基于分布式光纖測溫技術的灌注樁完整性檢測

雷文凱，肖衡林

（湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

如何對灌注樁完整性進行全面、快速、高效檢測，并準確評價樁基質量，是樁基工程界一直關注的熱點課題。長期以來，人們對灌注樁完整性檢測進行了深入的研究，提出了許多有效的檢測方法與技術，包括低應變法、聲波透射法、高應變法、取樣、鉆芯法、靜載試驗等，這些目前常用的檢測方法存在設備笨重、效率低、費用高、誤差較大、易漏檢錯判、檢測條件嚴格、易受干擾、不能定量判斷、檢測周期長、無法檢測和評價樁身混凝土保護層等問題［1］，且不能在線與長期監測，難以滿足當今工程建設與維護的需要，開拓發展新技術、新方法與新設備是當務之急。

近幾年來，分布式光纖傳感技術因其高精度、抗腐蝕、抗電磁干擾、耐高壓、輕便、無損、能長期在線實時快速分布式檢測等優點被廣泛用于監測結構的健康狀態，在樁基檢測中的應用也有很多實例，但一般集中于監測樁基的應變，通過所測得的應變來反演樁身內力、摩阻力及樁基承載力［2－3］。分布式光纖用于灌注樁不同施工階段的樁身溫度監測方面還處于空白。而事實上，灌注樁的溫度，特別是水化熱過程中樁身的溫度分布情況與其完整性有很大關系［4］。基于此，本文提出基于分布式光纖測溫技術的灌注樁完整性檢測方法。

1 檢測原理

1.1 分布式光纖測溫原理

在分布式光纖測溫系統中，光纖既用來感知信息，也用作傳輸介質，DTS（分布式光纖溫度測量儀）利用激光在光纖中傳播時的后向Raman散射溫度效應，對光纖沿線的溫度場進行實時測量，通過光時域反射技術對拾取點進行精確定位，溫度拾取點密度可按實際要求設置。根據蔡德所等［5］的研究成果，可將分布式光纖測溫原理具體闡述如下。

DTS激光發射裝置向通過特制接頭與其連接的光纖發射一束脈沖光，該脈沖光在傳感光纖中向前傳播（速度略低于真空中的光速），同時向光纖周圍發射散射光，散射光中有一部分沿光纖返回到入射端，入射光和反射光的時間差記為t，散射光發生的位置距入射端的距離

式（1）中：C為光纖中的光速，C＝c／n，c為真空中的光速，n為光纖的折射率。DTS利用該式進行溫度拾取點的定位。

返回入射端的反射光中，有一種稱做Raman散射光。該Raman散射光含有Stokes光和Anti－Stokes光兩種成份。其中Stokes光與溫度無關，而Anti－Stokes光的強度隨溫度變化而發生改變。Anti－Stokes與Stokes的強度之比和溫度之間的關系可用下式表示：

式中：las為 Anti－Stokes光強；ls為Stokes光強；a為溫度相關系數，它是與Stokes光和Anti－Stokes光的波長有關的一個常量；h為普朗克系數；c為真空中的光速；v為拉曼平移量；k為鮑爾次曼常數；T為絕對溫度值。

從式（2）可以看出，Anti－Stokes與Stokes的強度之比僅與溫度T有關，而與光強、入射條件、光纖幾何尺寸及光纖成分無關。因此，根據檢測到的反斯托克斯及斯托克斯后向喇曼散射光強之比值可以實現溫度的測量。即：

值得注意的是，光纖測溫測量的是Raman反射光中Anti－Stokes與Stokes兩種成分之比，與它們各自的絕對值沒有關系，即使光纖老化，沿程的光損失變大，仍不會對測溫精度產生影響。

1.2 灌注樁樁身溫度分布與其完整性間的關系

正常情況下，硅酸鹽水泥水化放熱分為水解、初凝、水化反應加速、水化物緩慢形成、穩定期5個階段，而鉆孔灌注樁由于現場地質情況復雜，容易形成縮徑、孔洞、夾泥、離析、沉渣過厚、斷樁等缺陷，對樁身混凝土的水化過程產生影響。溫度在0～100℃之間時，正常混凝土的導熱系數約為1.28W／（mK），卵石、黃砂、砂土的導熱系數也各不相同。顯然，缺陷體的密度、材質等與正常混凝土有很大不同，熱傳導能力偏低，不管何種樁身缺陷，同正常情況下混凝土相比，在水解、凝結、硬化過程中，樁身釋放的熱量普遍偏少，由于樁身溫度變化不均勻，樁身夾泥等缺陷，甚至沒有熱量釋放出來。高飛等指出：通過對大直徑灌注樁混凝土澆注時所產生水化熱的精確測量，可以實現對樁身完整性檢測的目的，一定程度上彌補現有檢測技術的不足與缺陷［4］，并提出了基于混凝土水化熱的大直徑灌注樁樁身完整性檢測新技術［1］，其研究成果表明：灌注樁缺陷體對熱量的傳導能力普遍較差，可以通過精確測量大直徑灌注樁混凝土水化熱而產生的溫度梯度來判定樁身完整性，并通過現場試驗驗證了該技術的可行性。因此，如果能精確測量出灌注樁混凝土硬化過程中因水化熱而導致的樁身溫度分布情況，就能對樁身結構完整性進行評價。

基于分布式光纖測溫技術的灌注樁完整性檢測方法的原理是：采用DTS，借助埋設在灌注樁中的分布式光纖測量樁身不同時刻的溫度分布情況，得到整個灌注樁在不同時刻的溫度場，由于溫度場和材料的熱力學參數密切相關，熱力學參數可反映材料成分等性質，于是通過反演溫度場，便可得知灌注樁不同部位的材料和結構特性，即樁身的完整性。

2 現場試驗

2.1 試樁概況

現場試驗所選試樁是武漢某測繪院大樓的鉆孔灌注樁，采用泥漿護壁沖擊鉆法進行成孔。試樁各參數見表1。鋼筋籠總長度52m，分6段先后進行吊裝，段與段之間的焊接在吊裝過程中完成。

表1 試樁概況

2.2 分布式光纖的鋪設

經與施工人員的溝通協調，在鋼筋籠吊裝的過程中進行分布式光纖的鋪設（圖1）。光纖既是傳輸媒介，也是傳感媒體，它的成功鋪設對樁體溫度監測起關鍵作用，必須保證光纖暢通無斷點。

圖1 光纖鋪設示意圖

為提高測溫精度并抵抗外界干擾、減小損傷，傳感光纖選用金屬鎧裝線性光纖。將鎧裝光纖沿著鋼筋籠對稱的1＃和7＃兩根主筋進行鋪設，鋪設過程中盡量使光纖保持挺直，每隔50cm左右綁扎一次，綁扎與下籠同時進行，形成U型回路，兩端接上尾纖后，可用DTS進行雙通道測量，起到對比作用。根據場地實際情況，傳感光纖在樁頂每端預留約15 m，方便尾纖接入和現場測量。鋪設過程中要特別注意以下3點：1）鎧裝光纖應沿著主筋的側邊進行鋪設，避免混凝土在澆注時直接沖撞光纖；2）U型回路底部，也就是鋼筋籠最底處，應沿鋪設光纖的主筋和底部加強筋焊兩根弧形鋼筋，使傳感光纖在回路底部平滑過渡；3）施工現場環境非常復雜，尾纖頭部及尾纖與鎧裝光纖的熔接處需進行保護（圖2）。

圖2 現場測試圖

2.3 現場測試及數據處理

試樁澆筑混凝土的時間是7月6號凌晨2點到7點，在樁身混凝土澆注完畢后，將樁頂預留的傳感光纖與尾纖熔接，用金屬波紋管保護好接頭，然后把DTS搬進現場，接入尾纖，測量樁身混凝土中光纖的溫度，如圖2所示。總共進行了五次測量，分別在7月7號下午5點20分、7號晚上9點30分、8號上午9點17分、10號下午5點12分、14號下午6點。

DTS記錄數據的周期設置為1min，每次測量持續時間為5min，獲得5組數據。由于灌注樁樁身材料的級配、顆粒大小以及樁體所處環境等的不同，測得的5組數據有一定程度的波動性，因此，用平均法對數據進行修勻，消除或減輕偶然因素的影響，盡可能真實地反映樁身溫度，即對一次測量的5組數據求算術平均數，把求得的平均值作為該次測量的溫度實測值。測量的同時，對尾纖或樁頂預留的傳感光纖進行局部加熱，便于在分析數據時對傳感光纖進行定位，也就是將DTS上顯示的橫坐標（光纖長度）與灌注樁高程對應起來。通過平均法把不規則的溫度變動修勻，減小了數據因偶然因素影響而產生的波動性，再結合光纖在樁體中的定位情況，即可得出樁身溫度的分布曲線，然后根據溫度分布曲線的特征分析灌注樁的完整性。

2.4 測試結果分析

以樁體頂部高程為零點，深度為橫坐標，溫度為縱坐標，建立每次測量時兩對稱主筋附近樁身溫度與樁體深度的曲線關系（圖3、圖4）。

圖3 1＃主筋附近樁身溫度分布曲線

圖4 7＃主筋附近樁身溫度分布曲線

因樁底溫度過大，圖3、圖4沒有將樁底溫度情況體現出來，須作特別說明。樁底在每次測量時的溫度均超過50℃，前三次測量的樁底溫度甚至超過70℃，而除樁底外，樁身其他部分溫度大多在20～40℃之間。顯然，這種差異是由于灌注樁在澆筑過程中，混凝土中的水泥因重力作用沉積在樁底，并發生劇烈的水化反應，從而導致樁底溫度大大超出樁體其他部分的溫度。這種差異表明樁底上部混凝土存在一定程度的離析。

通過對不同時間測量的溫度曲線進行比較，可以看出，第一次測量的樁身整體溫度最高，其它測量的溫度都比第一次測量小：22h樁身溫度大約為36℃，50h樁身溫度大約為31℃，106h樁身溫度大約為33℃，203h樁身溫度大約為23℃。且隨著測量時間的推移，樁身溫度變化越來越小，慢慢趨于穩定，由于混凝土澆筑后會產生大量水化熱，所以最先測量時樁身溫度最高，慢慢的隨著熱量的傳導，樁身溫度漸漸降低，最后達到與環境溫度相同。

比較同一時間測量所得的樁身溫度分布曲線，發現1＃和7＃主筋附近的樁身溫度基本相同，且溫度曲線的變化趨勢基本一致，這表明樁身在同一深度處的材質和混凝土密實度基本相同，也就是樁體在同一深度處完整性基本相同；比較不同時間的樁身溫度分布曲線，可以直觀地看到，第一次測量時樁身整體溫度最高，隨后每次測量時樁身整體溫度依次變小，且五次測量的樁身溫度分布曲線變化趨勢一致，說明灌注樁澆筑后，隨著時間推移，樁身混凝土在硬化過程中產生的熱量逐漸變少，從而表明樁身不存在夾泥、縮頸兩種缺陷。

分析變化趨勢一致的五條樁身溫度分布曲線，發現5～35m段曲線較平緩，而樁頂至5m段、35 m至樁底段，曲線存在明顯的波動，且樁頂至5m段樁身溫度偏大，35m至樁底段樁身溫度偏小，35 m至樁底段的溫度波動在后兩次測量中更加明顯。說明5～35m段樁身混凝土比較均勻，完整性最好；而其余兩段水化熱不正常：樁頂至5m段，可能是由于作為樁體向空氣中散熱的通道而溫度較高，與其完整性無關；35m至樁底段，樁身結構導熱系數有波動，因混凝土在澆注時有泥漿混入導致樁身存在夾泥缺陷；且35m深附近作為溫度曲線變化趨勢的明顯分界點，可能存在二次澆注面。

3 結論

通過本文研究，得出以下結論。1）DTS能夠對光纖沿線的溫度場進行實時測量，并對溫度拾取點精確定位，可以使用DTS，借助預埋在灌注樁中的傳感光纖測量灌注樁不同時刻的溫度分布情況，且能實現在線長期實時監測的目的。2）與正常混凝土相比，灌注樁缺陷段的密度、材質等有很大不同，熱傳導能力偏低，在水解、凝結、硬化過程中釋放的熱量普遍偏少，樁身溫度變化不均勻。分布式光纖能精確測量出灌注樁混凝土硬化過程中因水化熱而導致的樁身溫度分布情況，進而評價樁身結構完整性。3）鎧裝光纖的成功鋪設對測試起關鍵作用，本文現場試驗中采取的光纖鋪設方案是可行的。4）對DTS一次測量的多組數據取平均值作為該次測量的樁身溫度實測值，可以減輕樁體周邊環境、樁身材料級配等偶然因素的影響。5）從現場試驗結果來看，樁頂至35m段樁身混凝土比較均勻，完整性最好，35m至樁底段樁身混凝土在硬化時產生離析，但五次測量的樁身溫度分布曲線變化趨勢一致，整體溫度突變不大，說明樁身沒有較嚴重的缺陷，整個樁的完整性符合工程要求。6）分布式光纖測溫技術為灌注樁完整性檢測提供了一個新的思路，但本文所得結論只能作為定性判斷，如需定量檢測，還要開展大量的模型與現場試驗。

［1］ 高 飛.基于混凝土水化熱的大直徑灌注樁完整性檢測新技術［J］.巖土工程學報，2011（增刊），33（02）：278－281.

［2］ 樸春德，施 斌，魏廣慶，等.分布式光纖傳感技術在鉆孔灌注樁檢測中的應用［J］.巖土工程學報，2008，30（07）：976－981.

［3］ 唐 堅.傳感光纖技術在鉆孔灌注樁應力測試中的應用［J］.建筑施工，2010，32（09）：930－932.

［4］ 陳建榮，高 飛.現代樁基工程試驗與檢測—新技術·新方法·新設備［M］.上海：上海科學技術出版社，2011.

［5］ 蔡德所，戴會超，蔡順德，等.分布式光纖監測三峽大壩混凝土溫度場試驗研究［J］.水利學報，2003（05）：88－91.