CN112854321A - 基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法及装置，将应变感测光纤定点粘贴在钢筋笼的主筋上，钢筋笼下放后浇灌混凝土使应变感测光纤与桩身耦合；应变感测光纤通过熔接的方式与光纤引线连接，之后将光纤引线与分布式声波传感解调仪相连；根据场地条件及测试桩的参数，在桩头位置采用振动模块定时多次产生脉冲振动；分布式声波传感解调仪采集每次激振后桩身内应变感测光纤的应变数据；将所有采集到的应变数据传输至光纤数据处理模块，经光纤数据处理模块得到桩身内应力波的速度信号；结果分析模块根据桩身内应力波的速度信号得到桩基的缺陷程度及位置，并以图表等形式显示在桩基完整性评价模块中。

Description

基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及 方法

技术领域

本发明公开了一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法，涉及钻孔灌注桩桩身质量检测的技术领域。

背景技术

钻孔灌注桩在我国高层建筑、重型厂房、桥梁等工程中得到普遍应用，将上部结构的荷载，通过较软弱的土层或水传递到深部较坚硬、压缩性较小的土层或岩层中。一般打桩需要先用机械钻孔等手段在地基土中形成桩孔，并在其内放置钢筋笼。之后再灌注混凝土形成灌注桩。由于在钢筋笼下放和混凝土浇灌过程中会出现塌孔，缩颈和沉渣过厚等问题，会对钻孔灌注桩的成桩质量产生影响。因此，钻孔灌注桩桩身浇灌质量检测对后期建筑安全使用具有十分重要的意义。

目前针对灌注混凝土之后桩身完整性无损检测方法主要有高、低应变动测和声波透射法。

高、低应变动测的基本原理是：基于一维杆件的波动理论。将桩体简化并假设为一维弹性杆件模型，用波阻抗来描述桩身截面变化，当桩头受瞬态力激振后，引起桩头质点振动，并以应力波的形式向桩底传播。当波在均匀介质中传播时，波的传播速度、幅度和类型均保持不变；但当波在不均匀介质(波阻抗发生变化)中传播时，它将产生反射、透射或散射现象，波的强度将发生突变,导致扰动能量重新分配，一部分能量穿过界面向前传播为透射波，而另外一部分能量反射回原介质。在实际工程中透射波不易测得，但反射波可在其传至桩顶时由安装在桩顶的传感器(加速度计或速度计)测得。传感器接收不同波阻抗的变化情况，判断桩身缺陷性质，确定缺陷位置，计算桩长，并由实测波速定性评价桩身混凝土强度对桩的质量进行评价。声波透射法的基本原理是在预埋声测管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对桩身完整性进行检测的方法。

上述方法均能够进行钻孔灌注桩桩身完整性质量的检测，也存在各自的局限性。高、低应变法容易受到周围环境的影响，对小缺陷的灵敏度不高；声波透射法则需要在桩身内预埋若干根平行于桩纵轴的声测管，一定程度上破坏了桩基的完整性，当为三根声测管时，桩基的中心区域为检测盲区；并且以上方法均无法对桩基在使用过程中进行长期的监测。

分布式声波传感技术是一种利用光纤后向瑞利散射干涉效应实现声波信号连续分布式探测的新型传感技术，简称DAS。该技术具有灵敏度高、防腐蚀、分布式、抗电磁干扰等优点，可以实现桩身全长的桩基质量检测，并且不需要布设大量的感测元件，仅需要一条应变感测光纤，不仅减少了对桩身的破坏，而且降低了检测的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法，基于应力波响应原理，预埋光纤传感器，采用高精度和高灵敏度的分布式声波传感技术对灌注后的桩身进行应力波波速检测，通过分析应力波波速变化的幅值、相位和波幅衰减来确定桩身缺陷的大小和位置等信息，最终对桩基的完整性做出评价。该发明提高了桩基质量检测的精度，并保证了桩身的完整性，传感光纤保护措施到位，可以用于长期的桩身完整性的质量检测。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置，所述测量装置包括：应变感测光纤、振动模块、分布式声波传感解调仪、光纤数据处理模块、结果分析模块和桩基完整性评价模块；应变感测光纤植入钻孔灌注桩中，应变感测光纤与分布式声波传感解调仪连接；振动模块设置在钻孔灌注桩桩头上，振动模块由激振器和振动控制器组成，激振器固定于桩头上，通过振动控制器设置激振器的参数；分布式声波传感解调仪将数据采集后传输至光纤数据处理模块；光纤数据处理模块与结果分析模块连接；结果分析模块与桩基完整性评价模块连接。

所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，包括以下步骤：

步骤一、应变感测光纤分别固定在钻孔灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋外侧面，在钻孔灌注桩桩头的位置预留一定长度的应变感测光纤引出，钢筋笼下放后，浇灌混凝土并养护；

步骤二、应变感测光纤通过光纤跳线连接至分布式声波传感解调仪；

步骤三、将激振器固定在桩头中心平整位置处，通过振动控制器设置激振器，使激振器间隔固定时间产生多次特定波形的脉冲振动；

步骤四、分布式声波传感解调仪采集激振器每次激发脉冲振动后的桩身内应变感测光纤的应变数据；

步骤五、将分布式声波传感解调仪采集到的应变数据传输至光纤数据处理模块，光纤数据处理模块进行去噪、转化处理得到桩身应力波的速度信号；

步骤六、结果分析模块依据桩身应力波的速度信号判断得到桩身缺陷大小及位置信息；

步骤七、桩基完整性评价模块依据结果分析模块得到的缺陷信息对钻孔灌注桩的桩身完整性做出评价。

所述步骤一中，应变感测光纤采用定点粘结的方式固定在钻孔灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋上，铺设形状呈U字形，在桩头位置预留一定长度并进行保护，后期随钢筋笼下放入钻孔内，浇灌混凝土将传感光纤植入桩体内。

所述步骤一中，钢筋笼下放后，需要准确定位应变感测光纤在桩身内的位置。

所述步骤三中，固定时，激振器的下底面与桩头平面贴合。

所述步骤三中，根据场地条件、测试桩的参数以及分布式声波传感解调仪的采集频率，在振动控制器中设置激振器的激发次数和振动参数。

所述步骤五中，去噪、转化处理包括如下步骤：首先，根据光纤数据的主频分析进行滤波处理，其次，为提升数据的信噪比，将多次激振后采集的应变数据叠加，得到桩身应力波的速度信号曲线。

所述步骤六中，根据振动控制器(2-2)设置的振动参数设置阈值，当桩身应力波的波速超过阈值时，得到钻孔灌注桩缺陷大小及位置。

步骤七中，桩基完整性评价模块将结果分析模块得到的桩身缺陷大小及位置信息与规范规定的桩基完整性指标进行对比，判断钻孔灌注桩的桩身完整性类型。

本发明的有益效果：

采用本发明所述的装置和方法，分布式声波传感技术具有较宽的测试频率，可到达10Hz～10000Hz，因此，对不同大小的桩身完整性问题具有较好的灵敏度。因此，通过比较钻孔灌注桩深度方向各个位置的应力波的速度变化，可以有效地进行钻孔灌注桩的桩身完整性检测，不仅克服了低应变动测法对于长桩测量时对桩底的缺陷判断不准确的问题，而且克服了超声检测法存在的检测盲区的问题，实现对基桩完整性判断的准确性。

该方法能很好抵抗外界电磁场的干扰，并且操作简单，测量迅速、安装方便，有效，能极大地降低测量成本，并且应变感测光纤的布设不会影响桩身的完整性。分布式声波传感技术也可以用来接收地震波的信号，因此埋设在桩基中的分布式传感光纤也可以作为抗震监测传感器。

本发明具有传感器存活率高、分布式测量和精度高等优点，实现了桩身全长的缺陷检测功能。

附图说明

图1为本发明所述系统的组成示意图。

图2为钻孔灌注桩光纤布设示意图。

图3为分布式声波传感技术在不同桩身完整性情况下的测试波速图。

图中应变感测光纤1、振动模块2、分布式声波传感解调仪3、光纤数据处理模块4、结果分析模块5和桩基完整性评价模块6、激振器2-1、振动控制器2-2。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法，其特征在于包括：应变感测光纤、振动模块、分布式声波传感解调仪、光纤数据处理模块、结果分析模块和桩基完整性评价模块；植入钻孔灌注桩的应变感测光纤与桩身平行，且保持平直；分布式声波传感解调仪一端通过跳线与应变感测光纤连接采集数据；一端与光纤数据处理模块连接；采用夹具将激振器固定在桩头中心平整位置处，振动控制器设置激振器的参数；设置好激振器参数后，分布式声波传感解调仪采集每次激振器振动后的光纤应变数据；分布式声波传感解调仪将数据采集后传输至光纤数据处理模块；光纤数据模块对应变数据进行去噪、转换处理得到桩身应力波的速度信号，结果分析模块对光纤数据处理模块得到的应力波的波速异常位置进行分析，得到桩身缺陷大小及位置等信息；桩基完整性评价模块中将缺陷信息与完整性评价指标进行对比，最终做出钻孔灌注桩的完整性评价。

基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法，包括以下步骤：

步骤一、应变感测光纤采用定点粘结的方式固定在钢筋笼对称的四根主筋上，铺设形状呈U字形，在桩头预留一定长度并进行特殊保护，后期随钢筋笼下放入钻孔内，浇灌混凝土并养护，使应变感测光纤与桩身耦合；

步骤二、将桩头预留的光纤与跳线进行熔接，并将跳线连接至分布式声波传感解调仪；

步骤三、将激振器2-1采用夹具固定在桩头中心平整位置处，通过振动控制器2-2设置激振器，使激振器间隔固定时间产生多次特定波形的脉冲振动

步骤四、分布式声波传感解调仪采集激振器每次激发振动脉冲后的桩身内应变感测光纤的应变数据；

步骤五、将分布式声波传感解调仪采集到的应变数据传输至光纤数据处理模块4，光纤数据处理模块4进行去噪、转化处理得到桩身应力波的速度信号；

步骤六、结果分析模块依据桩身应力波的速度信号的变化，对波速超过阈值的位置进行分析，得到桩身缺陷大小及位置等信息；

步骤七、桩基完整性评价模块依据结果分析模块得到的缺陷信息对钻孔灌注桩的桩身完整性做出评价。

进一步地，所述步骤一中，通过墨盒画线，使分布式传感光纤粘贴在主筋上保持平直；

进一步地，所述步骤一中，准确定位分布式传感光纤在钢筋笼主筋外侧面的位置；

进一步地，所述步骤一中，混凝土浇灌过程中，注意对桩头处预留的光纤进行保护；

进一步地，所述步骤二中，分布式光纤传感器与跳线熔接过程中，需要对熔接位置进行特别保护，防止破桩头时破坏；

进一步地，所述步骤三中，采用夹具将激振器固定在桩头中心平整位置处，使激振器下底面与桩头平面紧密贴合；

进一步地，所述步骤四中，分布式声波传感解调仪在激振器设置的间隔时间内进行行读数，采集桩身内的光纤应变数据；

进一步地，所述步骤五中，首先根据主频分析的结果进行滤波处理，降低外界噪音对测量造成的干扰，然后将多次激发后的光纤应变数据进行叠加，提升信噪比；

进一步地，所述步骤五中，对去噪处理后的光纤数据，利用下式进行转换处理，从而得到应力波在钻孔灌注桩桩身深度方向的速度曲线；

式中：c为t时刻应力波的波速，u为位移，v为相速度，ω为频率，k为波数，ε_xx为通过分布式声波传感解调仪得到的钻孔灌注桩桩身x位置处的应变。

进一步地，所述步骤六中，应力波在不同桩身完整性情况下的传播规律不同，原理如下：

当介质的某个地方突然受到一种扰动，这种扰动产生的变形会沿着介质由近及远传播开去，这种扰动传播的现象称为应力波。

介质的波阻抗Z为：

Z＝ρ·c·A

式中：ρ为介质的密度，c为应力波的波速，A为介质的横截面积。

设杆件x位置处的介质在t时刻的位移为u，则一维均匀弹性杆的应力波波动的传播方程为：

式中：c为t时刻应力波的波速，且

E为杨氏模量，ρ为密度。

对于直径为d，杆长为L的直杆，当d<<L时，可以看作一维直杆。一般钻孔灌注桩满足这个条件。激振器产生的应力波从桩头传播至桩身一定距离S后(一般S>1D-2D，D为钻孔灌注桩的直径)，认为应力波在一维杆件中竖直方向传播，当桩身的完整性不同时，沿桩身应力波的传播速度不同。通过对比在桩身深度方向应力波的速度曲线的变化，就可以得到钻孔灌注桩缺陷大小及位置等信息。

进一步地，所述步骤七中，将钻孔灌注桩缺陷信息与规范规定的桩身完整性指标进行对比，判断钻孔灌注桩的桩身完整性。

实施例1

如图1所示，基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法包括：应变感测光纤1、振动模块2、分布式声波传感解调仪3、光纤数据处理模块4、结果分析模块5和桩基完整性评价模块6；

一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法，包括以下步骤：

步骤一、如图2所示，应变感测光纤1采用的定点粘结的方式固定在钢筋笼对称的四根主筋上，铺设形状呈U字形，在桩头预留约20m并进行保护，钢筋笼下放入钻孔后，浇灌混凝土并养护，使应变传感光纤与桩身耦合；

步骤二、将桩头预留20m的光纤与光纤跳线进行熔接，并将跳线连接至分布式声波传感解调仪；

步骤三、将激振器2-1采用夹具固定在桩头平整位置处，通过振动控制器2-2设置激振器，使激振器间隔固定时间产生多次特定波形的脉冲振动

步骤四、分布式声波传感解调仪采集振动模块每次激发振动脉冲后的桩身内应变感测光纤的应变数据；

步骤五、将分布式声波传感解调仪采集到的应变数据传输至光纤数据处理模块4，光纤数据处理模块4进行去噪、转化处理得到桩身应力波的速度信号；

步骤六、结果分析模块依据桩身应力波的速度信号的变化，对波速异常位置进行分析，得到桩身缺陷大小和位置等信息；

步骤七、桩基完整性评价模块依据结果分析模块得到的缺陷信息对钻孔灌注桩的桩身完整性做出评价。

实施例2

一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置及方法，包括：应变感测光纤1、振动模块2、分布式声波传感解调仪3、光纤数据处理模块4、结果分析模块5和桩基完整性评价模块6；植入钻孔灌注桩的应变感测光纤1与桩身平行，且保持平直；分布式声波传感解调仪3一端通过跳线与应变感测光纤1连接采集数据；一端与光纤数据处理模块4连接；采用夹具将激振器2-1固定在桩头上位置，振动控制器2-2设置激振器2-1的参数；设置好激振器2-1参数后，分布式声波传感解调仪3采集每次激振器2-1振动后的光纤应变数据；分布式声波传感解调仪3将数据采集后传输至光纤数据处理模块4；光纤数据模块4对应变数据进行去噪、转换处理得到应力波的速度信号，结果分析模块5对光纤数据处理模块4得到的应力波的波速异常位置进行分析，得到桩身缺陷大小和位置等信息；桩基完整性评价模块6中将缺陷信息与桩身完整性评价指标进行对比，最终做出钻孔灌注桩的完整性评价。

利用本发明所述装置及方法对某大楼的大直径钻孔灌注桩桩基进行完整性检测。试桩桩径1m，桩长50m，试验场地为软土地基，0～10m为淤泥质粉质黏土，10～20m为粉土，20～28m为淤泥质黏土，28～50m为基岩。

步骤一、如图2所示，从桩顶开始到桩底，应变感测光纤以每隔30～50cm定点粘结的方式固定在钢筋笼对称的四根主筋上。铺设形状呈U字形，使得四根主筋上的应变感测光纤形成一个回路，固定在钢筋笼上的光纤总长208m。为了确保应变感测光纤铅直铺设于桩中，在固定时对应变感测光纤进行预拉。应变感测光纤铺设的位置靠近钢筋笼主筋的侧面，以减少灌浆对应变感测光纤的破坏。为了防止后期桩头处理和养护过程中对应变感测光纤的破坏，对桩头处预留的20m应变感测光纤进行保护。钢筋笼下放入钻孔后，浇灌混凝土并养护，使应变传感光纤与桩身耦合。

步骤二、将桩头预留20m的光纤与长度为5m跳线进行熔接，并将跳线连接至分布式声波传感解调仪。

步骤三、在桩头中心平整位置放置振动模块中的激振器，使用夹具将激振器固定牢靠。激振器固定在桩头中心位置，埋设在钢筋主筋上的应变感测光纤可以接收到整个桩身范围内的应力波，进而可以实现对整个钻孔灌注桩的完整性检测。在振动模块的遥控器输入正弦波形，并使激振器按照1min的时间间隔产生脉冲振动，共产生10次。

步骤四、在激振器开始产生脉冲振动的同时，使用分布式声波传感解调仪采集每次激发振动脉冲后的桩身内应变感测光纤的应变数据，获得10组数据。

步骤五、将分布式声波传感解调仪采集到的10组应变数据传输至光纤数据处理模块。将每组应变数据中前25m的应变数据去除，得到埋设在桩身内应变感测光纤监测得到的数据。首先根据主频分析的结果对10组应变数据进行小波滤波处理，降低外界噪音对测量造成的干扰，然后将10组光纤应变数据进行叠加，提升信噪比，得到一组信噪比较高的应变数据。利用下式将该组应变数据进行转换处理，从而得到应力波在钻孔灌注桩桩身深度方向的速度曲线，如图3所示；

式中：c为t时刻应力波的波速，u为位移，v为相速度，ω为频率，k为波数，ε_xx为通过分布式声波传感解调仪得到的钻孔灌注桩桩身x位置处的应变。

步骤六、结果分析模块依据四根钢筋笼主筋上应变感测光纤得到的桩身应力波的速度信号的变化，发现在桩身28m的位置存在波速异常，根据异常类型判断该位置的桩身缺陷类型为缩颈，缺陷程度轻微。根据地层信息，28m位置为淤泥质黏土和基岩的接触面，易发生塌孔，导致桩身发生缩颈。

步骤七、桩基完整性评价模块依据结果分析模块得到的缺陷信息对钻孔灌注桩的桩身完整性做出评价。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置，其特征在于，所述测量装置包括：应变感测光纤(1)、振动模块(2)、分布式声波传感解调仪(3)、光纤数据处理模块(4)、结果分析模块(5)和桩基完整性评价模块(6)；应变感测光纤(1)植入钻孔灌注桩中，应变感测光纤(1)与分布式声波传感解调仪(3)连接；振动模块(2)设置在钻孔灌注桩桩头上，振动模块(2)由激振器(2-1)和振动控制器(2-2)组成，激振器(2-1)固定于桩头上，通过振动控制器(2-2)设置激振器(2-1)的参数；分布式声波传感解调仪(3)将数据采集后传输至光纤数据处理模块(4)；光纤数据处理模块(4)与结果分析模块(5)连接；结果分析模块(5)与桩基完整性评价模块(6)连接。

2.权利要求1所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、应变感测光纤(1)分别固定在钻孔灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋外侧面，在钻孔灌注桩桩头的位置预留一定长度的应变感测光纤引出，钢筋笼下放后，浇灌混凝土并养护；

步骤二、应变感测光纤(1)通过光纤跳线连接至分布式声波传感解调仪(3)；

步骤三、将激振器(2-1)固定在桩头中心平整位置处，通过振动控制器(2-2)设置激振器，使激振器间隔固定时间产生多次特定波形的脉冲振动；

步骤四、分布式声波传感解调仪(3)采集激振器(2-1)每次激发脉冲振动后的桩身内应变感测光纤(1)的应变数据；

步骤五、将分布式声波传感解调仪(3)采集到的应变数据传输至光纤数据处理模块(4)，光纤数据处理模块(4)进行去噪、转化处理得到桩身应力波的速度信号；

步骤六、结果分析模块(5)依据桩身应力波的速度信号判断得到桩身缺陷大小及位置信息；

步骤七、桩基完整性评价模块(6)依据结果分析模块(5)得到的缺陷信息对钻孔灌注桩的桩身完整性做出评价。

3.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：所述步骤一中，应变感测光纤(1)采用定点粘结的方式固定在钻孔灌注桩的钢筋笼对称的四根主筋上，铺设形状呈U字形，在桩头位置预留一定长度并进行保护，后期随钢筋笼下放入钻孔内，浇灌混凝土将传感光纤植入桩体内。

4.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：所述步骤一中，钢筋笼下放后，需要准确定位应变感测光纤在桩身内的位置。

5.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：所述步骤三中，固定时，激振器(2-1)的下底面与桩头平面贴合。

6.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：所述步骤三中，根据场地条件、测试桩的参数以及分布式声波传感解调仪(3)的采集频率，在振动控制器(2-2)中设置激振器(2-1)的激发次数和振动参数。

7.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：所述步骤五中，去噪、转化处理包括如下步骤：首先，根据光纤数据的主频分析进行滤波处理，其次，为提升数据的信噪比，将多次激振后采集的应变数据叠加，得到桩身应力波的速度信号曲线。

8.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：所述步骤六中，根据振动控制器(2-2)设置的振动参数设置阈值，当桩身应力波的波速超过阈值时，得到钻孔灌注桩缺陷大小及位置。

9.根据权利要求2所述的基于分布式声波传感技术的钻孔灌注桩完整性检测装置的方法，其特征在于：步骤七中，桩基完整性评价模块(6)将结果分析模块(5)得到的桩身缺陷大小及位置信息与规范规定的桩基完整性指标进行对比，判断钻孔灌注桩的桩身完整性类型。

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