CN113774967A - 一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，包括灌注桩（1）和钢筋笼（2），毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）和主动加热光纤光栅温度传感器（8）沿着灌注桩（1）的轴向等间距地固定于钢筋笼（2）上，且二者分别与信号解调仪（4）相连，主动加热光纤光栅温度传感器（8）再与脉冲加热电源（9）连接，信号解调仪（4）与物联网网关模块（5）连接，物联网网关模块（5）再与数据可视化处理模块（7）相连，信号解调仪（4）、物联网网关模块（5）和脉冲加热电源（9）再分别通过接口电与直流电源模块（6）相连。本发明的优点是提高桩基检测的智能化和实时化，同时提高桩基检测数据的精度，简化检测过程，降低成本。

Description

一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置及方法

技术领域

本发明涉及桩基检测技术领域，尤其是一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置及方法。

背景技术

钻孔灌注桩因自身桩长桩径较大且承载力较高，广泛应用于桥梁和房屋等各类重要建筑设施的基础建设中。与此同时，灌注桩由于其现场施工存在一定的隐蔽性，且施工流程复杂、影响因素较多，因此其桩身施工质量的高低将对其长期使用性能起到决定性因素，进而影响上部结构的长期安全使用。

灌注桩施工时的质量控制和成桩后的完整性评估将显得十分重要。目前，常用的灌注桩桩身完整性测试方法主要包括高应变法、低应变法、声波透射法和钻孔取芯法等。但是，上述测试方法各自有着自身的优点，亦存在一定的局限性，例如：低应变法操作简单、检测速度快、成本低，但对于较长桩以及较深处存在的缺陷识别困难；钻孔取芯法原理和施工过程较为直接，但会对桩身产生损伤，且操作难度大、成本较高。

发明内容

本发明目的就是为了解决现有灌注桩完整性测试存在的诸多缺陷，提供了一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，结合光纤光栅温度测试技术，提高桩基检测的智能化和实时化，同时提高桩基检测数据的精度，简化检测过程，降低成本。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，包括灌注桩和固定于灌注桩内的钢筋笼，钢筋笼上连有毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器和主动加热光纤光栅温度传感器，毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器和主动加热光纤光栅温度传感器沿着灌注桩的轴向等间距地固定于钢筋笼上，且二者分别与信号解调仪相连，主动加热光纤光栅温度传感器再与脉冲加热电源有线连接，信号解调仪与物联网网关模块有线连接，物联网网关模块再通过无线网与数据可视化处理模块相连，信号解调仪、物联网网关模块和脉冲加热电源再分别通过接口电与直流电源模块相连。

进一步地，所述主动加热光纤光栅温度传感器由一根毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器和两根导热电阻丝在刚玉管中封装而成。

进一步地，所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器通过OPP胶带等间距固定在钢筋笼的主筋上，主动加热光纤光栅温度传感器通过耐高温胶带等间距固定在钢筋笼的主筋上。

进一步地，所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器和主动加热光纤光栅温度传感器的布设个数为偶数，且二者对称固定于钢筋笼的主筋上。

进一步地，所述数据可视化处理模块为远程无线处理终端。

为了进一步完成本发明的目的，还提供了一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法，所用装置包括毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器、主动加热光纤光栅温度传感器、信号解调仪、脉冲加热电源、物联网网关模块、数据可视化处理模块和直流电源模块，具体步骤如下，包括：

（1）光纤光栅温度传感器预设：根据的灌注桩的具体检测工况选定毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器或主动加热光纤光栅温度传感器的布设方案，然后将其固定在灌注桩内钢筋笼的主筋上；

（2）桩身混凝土浇筑：将布设好温度传感器的钢筋笼安置到位，根据设计要求浇筑桩身混凝土；

（3）桩身温度检测：桩身混凝土浇筑结束后即可开始检测，经12~72个小时后即可利用毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器进行桩身温度测试，在桩基服役期间利用主动加热光纤光栅温度传感器对桩身温度进行测试；

（4）桩身温度分布数据的传输及处理：利用信号解调仪和物联网网关模块将桩身温度分布数据进行处理并传输至数据可视化处理模块；

（5）数据可视化处理及桩身完整性评估：利用数据可视化处理模块无线获得桩身温度分布数据，通过数据处理软件形成桩身温度分布图，进而通过桩身温度分布图中的温度变化情况进行桩身完整性评估。

进一步地，所述步骤（1）中，在固定时需要对毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器进行预拉紧处理。

进一步地，所述步骤（3）中，通过脉冲加热电源对于导热电阻丝加热引起桩身温度改变，再由主动加热光纤光栅温度传感器中的毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器测试桩身温度分布情况。

进一步地，所述步骤（4）中，首先利用毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器或主动加热光纤光栅温度传感器将桩身温度所产生的光信号返回到信号解调仪，然后利用信号解调仪对返回值进行读取和变换，从而得到桩身温度变化量，进而通过物联网网关模块将信号解调仪处理得到的桩身温度变化量无线传输至数据可视化处理模块。

进一步地，所述步骤（5）中，通过混凝土的用量和质量不同影响温度高低的特点，根据温度沿桩身的相对差异来分析桩身混凝土浇筑是否均匀、桩身是否完整、钢筋笼放置是否偏心，计算钢筋笼的水泥保护层厚度，从而完成灌注桩完整性评估，在进行灌注桩的桩身完整性评估时，当桩身某一位置处整体或局部出现温度降低的现象时，则可判定该区域的桩身混凝土质量存在问题。

与现有技术相比，本发明的技术方案的优点具体在于：

（1）将光纤光栅温度测试技术和物联网网关无线传输技术相结合运用于桩基检测领域，提高智能化检测水平；

（2）采用光纤光栅温度测试技术对灌注桩桩身温度场的变化情况进行了多点测量，传感器体积小，传输速度快，布设方便，检测精度高；

（3）采用物联网网关模块进行检测数据的远程无线传输，实现了桩身质量的实时自动化检测，可实现现场测试与数据后处理同时不同地处理，提高了检测的智能化；

（4）本发明的装置结构合理，便于操作，提高了桩基检测数据的精度，简化了检测过程，降低了成本；

（5）对灌注桩桩身完整性进行实时全面监测，为桩身完整性评估提供重要的数据依据；

（6）积累检测数据，为同类型工程项目提供参考，为机器学习和深度学习等人工智能行业在桩基监测领域的发展提供训练数据。

附图说明

图1为本发明的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置结构示意图；

图2为本发明的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法流程图。

具体实施方式

实施例1

为使本发明更加清楚明白，下面结合附图对本发明的一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置及方法进一步说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，包括灌注桩1和固定于灌注桩1内的钢筋笼2，其特征在于：

钢筋笼2上连有毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3和主动加热光纤光栅温度传感器8，毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3和主动加热光纤光栅温度传感器8沿着灌注桩1的轴向等间距地固定于钢筋笼2上，且二者分别与信号解调仪4相连，主动加热光纤光栅温度传感器8再与脉冲加热电源9有线连接，信号解调仪4与物联网网关模块5有线连接，物联网网关模块5再通过无线网与数据可视化处理模块7相连，信号解调仪4、物联网网关模块5和脉冲加热电源9再分别通过接口电与直流电源模块6相连。

本实施例中，所述主动加热光纤光栅温度传感器8由一根毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器和两根导热电阻丝在刚玉管中封装而成，通过脉冲加热电源9对于导热电阻丝加热引起桩身温度改变，再由主动加热光纤光栅温度传感器中的毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器测试桩身温度分布情况；所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3采用无缝钢管封装技术将多点光纤光栅串进行封装而形成，测试混凝土浇筑后一定时间内水化放热产生的桩身温度，传感器本体采用全金属结构，传感器体积小、重量轻、高抗拉、高抗压、耐高温、耐腐蚀、防水防潮，能够实现灵敏度高、热传导快、准确度好的温度测试。

本实施例中，仅测试灌注桩1浇筑完成后一定时间内的桩身完整性时，可单独布设所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3进行温度测试，若在灌注桩服役期间需再次测试桩身完整性时，可单独布设主动加热光纤光栅温度传感器8进行成桩和服役不同时期的温度测试。所述温度传感器的布设个数为偶数，且应对称固定于灌注桩内钢筋笼的主筋上。

所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3或主动加热光纤光栅温度传感器8的布设位置将对桩身温度的测量值大小产生影响，布设在灌注桩1中心轴线处的温度传感器测得的温度值更高，温度传感器的布设位置越靠近灌注桩边缘，所测得的温度值越低。

本实施例中，所述信号解调仪4主要用于对毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3或主动加热光纤光栅温度传感器8的信号返回值进行读取和变换，以及对变换得到的桩身温度变化量向物联网网关模块5进行有线传输，所述物联网网关模块5主要用于将桩身温度变化量向数据可视化处理模块7的无线传输；

所述数据可视化处理模块7为远程无线处理终端，主要用于接收桩身温度的分布数据，通过数据处理软件形成桩身温度分布图，进而对桩身完整性进行识别和评估。

本实施例中，所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3或主动加热光纤光栅温度传感器8测得的桩身各深度处的温度值与该处的混凝土的量成正比，均匀完整桩的桩身温度从上到下为均匀分布，但由于桩顶空气和桩底土层的影响，使得桩顶和桩底一倍桩径范围内桩身的温度测量值偏低，数据可视化处理模块中的数据处理软件在桩身温度分布图可视化之前将对桩顶和桩底温度测量值进行补偿处理。

参见图2，使用上述装置进行灌注桩完整性检测方法，具体步骤如下，其特征在于，包括：

（1）光纤光栅温度传感器预设：根据的灌注桩1的具体检测工况选定毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3或主动加热光纤光栅温度传感器8的布设方案，然后将其固定在灌注桩1内钢筋笼2的主筋上，在固定时需要对毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3进行预拉紧处理；

（2）桩身混凝土浇筑：将布设好温度传感器的钢筋笼2安置到位，根据设计要求浇筑桩身混凝土；

（3）桩身温度检测：桩身混凝土浇筑结束后即可开始检测，经12~72个小时后即可利用毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3进行桩身温度测试，在桩基服役期间利用主动加热光纤光栅温度传感器8对桩身温度进行测试，此处是通过脉冲加热电源对于导热电阻丝加热引起桩身温度改变，再由主动加热光纤光栅温度传感器中的毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器测试桩身温度分布情况；

（4）桩身温度分布数据的传输及处理：首先利用毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器3或主动加热光纤光栅温度传感器8将桩身温度所产生的光信号返回到信号解调仪4，然后利用信号解调仪4对返回值进行读取和变换，从而得到桩身温度变化量，进而通过物联网网关模块5将信号解调仪4处理得到的桩身温度变化量无线传输至数据可视化处理模块7；

（5）数据可视化处理及桩身完整性评估：利用数据可视化处理模块7无线获得桩身温度分布数据，通过数据处理软件形成桩身温度分布图，进而通过桩身温度分布图中的温度变化情况进行桩身完整性评估，通过混凝土的用量和质量不同影响温度高低的特点，根据温度沿桩身的相对差异来分析桩身混凝土浇筑是否均匀、桩身是否完整、钢筋笼放置是否偏心，计算钢筋笼的水泥保护层厚度，从而完成灌注桩完整性评估，在进行灌注桩的桩身完整性评估时，当桩身某一位置处整体或局部出现温度降低的现象时，则可判定该区域的桩身混凝土质量存在问题。

本发明的检测方法结合了光纤光栅温度测试技术，设计了一种体积小、布设简便、测量点密集、抗腐蚀性强、抗干扰能力强、测量精度高、测距远、容量大、传输速度高、智能化程度高的灌注桩桩身完整性检测装置，提高了桩基检测的智能化和实时化；提高了桩基检测数据的精度，简化检测过程，降低成本；同时对灌注桩桩身完整性进行实时全面监测，为桩身完整性评估提供重要的数据依据；此外，积累了检测数据，为同类型工程项目提供参考，为机器学习和深度学习等人工智能行业在桩基监测领域的发展提供训练数据。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，包括灌注桩（1）和固定于灌注桩（1）内的钢筋笼（2），其特征在于：

钢筋笼（2）上连有毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）和主动加热光纤光栅温度传感器（8），毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）和主动加热光纤光栅温度传感器（8）沿着灌注桩（1）的轴向等间距地固定于钢筋笼（2）上，且二者分别与信号解调仪（4）相连，主动加热光纤光栅温度传感器（8）再与脉冲加热电源（9）有线连接，信号解调仪（4）与物联网网关模块（5）有线连接，物联网网关模块（5）再通过无线网与数据可视化处理模块（7）相连，信号解调仪（4）、物联网网关模块（5）和脉冲加热电源（9）再分别通过接口电与直流电源模块（6）相连。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，其特征在于：

所述主动加热光纤光栅温度传感器（8）由一根毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器和两根导热电阻丝在刚玉管中封装而成。

3.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，其特征在于：

所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）通过OPP胶带等间距固定在钢筋笼（2）的主筋上，主动加热光纤光栅温度传感器（8）通过耐高温胶带等间距固定在钢筋笼（2）的主筋上。

4.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，其特征在于：

所述毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）和主动加热光纤光栅温度传感器（8）的布设个数为偶数，且二者对称固定于钢筋笼（2）的主筋上。

5.根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测装置，其特征在于：

所述数据可视化处理模块（7）为远程无线处理终端。

6.一种使用如权利要求1所述的装置进行基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法，具体步骤如下，其特征在于，包括：

步骤一：光纤光栅温度传感器预设，根据的灌注桩（1）的具体检测工况选定毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）或主动加热光纤光栅温度传感器（8）的布设方案，然后将其固定在灌注桩（1）内钢筋笼（2）的主筋上；

步骤二：桩身混凝土浇筑，将布设好温度传感器的钢筋笼（2）安置到位，根据设计要求浇筑桩身混凝土；

步骤三：桩身温度检测，桩身混凝土浇筑结束后即可开始检测，经12~72个小时后即可利用毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）进行桩身温度测试，在桩基服役期间利用主动加热光纤光栅温度传感器（8）对桩身温度进行测试；

步骤四：桩身温度分布数据的传输及处理，利用信号解调仪（4）和物联网网关模块（5）将桩身温度分布数据进行处理并传输至数据可视化处理模块（7）；

步骤五：数据可视化处理及桩身完整性评估，利用数据可视化处理模块（7）无线获得桩身温度分布数据，通过数据处理软件形成桩身温度分布图，进而通过桩身温度分布图中的温度变化情况进行桩身完整性评估。

7.根据权利要求6所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法，其特征在于：

所述步骤一中，在固定时需要对毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）进行预拉紧处理。

8.根据权利要求6所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法，其特征在于：

所述步骤三中，通过脉冲加热电源（9）对于导热电阻丝加热引起桩身温度改变，再由主动加热光纤光栅温度传感器（8）中的毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器测试桩身温度分布情况。

9.根据权利要求6所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法，其特征在于：

所述步骤四中，首先利用毛细无缝钢管光纤光栅温度传感器（3）或主动加热光纤光栅温度传感器（8）将桩身温度所产生的光信号返回到信号解调仪（4），然后利用信号解调仪（4）对返回值进行读取和变换，从而得到桩身温度变化量，进而通过物联网网关模块（5）将信号解调仪（4）处理得到的桩身温度变化量无线传输至数据可视化处理模块（7）。

10.根据权利要求6所述的基于光纤光栅测温的灌注桩完整性检测方法，其特征在于：

所述步骤五中，通过混凝土的用量和质量不同影响温度高低的特点，根据温度沿桩身的相对差异来分析桩身混凝土浇筑是否均匀、桩身是否完整、钢筋笼放置是否偏心，计算钢筋笼的水泥保护层厚度，从而完成灌注桩完整性评估，在进行灌注桩的桩身完整性评估时，当桩身某一位置处整体或局部出现温度降低的现象时，则可判定该区域的桩身混凝土质量存在问题。

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