CN117890419A - 一种深基础成孔或槽质量检测装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种深基础成孔或槽质量检测装置与方法，包括多芯温度传感光缆、分布式温度数据采集模块、温度数据处理模块、成孔或槽质量分析模块和深基础质量评价模块；所述多芯温度传感光缆包括温度传感光纤、填充层、加强层和防护层；所述填充层围设于多根所述温度传感光纤外层；所述加强层设置于所述填充层和所述防护层之间，通过所述防护层对所述多芯温度传感光缆进行封装；所述多芯温度传感光缆在钢筋笼主筋路径上形成测试线路，多组测试线路将深基础的钢筋笼进行围设。本发明采用的传感光缆抗干扰、尺寸小、安装简便，提出的检测装置自动化程度高，且不破坏深基础的结构，实现了真正的无损检测。

Description

一种深基础成孔或槽质量检测装置与方法

技术领域

本发明涉及工程质量检测技术领域，具体涉及一种深基础成孔或槽质量检测装置与方法。

背景技术

灌注桩和地连墙等深基础的成孔或槽质量一直是工程质量检测领域的重点关注内容。如今，工程建设规模日益增大，深基础的尺寸和埋深也不断增加，其地质条件和施工过程更加复杂，在深基础成孔和施工过程中容易出现孔径或槽宽异常、垂直度低和钢筋笼偏位等质量问题，从而影响深基础的承载特性和上部结构的安全。此外，深基础具有隐蔽性，一旦出现质量问题难以修补，因此对深基础成孔或槽质量进行科学的检测和评估显得非常重要。

目前，深基础的成孔或槽质量检测方法主要有超声法、机械支臂法和低应变法等，以及新型可无损检测的热完整性检测(Thermal Integrity Profiling,TIP)技术。热完整性检测技术根据深基础混凝土热学性质的异常检测成孔或槽质量、混凝土离析、夹泥、孔洞等完整性问题，其基本方法是通过在深基础中埋设温度传感器或温度测管，对混凝土水泥放热过程的温度变化进行监测，再根据该过程中的桩身温度异常和热传递反分析来检测桩身的完整性问题。然而，该方法未能提供深基础成孔或槽质量的定量分析方法，并且常用的铂敏电阻等温度传感器为点式传感，开展深基础监测工作时需要大量的传感器，导致检测成本过高。而现有的分布式光纤感测技术(Distributed fiber optic sensing,DFOS)能够连续获取光纤上的温度和应变信息，通过将强韧的温度传感光缆植入到深基础中，能够实现深基础的分布式实时温度测量，结合热完整性检测技术原理，可实现深基础成孔或槽质量的无损检测。

如申请号(202110256351.9)公开的一种基于密集分布式光纤光栅传感技术的灌注桩完整性检测装置与方法，采用大热膨胀系数的金属材料作为温度增敏元件，来获取到混凝土水化热沿桩身的差异，从而判断混凝土浇筑是否均匀及桩径范围，进一步得到灌注桩的完整性。而上述方案主要存在以下不足之处：(1)其仅在光纤上刻有光栅的位置能够进行温度测量，且成本较高，额外黏贴温度增敏元件将进一步增加人工成本和时间成本；(2)其混凝土绝热温升函数中的参数都需要根据试验数据进行转化，且转化过程较为复杂，增大了数据处理的难度；(3)其仅根据灌注桩的温度异常定性分析了完整性缺陷的位置和程度，未给出桩径或垂直度等成孔质量问题定量分析的方法和结果。

发明内容

本发明的第一目的在于，提供一种提高光缆对温度的灵敏性以此可提高对深基础成孔或槽检测精度的检测装置。为此，本发明采用以下技术方案：

一种深基础成孔或槽质量检测装置，包括多芯温度传感光缆、分布式温度数据采集模块、温度数据处理模块、成孔或槽质量分析模块和深基础质量评价模块；所述多芯温度传感光缆包括温度传感光纤、填充层、加强层和防护层；所述填充层围设于多根所述温度传感光纤外层；所述加强层设置于所述填充层和所述防护层之间，通过所述防护层对所述多芯温度传感光缆进行封装；所述多芯温度传感光缆在钢筋笼主筋路径上形成测试线路，多组测试线路将深基础的钢筋笼进行围设，且所述多芯温度传感光缆与所述分布式温度数据采集模块电性连接；所述分布式温度数据采集模块与所述温度数据处理模块之间通过信号传输连接，所述温度数据处理模块与所述成孔或槽质量分析模块之间连接，所述成孔或槽质量分析模块与所述深基础质量评价模块之间连接。

进一步地：所述温度传感光纤包括多规格的单模光纤、第一多模光纤和第二多模光纤。

本发明的第二目的在于，提供一种可在深基础施工和养护过程中开展对分布式、准确定位的成孔或槽检测的质量检测方法。为此，本发明采用以下技术方案：

一种深基础成孔或槽质量检测方法，具体步骤如下：

步骤一、在钢筋笼上对称地选择主筋作为测试线路，将封装好的所述多芯温度传感光缆沿选定的测试线路固定，每条测试线路均要在钢筋笼顶部预留一定长度的所述多芯温度传感光缆作为引线；

步骤二、将安装好所述多芯温度传感光缆的钢筋笼缓慢下放，下放完成后即可浇筑混凝土；

步骤三、混凝土浇筑完成后，将所述多芯温度传感光缆接入所述分布式温度数据采集模块，并立即开始对养护期的深基础混凝土温度数据进行采集，直至深基础温度进入下降阶段并达到准稳态；

步骤四、将所述温度数据采集模块采集到的温度数据，通过有线网络传入温度数据处理模块；

步骤五、所述成孔或槽质量分析模块根据步骤四中分析到的温度异常，结合深基础混凝土的用量和地层的热学性质，通过热传递的反分析计算，获得深基础钢筋笼外的混凝土厚度，继而分析深基础的成孔或槽质量；

步骤六、所述深基础质量评价模块根据深基础孔径槽宽和钢筋笼偏位等信息，对深基础质量进行评价。

进一步地：所述步骤一中，所述多芯温度传感光缆沿着选定线路间隔0.75-1.25m进行固定，每条线路的顶部预留1.5-2.5m长度的所述多芯温度传感光缆作为引线，且预伸出部分用保护套管进行保护。

进一步地：所述步骤二中，安装后的所述多芯温度传感光缆随钢筋笼一起下放至孔或槽之中；下放完成后，需接上跳线，利用分布式温度数据采集模块确认各个测试线路是否畅通，并对测试线路的有效数据段进行定位和记录。

进一步地：所述步骤二中，需要对浇筑过程的混凝土用料、配合比、浇筑量和浇筑时间进行记录，用于确定所述分布式温度数据采集模块的采集参数和所述成孔或槽质量分析模块的计算参数。

进一步地：所述步骤三中，所述分布式温度数据采集模块的数据采集从深基础浇筑完成后开始，且监测时间至混凝土的温度出现最大值后的1-2天。

进一步地：所述步骤四中，所述温度数据处理模块将采集到的数据处理为每个数据点的温度-时间变化曲线，并根据所有测点的平均温度-时间变化曲线，开展一维瞬态热传递反分析。

进一步地：所述步骤五中，结合步骤四中确定的水化放热功率函数，所述成孔或槽质量分析模块对每个测点开展一维瞬态热传递反分析，即可获取每个测点的孔径槽宽。

进一步地：所述步骤六中，所述成孔或槽质量分析模块将测得的孔径或槽宽分布信息传输至所述深基础质量评价模块，所述深基础质量评价模块结合其他检测手段的结果和已有国家规范，对深基础的质量进行综合性评价。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用的传感光缆抗干扰、尺寸小、安装简便，且与常规测温传感器相比成本低廉，提出的检测装置自动化程度高，且不破坏深基础的结构，实现了真正的无损检测。多芯温度传感光缆在增强了光缆本身的强度，可以提高光缆存活率和检测成功率的同时，通过填充层进一步隔离了应变，提高了光缆对温度的灵敏性，来达到更佳的检测效果、并且包含多种不同类型的传感光纤，便于选用不同精度和量程的光纤解调设备进行解调，能够实现实时高精度温度测量，来以此极大地提高对深基础孔或槽的检测精度。

本发明提供的定量分析成孔或槽质量方法，通过采用形式和参数获取方式更加简单的水化放热功率模型，并利用一维瞬态热传递模型代替三维热传递模型，极大地简化了计算分析的过程。

附图说明

图1为本发明的检测装置结构示意图；

图2为本发明多芯温度传感光缆结构示意图；

图3为本发明深基础测线安装位置的俯瞰图

图4为本发明一维瞬态热传递模型示意图；

图5为本发明孔径或槽宽的反分析流程；

图6为本发明实测平均温度-时间曲线和有限元(FEM)计算结果；

图7为本发明实施例的灌注桩成孔半径检测结果。

附图中的标记为：多芯温度传感光缆1、分布式温度数据采集模块2、温度数据处理模块3、成孔或槽质量分析模块4、深基础质量评价模块5、单模光纤11、第一多模光纤12、第二多模光纤13、填充层14、加强层15、防护层16。

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说明，但并不作为对本发明限制的依据。

如图1-3所示，本实施例提供一种深基础成孔或槽质量检测装置，该检测装置将在不破坏深基础结构的条件下，提高对深基础孔或槽的检测精度。其克服了传统检测手段进行深基础检测时检测长度有限、无法准确定量等不足等问题，并且伴随着施工过程进行检测，不需要额外的主动加热，提高了检测效率，节约检测成本。

具体的，检测装置包括多芯温度传感光缆1、分布式温度数据采集模块2、温度数据处理模块3、成孔槽质量分析模块4和深基础质量评价模块5；多芯温度传感光缆1包括温度传感光纤、填充层14、加强层15和防护层16；填充层14围设于多根温度传感光纤外层；加强层15设置于填充层14和防护层16之间，通过防护层14对多芯温度传感光缆1进行封装；多芯温度传感光缆1在钢筋笼主筋路径上形成测试线路，多组测试线路将深基础的钢筋笼进行围设，且多芯温度传感光缆1通过引线和跳线接入分布式温度数据采集模块2；分布式温度数据采集模块2与温度数据处理模块3之间通过信号传输连接，温度数据处理模块3与成孔槽质量分析模块4之间有线连接，成孔槽质量分析模块4与深基础质量评价模块5之间有线连接。

本实施例中，填充层14的填充物为滑石粉或油膏；加强层15采用多根GFRP加强筋绞合；防护层16采用MDPE护套。

其中，在3根温度传感光纤外均匀涂抹滑石粉或油膏填充物，再用9根GFRP加强筋绞合形成将填充层14包裹在内的加强层，随后再用MDPE护套进行封装，制成多芯温度传感光缆1。

如图2所示，温度传感光纤包括多规格的单模光纤11、第一多模光纤12和第二多模光纤13。本实施例中采用62.5/125μm的单模光纤11、62.5/125μm第一多模光纤12和50/125μm第二多模光纤13。由于温度传感光纤包含3种不同类型的传感光纤，便于选用不同精度和量程的光纤解调设备，例如62.5/125μm单模光纤11可使用光频域反射计(OFDR)进行解调，能够实现1mm空间分辨、0.1℃精度的实时高精度温度测量，极大地提高检测精度。

如图3所示，在钢筋笼上对称安装的多芯温度传感光缆1，在桩径不大于1.2m的灌注桩可布设4根测线，在桩径大于1.2m的灌注桩可布设6根测线，地连墙可对称布设6根。

如图1-6所示，本实施例提供一种深基础成孔或槽质量检测方法，该检测方法通过形式和参数获取方式更加简单的水化放热功率模型，简化其计算分析的过程。

具体的，该检测方法的具体步骤如下：

步骤一、在钢筋笼上对称地选择主筋作为测试线路，将封装好的多芯温度传感光缆1沿选定的测试线路等间距固定，每条测试线路均要在钢筋笼顶部预留一定长度的光缆作为引线；

步骤二、将安装好多芯温度传感光缆1的钢筋笼缓慢下放，下放完成后即可浇筑混凝土；

步骤三、混凝土浇筑完成后，将多芯温度传感光缆1通过引线和跳线接入分布式温度数据采集模块2，并立即开始对养护期的深基础混凝土温度数据进行采集，直至深基础温度进入下降阶段并达到准稳态；

步骤四、将分布式温度数据采集模块2采集到的温度数据，通过有线网络传入温度数据处理模块3；

步骤五、成孔或槽质量分析模块4根据步骤四中分析到的温度异常，结合深基础混凝土的用量和地层的热学性质，通过热传递的反分析计算，获得深基础钢筋笼外的混凝土厚度，继而分析深基础的成孔或槽质量；

步骤六、深基础质量评价模块5根据深基础孔径或槽宽和钢筋笼偏位等信息，对深基础质量进行评价。

具体的，步骤一中，多芯温度传感光缆1沿着选定线路间隔1m用扎带进行固定，每条线路的顶部预留2m左右光缆作为引线，并用保护套管进行保护。

具体的，步骤二中，安装后的多芯温度传感光缆1随钢筋笼一起下放至孔槽之中；下放完成后，需接上跳线，利用分布式温度数据采集模块2确认各个测试线路是否畅通，并对测试线路的有效数据段进行定位和记录。

具体的，步骤二中，需要对浇筑过程的混凝土用料、配合比、浇筑量和浇筑时间进行记录，用于确定分布式温度数据采集模块2的采集参数和成孔或槽质量分析模块4的计算参数。

具体的，步骤三中，分布式温度数据采集模块2的数据采集从深基础浇筑完成后开始，监测至混凝土的温度出现最大值后2天为止。最佳为最大值后12小时为止。

具体的，步骤四中，温度数据处理模块3将采集到的数据处理为每个数据点的温度-时间变化曲线，并筛选出同一深度不同测线温差较大的区域。以及可以根据混凝土实际浇筑量、浇筑深度和每个数据点平均温度-时间变化曲线，确定混凝土所用水泥的水化放热功率函数，如下：

式中，q(t)为t时刻的单位质量水泥的水化放热功率；m、τ_pn、a、b为拟合参数，根据实测平均温度-时间曲线反分析获得。

具体的，步骤五中，结合步骤四中确定的水化放热功率函数，成孔或槽质量分析模块4对每个测点开展一维瞬态热传递反分析，即可获取每个测点的孔径或槽宽。

其中，如图5所示在反分析过程中，在桩身某个位置存在孔洞缺陷时，该埋深处多条测线的温度-时间曲线之间会存在明显差异，可以大致推断出孔洞出现的区域，在该区域设置点阵作为孔洞圆心可能出现的位置。

并且在步骤五中，给定孔洞半径范围，沿着点阵逐一开展热传递分析，直至热传递分析的多个测线计算结果与实测结果基本吻合为止，此刻计算的孔洞圆心位置和半径大小即对应桩身混凝土中孔洞缺陷的位置和大小。

具体的，步骤六中，成孔或槽质量分析模块4将测得的孔径或槽宽分布信息传输至深基础质量评价模块5，深基础质量评价模块5结合其他检测手段的结果和已有国家规范，对深基础的质量进行综合性评价。

在现有技术中，深基础的成孔或槽质量检测方法主要有超声法、机械支臂法和低应变法等，上述检测方法在工程实践中取得了显著成效，但也表现出一些不足，如：超声法通过超声波传播速度和发出、收回时间差检测成孔或槽质量，操作和计算原理简单，但孔内泥浆过稠或含气泡时，检测结果准确性难以保证，甚至会出现探头难以下放的现象，导致检测失败；低应变等波动方法通过深基础中应力反射波的变化进行检测，该方法效率高、成本低廉，但检测长度有限，且无法准确定量分析成孔或槽的尺寸信息；机械支臂法使用金属支臂直接接触孔或槽壁，侧壁的不平整和倾斜会引起支臂张开角度变化，从而实现对成孔或槽质量的检测，该方法检测原理更加直接，但支臂传感器需要定期校正，检测过程也会对松散土层扰动导致土体塌落。

上述对深基础的成孔或槽质量检测方法中，通过机械支臂法得到的结果更加直接，而检测数据更为直观，以此作为对照例与本实施例进行同步对比。

如图1-7所示，本实施例，根据上述内容利用本发明所述装置及方法对某钻孔灌注桩的成孔质量进行了检测，该试桩实际浇筑长度59m，设计桩径1m，钢筋笼直径0.9m，混凝土强度等级为C45。

本实施例在施工过程中，根据步骤一在钢筋笼上对称地布设了4条多芯温度传感光缆；依照步骤二、三和四，在混凝土浇筑完成后，采用分布式温度解调仪对灌注桩养护过程的温度数据进行了采集。

本实施例所用分布式温度解调仪的空间分辨率为1m，采样间隔0.4m，采样时间间隔为10min，监测时长为5天。根据现场实测平均温度-时间曲线，开展有限元反分析，确定混凝土中水泥水化放热功率表达式为：

实测平均温度-时间曲线和有限元(FEM)计算结果对比见附图5。

根据附图6的流程，采用上述水泥水化放热功率函数，对每个采样点开展有限元反分析，获得灌注桩成孔半径检测结果与机械支臂法检测结果对比见图7。

由检测结果可以看出，本发明所述检测方法的检测结果与机械支臂法的结果较为一致，尤其是桩身半径的异常位置十分吻合，两种检测手段获得的成孔半径在不同深度上均大于设计桩径500mm，表明该试桩成孔半径符合设计的要求。在该孔径测量截面，有三个区域的成孔半径明显较大，分别为埋深21m、38-43m以及56-59m，由地层分布可知，三个区域均在砂质粉土、粉砂等非黏性土地层内，且临近与下部地层交界面，现场钻机施工也反映出这些层位易发生塌孔。由此推测，成孔半径的异常主要受地层性质影响，粉质砂土、粉砂等无黏性土层在旋挖钻机施工过程中受到扰动，易出现塌落、掉块，从而导致成孔半径增加。

实施例中的检测结果验证了本发明所述装置与方法的有效性。但是，本发明所述方法检测结果的曲线比机械支臂法测量结果更为平滑，且在部分区域的半径检测结果存在差距，造成该现象的主要原因为：现场检测采用的DTS设备的空间分辨率为1m，采样间距0.4m，明显低于机械支臂法的采样分辨率，若采用更高空间分辨率、高精度的光纤解调设备，将会明显提高孔径异常的定位及测量精度。由于分布式温度传感光缆的成本较低，并且分布式光纤解调设备能够多通道测量和重复使用，因此，采用本发明所述的装置与方法能够实现工程场地内基桩的低成本、高覆盖率的检测，且不影响施工进度。

以上实施例仅为本发明的一种较优技术方案，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的原理和本质情况下可以对实施例中的技术方案或参数进行修改或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种深基础成孔或槽质量检测装置，其特征在于：包括多芯温度传感光缆(1)、分布式温度数据采集模块(2)、温度数据处理模块(3)、成孔或槽质量分析模块(4)和深基础质量评价模块(5)；

所述多芯温度传感光缆(1)包括温度传感光纤、填充层(14)、加强层(15)和防护层(16)；所述填充层(14)围设于多根所述温度传感光纤外层；所述加强层(15)设置于所述填充层(14)和所述防护层(16)之间，通过所述防护层(14)对所述多芯温度传感光缆(1)进行封装；

所述多芯温度传感光缆(1)在钢筋笼主筋路径上形成测试线路，多组测试线路将深基础的钢筋笼进行围设，且所述多芯温度传感光缆(1)与所述分布式温度数据采集模块(2)电性连接；

所述分布式温度数据采集模块(2)与所述温度数据处理模块(3)之间通过信号传输连接，所述温度数据处理模块(3)与所述成孔或槽质量分析模块(4)之间连接，所述成孔或槽质量分析模块(4)与所述深基础质量评价模块(5)之间连接。

2.根据权利要求1所述的一种深基础成孔或槽质量检测装置，其特征在于：所述温度传感光纤包括多规格的单模光纤(11)、第一多模光纤(12)和第二多模光纤(13)。

3.一种深基础成孔或槽质量检测方法，用于如权利要求1-2任一项所述的一种深基础成孔或槽质量检测装置，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、在钢筋笼上对称地选择主筋作为测试线路，将封装好的所述多芯温度传感光缆(1)沿选定的测试线路固定，每条测试线路均要在钢筋笼顶部预留一定长度的所述多芯温度传感光缆(1)作为引线；

步骤二、将安装好所述多芯温度传感光缆(1)的钢筋笼缓慢下放，下放完成后即可浇筑混凝土；

步骤三、混凝土浇筑完成后，将所述多芯温度传感光缆(1)接入所述分布式温度数据采集模块(2)，并立即开始对养护期的深基础混凝土温度数据进行采集，直至深基础温度进入下降阶段并达到准稳态；

步骤四、将所述温度数据采集模块(3)采集到的温度数据，通过有线网络传入温度数据处理模块；

步骤五、所述成孔或槽质量分析模块(4)根据步骤四中分析到的温度异常，结合深基础混凝土的用量和地层的热学性质，通过热传递的反分析计算，获得深基础钢筋笼外的混凝土厚度，继而分析深基础的成孔或槽质量；

步骤六、所述深基础质量评价模块(5)根据深基础孔径或槽宽和钢筋笼偏位等信息，对深基础质量进行评价。

4.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤一中，所述多芯温度传感光缆(1)沿着选定线路间隔0.75-1.25m进行固定，每条线路的顶部预留1.5-2.5m长度的所述多芯温度传感光缆(1)作为引线，且预伸出部分用保护套管进行保护。

5.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤二中，安装后的所述多芯温度传感光缆(1)随钢筋笼一起下放至孔或槽之中；下放完成后，需接上跳线，利用分布式温度数据采集模块确认各个测试线路是否畅通，并对测试线路的有效数据段进行定位和记录。

6.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤二中，需要对浇筑过程的混凝土用料、配合比、浇筑量和浇筑时间进行记录，用于确定所述分布式温度数据采集模块(2)的采集参数和所述成孔或槽质量分析模块(4)的计算参数。

7.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤三中，所述分布式温度数据采集模块(2)的数据采集从深基础浇筑完成后开始，且监测时间至混凝土的温度出现最大值后的1-2天。

8.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤四中，所述温度数据处理模块(3)将采集到的数据处理为每个数据点的温度-时间变化曲线，并根据所有测点的平均温度-时间变化曲线，开展一维瞬态热传递反分析。

9.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤五中，结合步骤四中确定的水化放热功率函数，所述成孔或槽质量分析模块(4)对每个测点开展一维瞬态热传递反分析，即可获取每个测点的孔径或槽宽。

10.根据权利要求3所述的一种深基础成孔或槽质量检测方法，其特征在于：所述步骤六中，所述成孔或槽质量分析模块(4)将测得的孔径或槽宽分布信息传输至所述深基础质量评价模块(5)，所述深基础质量评价模块(5)结合其他检测手段的结果和已有国家规范，对深基础的质量进行综合性评价。