取0.015；

若轴向和径向应变变化率都分别小于轴向和径向阈值，则判断第i个光纤采样点桩体周边存在溶洞；当轴向应变变化率都分别小于轴向阈值时，确定第i个光纤轴向光纤采样点距离地表距离就可以判断出溶洞的距离地表的深度，根据溶洞的距离地表的深度确定在该深度的环形径向光纤，确定第i个光纤径向采样点在箍筋的位置就可以判断出溶洞在灌注桩水平的位置；否则，桩体周边不存在溶洞；

第四步，溶洞大小判定，若灌注桩周边存在溶洞，溶洞的高度H可由下式求出：

H＝ΔL(N-M) (4)

式(2)中，N为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最大的第i个采样点。

式(3)中，M为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最小的第i个采样点。

式(4)中，ΔL为光纤的采样间距，H为溶洞的竖向高度。

同理，溶洞水平宽度B可下式求出：

B＝ΔL(N-M) (5)

式(5)中，B为溶洞的水平宽度；ΔL为光纤的采样间距；N为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最大的第i个采样点；M为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最小的第i个采样点。

最终确定灌注桩周边的溶洞高度H和宽度B。

作为优选，第二步中，当出现下列情况之一时，即可终止加载：

沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；

承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6％；

当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。

本发明的有益效果，本申请的系统能识别岩溶区桩基附近溶洞存在的位置，为溶洞注浆提供了精准的定位；本申请的方法还能识别岩溶区桩基附近溶洞的形状大小，进而能确定了溶洞处理过程中的注浆量；本申请系统采用的光纤均为分布式光纤传感器，具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性；同时光纤本身轻细纤柔、体积较小、重量较轻，便于布设安装。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明灌注桩的横截面；

图3为本发明灌注桩的剖视图；

图4为本发明灌注桩的结构示意图；。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1-4所示，本发明所述的具体实施例为基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，包括灌注桩2、荷载模块1，所述灌注桩2顶部安装有荷载模块1，所述灌注桩2嵌入式安装在地面的深坑内；

所述灌注桩2内设置有桩体201、轴向光纤202、补偿光纤203，所述桩体201内嵌入式预埋有轴向光纤202和补偿光纤203，所述轴向光纤202和补偿光纤203通过光纤引出线4连接至数据收集模块3；

所述荷载模块1包括千斤顶5、荷载控制仪6、重物7，所述千斤顶5安装在桩体201顶部，所述荷载控制仪6与千斤顶5电连接，所述千斤顶5顶部设置有主梁8，所述主梁8上分别安装有次梁9和承重板10，所述重物7放置在承重板10上，所述主梁8两侧还设置有复数个支墩11。

所述轴向光纤202与桩体201的轴向平行，所述补偿光纤203外侧还套有保护套管204；

所述轴向光纤202之间还设置有复数个环形径向光纤205，环形径向光纤205与桩体201轴向垂直，轴向光纤202将复数个平行设置的环形径向光纤205连接在一起。轴向光纤、环形径向光纤和补偿光纤均为分布式光纤传感器。

所述桩体201内设置有复数根垂直方向的主筋206和水平方向的箍筋207，所述箍筋207环绕在主筋206外侧；

所述补偿光纤203位于两主筋206之间，所述环形径向光纤205紧贴箍筋207上设置，轴向光纤202紧贴在主筋206方向。

一种灌注桩静载试验溶洞识别方法，根据基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，具体步骤如下：

第一步，布设，在灌注桩上布设支墩、主梁、次梁和承重板，布置完成后，在承重板上面堆载重物，同时将荷载控制仪点连接至液压型的千斤顶；

第二步，数据采集，加载分9级，第一级加载到2000kN，每级以2000kN压力递增，终止荷载为1800kN；待一级加载稳定后，即每小时的沉降不超过0.1mm，并连续出现两次时，通过数据收集模块记录补偿光纤、轴向光纤和环形径向光纤的里渊频移量，可获补偿光纤的温度应变值ε_T，轴向光纤或环形径向光纤总应变值ε_c，进而获得结构应变值ε_i，每次采集10组以上，测试完后继续加下一级荷载；

当出现下列情况之一时，即可终止加载：

沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；

承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6％；

当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。

然后，把布里渊频移存储系统存储的数据输入到数据处理系统，根据光纤的铺设位置区分出轴向光纤和环绕光纤测量的布里渊频移量，根据以下公式求出光纤应变来量：

ε_c＝v_B(ε，T)/K

式中，式中ε_c为灌注桩的总应变值；v_B(ε，T)为布里渊频移量；K是布里渊频移的影响系数。

本专利通过铺设专用的温度补偿光纤来进行温度补偿。灌注桩的总应变值ε_c包含了温度应变和结构应变，则ε_c由两个部分组成：

ε_c＝ε_s+ε_T

式中ε_c是总应变值；ε_s是结构应变值；ε_T是温度应变值。同时，在灌注桩的桩体的套管里面铺设一根不受力的光纤，用于测量温度应变值。此时，分布式光纤解调仪测出的应变值仅为由温度产生的应变值，即ε_c′＝ε_T′。假设在同一根桩上相同温度场由温度产生的应变相等，即ε_T＝εT_′，因此，将粘贴在灌注桩上面光纤总应变值减去不受力光纤总应变值可得消除温度影响的灌注桩应变值：

ε_c-ε′_c＝ε_s+ε_T-ε′_T＝ε_s

通过式(3)得到剔除温度影响的轴向光纤测量的轴向应变值和环绕光纤测量的径向应变值，运用小波变换和滑动平均法对分别对轴向应变值和径向应变值进行消噪和平滑处理，通过轴向应变输出系统和径向应变输出系统输出轴向应变值和径向应变值对应的ε_i，将ε_i输入下面的溶洞判断机制，判断溶洞是否存在。

第三步，溶洞判定，溶洞的判别公式如下：为轴向和径向应变变化率小于阈值，即

式中，ε_i+1和ε_i为轴向或径向的第i+1和第i个采样点的应变值；ΔL为分布式光纤采集间距，光纤测量的采样间距为0.25m；b为轴向或径向阈值，阈值的取值范围一般不大于0.05，本次轴向阈值取0.05，径向阈值取0.015；

若轴向和径向应变变化率都分别小于轴向和径向阈值，则判断第i个光纤采样点桩体周边存在溶洞；当轴向应变变化率都分别小于轴向阈值时，确定第i个光纤轴向光纤采样点距离地表距离就可以判断出溶洞的距离地表的深度，根据溶洞的距离地表的深度确定在该深度的环形径向光纤，确定第i个光纤径向采样点在箍筋的位置就可以判断出溶洞在灌注桩水平的位置；否则，桩体周边不存在溶洞；

第四步，溶洞大小判定，若灌注桩周边存在溶洞，溶洞的高度H可由下式求出：

H＝ΔL(N-M) (4)

式(2)中，N为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最大的第i个采样点。

式(3)中，M为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最小的第i个采样点。

式(4)中，ΔL为光纤的采样间距，H为溶洞的竖向高度。

同理，溶洞水平宽度B可下式求出：

B＝ΔL(N-M) (5)

式(5)中，B为溶洞的水平宽度；ΔL为光纤的采样间距；N为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最大的第i个采样点；M为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最小的第i个采样点。

最终确定灌注桩周边的溶洞高度H和宽度B。

本申请采用轴向和径向环状铺设的光纤，不仅能测量灌注桩桩身的轴向变形，还能测量出桩身的径向变形，此外，还铺设温度补偿光纤，实现了光纤的温度补偿，本方法能够提高桩身应变测量的精准度；

本申请的系统和方法能识别岩溶区桩基附近溶洞存在的位置，为溶洞注浆提供了精准的定位，有效消除桩基存在的安全隐患；

本申请的方法还能识别岩溶区桩基附近溶洞的形状大小，进而能确定了溶洞处理过程中的注浆量，防止桩基产生不均匀沉降和岩溶水对桩身发生侵蚀，提高了桩基基础的安全性；

本申请系统采用的光纤均为分布式光纤传感器，具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、耐高温、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性；同时光纤本身轻细纤柔、体积较小、重量较轻，便于布设安装。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，其特征在于：包括灌注桩、荷载模块，所述灌注桩顶部安装有荷载模块，所述灌注桩嵌入式安装在地面的深坑内；

所述灌注桩内设置有桩体、轴向光纤、补偿光纤，所述桩体内嵌入式预埋有轴向光纤和补偿光纤，所述轴向光纤和补偿光纤通过光纤引出线连接至数据收集模块；

所述荷载模块包括千斤顶、荷载控制仪、重物，所述千斤顶安装在桩体顶部，所述荷载控制仪与千斤顶电连接，所述千斤顶顶部设置有主梁，所述主梁上分别安装有次梁和承重板，所述重物放置在承重板上，所述主梁两侧还设置有复数个支墩。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，其特征在于：所述轴向光纤与桩体的轴向平行，所述补偿光纤外侧还套有保护套管；

所述轴向光纤之间还设置有复数个环形径向光纤，环形径向光纤与桩体轴向垂直，轴向光纤将复数个平行设置的环形径向光纤连接在一起。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，其特征在于：所述桩体内设置有复数根垂直方向的主筋和水平方向的箍筋，所述箍筋环绕在主筋外侧；

所述补偿光纤位于两主筋之间，所述环形径向光纤紧贴箍筋上设置，轴向光纤紧贴在主筋方向。

4.一种灌注桩静载试验溶洞识别方法，其特征在于：根据权利要求1-3所述的基于分布式光纤的灌注桩静载试验溶洞识别系统，具体步骤如下：

第一步，布设，在灌注桩上布设支墩、主梁、次梁和承重板，布置完成后，在承重板上面堆载重物，同时将荷载控制仪点连接至液压型的千斤顶；

第二步，数据采集，加载分9级，第一级加载到2000kN，每级以2000kN压力递增，终止荷载为1800kN；待一级加载稳定后，即每小时的沉降不超过0.1mm，并连续出现两次时，通过数据收集模块记录补偿光纤、轴向光纤和环形径向光纤的里渊频移量，可获补偿光纤的温度应变值ε_T，轴向光纤或环形径向光纤总应变值ε_c，进而获得结构应变值ε_i，每次采集10组以上，测试完后继续加下一级荷载；

第三步，溶洞判定，溶洞的判别公式如下：为轴向和径向应变变化率小于阈值，即

式中，ε_i+1和ε_i为轴向或径向的第i+1和第i个采样点的应变值；ΔL为分布式光纤采集间距，光纤测量的采样间距为0.25m；b为轴向或径向阈值，阈值的取值范围一般不大于0.05，本次轴向阈值取0.05，径向阈值取0.015；

若轴向和径向应变变化率都分别小于轴向和径向阈值，则判断第i个光纤采样点桩体周边存在溶洞；当轴向应变变化率都分别小于轴向阈值时，确定第i个光纤轴向光纤采样点距离地表距离就可以判断出溶洞的距离地表的深度，根据溶洞的距离地表的深度确定在该深度的环形径向光纤，确定第i个光纤径向采样点在箍筋的位置就可以判断出溶洞在灌注桩水平的位置；否则，桩体周边不存在溶洞；

第四步，溶洞大小判定，若灌注桩周边存在溶洞，溶洞的高度H可由下式求出：

H＝ΔL(N-M) (4)

式(2)中，N为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最大的第i个采样点。

式(3)中，M为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最小的第i个采样点。

式(4)中，ΔL为光纤的采样间距，H为溶洞的竖向高度。

同理，溶洞水平宽度B可下式求出：

B＝ΔL(N-M) (5)

式(5)中，B为溶洞的水平宽度；ΔL为光纤的采样间距；N为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最大的第i个采样点；M为满足轴向应变变化率小于轴向阈值b的最小的第i个采样点。

最终确定灌注桩周边的溶洞高度H和宽度B。

5.根据权利要求4所述的灌注桩静载试验溶洞识别方法，其特征在于：第二步中，当出现下列情况之一时，即可终止加载：

沉降急剧增大，土被挤出或承压板周围出现明显的隆起；

承压板的累计沉降量已大于其宽度或直径的6％；

当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍。

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