CN1900434A - 预制桩损伤分布式光纤检测方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为一个预制桩损伤的分布式光纤检测方法及系统，方法是在待测预制基桩表面布设传感光纤，其应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；其特征是以沉桩过程中预制桩桩身应变分布作为反映基桩损伤性状与损伤程度的基本参量，根据沉桩过程中预制桩桩身应变的布里渊频移与应变及温度间的线性相关关系，可得待测基桩表面的应变分布和温度分布，进行温度补偿，可得待测基桩表面的应变分布。
Description
一、技术领域
本发明属于岩土工程检测技术领域，涉及一种基于分布式光纤传感技术的预制桩损伤的检测方法和检测系统。
二、背景技术
预制桩是目前我国建筑、交通、水利等行业中常用的深基础形式之一。通常需要对预制桩实施压力贯桩，目前主要包括锤击法与静压法等两种施工方式。由于压力贯桩过程中局部应力集中以及孤石、坚硬地层、软硬突变地层等不利地质条件的普遍存在，往往导致断桩、局部损伤等基桩损伤出现，从而影响到桩基以及上部结构的安全性与耐久性。
现有各类预制桩损伤检测方法难以实现对基桩贯入过程损伤的准确定位与定量，从而造成基桩损伤性状与损伤程度的诊断依据缺乏，使得基桩的实际工作状态难以定量确定。
BOTDR(Brillouin optical time-domain reflectometer)，中文名称为布里渊散射光时域反射测量，是一种分布式的光纤应变传感器，可以连续测量几十公里范围内的光纤应变分布。目前，该技术已被成功应用在建筑、隧道、堤坝等构筑物的安全监测当中。
基于布里渊散射的分布式光纤传感技术一BOTDR传感技术是近几年发展起来的一门新型传感技术，它以光作为采集信号的载体，以光纤作为传递光信号的介质，具有耐久性好、无零点漂移、不带电工作、抗电磁干扰、传输带宽大等突出优点，可以实现对待测参数的连续分布式或准分布式测量，为传统电子应变传感技术难以企及的，目前在土木、水利、交通、石化、电力、医疗、机械、动力、船舶、航空、航天等领域推广运用，逐步取代原有机电类传感器。
目前BOTDR用于暴露式建筑物或基础的应力分析，数据预处理主要是对异常识别、数据平滑、空间定位等功能。
还未见有布里渊散射光时域反射测量的方法用于预制桩损伤分布式光纤检测。
三、发明内容
针对既有预制桩损伤检测方法中存在的问题，本发明的目的在于，以沉桩过程中预制桩桩身应变分布作为反映基桩损伤性状与损伤程度的基本参量，提出一种基于分布式光纤传感技术的预制桩损伤检测方法及检测系统。
本发明的目的是这样实现的：预制桩损伤分布式光纤检测方法和系统，在待测预制基桩表面布设传感光纤，其应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈很好的线性关系，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变及温度间的线性相关关系，可得待测基桩表面的应变分布和温度分布，进行温度补偿，可得待测基桩表面的应变分布。以沉桩过程中预制桩桩身应变分布作为反映基桩损伤性状与损伤程度的基本参量。
预制桩损伤分布式光纤检测系统，由分布式光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、计算机和数据分析软件等部分构成。待测基桩表面构成分布式传感光纤回路；布里渊背向散射光数据采集设备通过GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信。
具体而言：在待测基桩贯入前，首先根据测试要求确定传感光纤铺设路线，并预先在待测基桩表面刻出一道深约5mm的V字型凹槽，将传感光纤布置在凹槽内预先打底的粘结剂中，并用粘结剂将凹槽填满。传感光纤为并行的两股，其中一股为紧套光纤，被施以既定的预张力，用于待测基桩表面的应变分布测量；另一股为松套光纤，松驰布设，用于应变分布的温度补偿。应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射技术。光脉冲在光纤中传播时，会发生布里渊散射，其中一部分散射光会沿光纤原路返回至脉冲光的入射端，这部分光被称为布里渊背向散射光。布里渊背向散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈良好的线性关系。基桩入土后，在自重与桩顶荷载以及侧壁摩阻力与桩尖阻力的作用下，处于受力平衡状态，基桩表面的传感光纤与基桩表面同步变形。在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变和温度之间的线性关系，可以得到测斜管外表面的应变分布和温度分布。一旦基桩在贯入过程中出现损伤，在损伤处基桩表面会产生应变突变并反映到传感光纤的测试数据上，据此可对基桩贯入过程中所出现的损伤位置、损伤性状与损伤程度作出定量评价。
基于上述技术思路，本发明构建的监测系统的工作流程是，该系统由以下几部分组成：分布式光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、计算机和数据分析软件。传感光纤采用单模紧套光纤与单模松套光纤两种，数据采集设备采用布里渊光时域反射计，得到传感光纤的应变分布和温度分布；利用BOTDR提供的GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信，BOTDR的工作状态既可以通过手工控制，也可以受计算机控制，实现完全自动化的数据采样和处理；得到的数据文件既可以存贮在BOTDR内置的硬盘上，也可以通过BOTDR的通信接口传送至计算机内，由数据分析软件对这些数据文件进行分析和计算。
本发明的特点是：提供了一种利用分布式光纤传感技术实现预制桩贯入过程损伤检测的系统。该系统的第一个优点是可以实现基桩贯入过程中损伤位置、损伤性状与损伤程度的定量评价；第二个优点是由于使用了光纤同时作为传感元件与信号传输通道，不受潮湿、腐蚀性环境影响；第三个优点是可以实现远程、在线、自动检测，可以比较迅速地获得测试基桩的损伤性状。
四、附图说明
图1是测试基桩表面传感光纤布置示意图；
图2是本发明的系统框图；
图3是本发明一个应用实例的测试结果；其中图3(a)基桩纵向应变分布实测结果图3(b)基桩环向应变分布实测结果
五、具体实施方式
下面结合附图和本发明依技术方案所完成的实例，对本发明作进一步的详细描述，本发明不限于这些实例。
本发明是一个预制桩贯入过程损伤分布式光纤检测方法和系统，包括以下实施步骤：
沿待测基桩表面的凹槽分别并行布设两条传感光纤，一条为紧套光纤，另一条为松套光纤，分别对待测基桩外表面的应变和温度进行测量；
使用BOTDR测量传感光纤的应变分布和温度分布，获得待测基桩表面的应变分布。BOTDR仪器本身具有操作面板，因此，仪器的采样过程可以手动控制。另外，仪器本身具有GPIB接口，因此，仪器可以和计算机连接，由计算机对采样过程进行控制；
BOTDR采到的数据可以存储在计算机的内部，也可以通过仪器的网络接口和计算机连接，利用其运算功能对数据进行计算和分析，获得基桩贯入过程中应变的分布，并根据应变分布的异常规律对基桩出现的损伤位置、损伤性状与损伤程度作出定量评价。
本发明的传感光纤有两路，一路为紧套光纤，用于测量测斜管的应变。但由于光纤同时对温度变化也敏感，因此，需要同时布设温度传感线路。这里，采用松套光纤作为温度传感线路。通过在光纤的一端注入脉冲光，光纤上各个点均会发生布里渊散射，其中一部分散射光沿光纤原路返回至入射端，进入光探测器，转换为电信号后，经过放大、滤波等一系列的信号处理，得到光纤上采样点处的布里渊散射光频移，由频移与光纤应变之间的线性关系，获得光纤的应变分布。上述过程由BOTDR完成，计算机通过GPIB接口向BOTDR发送控制指令，获取仪器的工作状态，得到的数据文件由网络接口导入计算机，由计算机程序对这些数据进行计算和分析，可以获得基桩表面应变分布，并根据其异常规律对基桩出现的损伤位置、损伤性状与损伤程度作出定量评价。
上述分布式光纤传感系统，光纤作为传感器使用，同时也作为信号传输媒介。
上述分布式光纤传感系统，背向散射光检测模块是一台BOTDR(BrillouinOptical Time Domain Reflectometer布里渊光时域反射计)，获得光纤上各个采样点的布里渊散射光频移，利用BOTDR提供的GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信和数据交换。上述分布式光纤传感系统，由计算机软件自动对获得的数据进行计算和分析，可以获得基桩表面应变分布，并根据其异常规律对基桩出现的损伤位置、损伤性状与损伤程度作出定量评价。
上述分布式光纤传感系统，传感光纤的直径为0.9mm的单模光纤，以紧套光纤作为应变传感器，以松套光纤作为温度补偿传感器。
参见图1，图1是本发明一实施例：AB型混凝土管桩表面的布纤方式。测试中将A桩作为下桩首先贯入。因此预先在其表面沿轴线方向开设4道细槽，两两互成90°；同时在桩尖距不同的截面位置沿环向开设细槽。A桩表面分别布置2道传感光纤，每道光纤包含2股，其中1股为紧套传感光纤，用于应变测量；另1道为松套传感光纤，用于温度测量。通过对A桩表面传感光纤的测试数据分析，可以获得沿桩身轴向的应变与桩身截面环向应变分布，对其变化异常规律进行分析，就可以对贯入过程中桩身出现的损伤的位置、性状及损伤程度作出定量评价。B桩同样沿轴向开设4道细槽，用于与A桩各道光纤的连接。
参见图2，图2是本发明的系统框图。
参见图3，对图1中AB型混凝土管桩贯入过程中桩尖不同入土深度下的应变实测结果，其中图(a)为桩尖入土深度分别为15m、16m、18m、20m、22m、24m、26m、28m时下桩沿桩身轴向的应变分布；图(b)以上各入土深度时距下桩桩尖分别为1m、2m、3m、4m、5m、6m各截面环向应变分布。
Claims (6)
1、预制桩损伤分布式光纤检测方法，在待测预制基桩表面布设传感光纤，其应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；其特征是以沉桩过程中预制桩桩身应变分布作为反映基桩损伤性状与损伤程度的基本参量，根据沉桩过程中预制桩桩身应变的布里渊频移与应变及温度间的线性相关关系，可得待测基桩表面的应变分布和温度分布，进行温度补偿，可得待测基桩表面的应变分布。
2、根据权利要求1所述的预制桩损伤分布式光纤检测方法，其特征是在待测基桩贯入前，首先根据测试要求确定传感光纤铺设路线，并预先在待测基桩表面刻出一道深约5mm的V字型凹槽，将传感光纤布置在凹槽内预先打底的粘结剂中，并用粘结剂将凹槽填满；传感光纤为并行的两股，其中一股为紧套光纤，被施以既定的预张力，用于待测基桩表面的应变分布测量；另一股为松套光纤，松驰布设，用于应变分布的温度补偿。应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射技术。
3、预制桩损伤分布式光纤检测系统，由分布式光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、计算机和数据分析软件等部分构成，其特征是待测基桩表面构成分布式传感光纤回路；在待测基桩表面布设传感光纤，其中1股为紧套光纤，用于待测基桩表面应变分布测量；另1股为松套光纤，用于温度补偿。其应变量和温度的传感均基于布里渊背向散射，散射光的频移与光纤的应变和温度变化呈很好的线性关系，在脉冲光的入射端，通过对接受到的布里渊背向散射光功率的测量，完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能；根据布里渊频移与应变及温度间的线性相关关系，可得待测基桩表面的应变分布和温度分布，进行温度补偿，可得待测基桩表面的应变分布。布里渊背向散射光数据采集设备通过GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信。
4、由权利要求3所述的预制桩分布式光纤检测系统，其特征是通过对桩身应变变化异常规律进行分析，从而确定基桩在贯入过程中产生的损伤的位置、性状以及程度等定量信息。
5、由权利要求3所述的预制桩分布式光纤检测系统，其特征是预制桩分布式光纤检测系统由分布式光纤传感线路、布里渊背向散射光数据采集设备、计算机和数据分析软件等部分构成；温度传感光纤与应变传感光纤被埋设在桩身表面预先开设的凹槽内；布里渊背向散射光数据采集设备BOTDR通过GPIB通信接口和网络接口实现与计算机的通信和数据交换。
6、由权利要求3所述的土体深部变形分布式光纤测量系统，其特征是上述分布式光纤传感系统，传感光纤为直径为0.9mm的单模光纤，以紧套光纤作为应变传感器，以松套光纤作为温度补偿传感器。
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