一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统及方法与流程

本发明涉及一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统及方法，属于岩土工程智能检测领域。

背景技术：

岩土工程地基基础工程中，桩基是一种重要的地基基础形式。近年来由于大量的高层建筑的建设需要更深的基坑，需要大量深且大直径的群桩承载。由于桩基深埋于地下土层中，属于隐蔽工程，桩基质量的好坏、有无缺陷，直接决定了其承载力，且不易被检测。桩基缺陷引发的建筑事故危害巨大，在传统桩基检测方法中，如桩身钢筋上预埋应变计等点式测量法，属于不连续测量，准确性低，稳定性差，维护费用高，且容易受干扰，具有很大的局限性。

现有技术提供了一些不同类型光纤传感器检测桩基完整性的专利。如专利号cn1888330设计了一套利用分布式光纤传感器(brillouinopticaltimedomainreflectometry，botdr)取代传统钢筋应力计对灌注桩进行检测的方法与系统。鉴于传感器为分布式的数据采集方式，测得桩身每一点的应变数据，进而根据应变变化异常来探测桩身缺陷的位置及类型。其局限在于该传感技术精度偏低，分辨率仅约1m。

专利号cn105651812a涉及了基于热传导特征检测灌注桩完整性的温度传感器的布置设计，尤其涉及了一种基于digitaltheatersystems(dts)检测灌注桩完整性的系统设计方法。解决了传统检测方法效率低、设备重、体积大、不能远程实时监测等缺点。

基于新型低相干干涉光纤传感技术的检测系统开始出现在结构健康检测专利中，具有精度高，稳定性，分辨距离可以调节等优点。

如专利号cn105783866a提供了一种基于低相干干涉技术的液位沉降监测系统，该系统具有抗电磁干扰强、精度高及测量范围大等特点。

另一种基于低相干干涉技术测量高铁沉降的系统出现在专利cn103968804a中，该系统测量精度极高。但其弱点在于当系统中储液系统受到轻微扰动时，就会导致光的反射方向较大偏差，容易导致测量失败。

专利号cn105806262a涉及了基于低相干干涉技术的位移测量系统，主要应用于地基、挡土墙、边坡等不同开挖结构的测斜检测，具有操作方便且精度高等优点。

桩体内部缺陷如空洞、缩颈等，可能会降低桩体与周围土体之间的摩擦阻力，影响桩体的承载力严重危害其安全性。这些缺陷无法靠肉眼检查，目前检测桩体完整性主要采取典型的无损检测方法如声波反射法、电磁感应法、时域反射法等等，尚未发现基于低相干干涉型光纤传感技术进行桩体质量检测的方法。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供了一种准确性高、稳定性好、减少维护费用、不易受干扰的基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统及方法，解决了传统桩基检测方法的准确性低、稳定性差、维护费用高、且容易受干扰，具有很大局限性的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统，其特征在于，包括低相干干涉仪传感系统和桩体，低相干干涉仪传感系统上设有信号臂，信号臂上设有传感器组件，桩体内设有预留孔和用于测量应变变化量的封装信号臂，封装信号臂和信号臂均设于预留孔内。

优选地，所述的低相干干涉仪传感系统包括宽带光源，宽带光源通过光路连接一个光路耦合器，该光路耦合器接收信号后分为两路，一路连接信号臂，另一路连接另一个光路耦合器，另一个光路耦合器接收信号后分为三路，一路连接末端切平的光纤，第二路通过参考臂连接反光镜，反光镜设于光学移动扫描平台上，第三路连接信号接收处理系统。

优选地，所述的信号臂为一段长度可以根据需要调整的光纤线缆，光纤线缆的两端反射率不同，光纤线缆的拉压变形通过其内部光程变化来反映出应变变化量。

优选地，所述的信号臂包括线缆和传感器组件。

优选地，所述的传感器组件包括低相干干涉型温度传感器与低相干干涉型应变传感器。

优选地，所述的低相干干涉型应变传感器的分辨率可以达到10-6微应变。

优选地，所述的封装信号臂是以pvc材料制成的封装部件。

一种采用基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将挂重固定在信号臂的缆线一端，将传感器组件的低相干干涉型温度传感器与低相干干涉型应变传感器连接到重物上，利用低相干干涉仪扫描低相干干涉型温度传感器与低相干干涉型应变传感器，确保传感器组件信号正常后将传感器组件与缆线在挂重作用下垂直放入到两个竖直的预留孔中；

当挂重达到桩体底部时，首先固定缆线，之后再次确定低相干干涉型温度传感器与低相干干涉型应变传感器的信号是否正常工作，然后对低相干干涉型应变传感器进行预拉，对低相干干涉型温度传感器放松放置在预留孔内；

对两个预留孔进行水泥注浆；

待浆液初凝后，对低相干干涉型温度传感器与低相干干涉型应变传感器进行扫描；

对桩体进行顶部加载试验，并记录加载后得到两个预留孔内低相干干涉型温度传感器与低相干干涉型应变传感器的数据；

结合桩体的两个预留孔的传感器温度补偿后的应变结果进行桩体的平均应变分布计算；

结合桩体顶部荷载作用下桩身应变的分布，并结合桩体模量计算公式，计算桩体的平均模量分布情况；

利用桩体平均模量分布分析桩体的完整性。

优选地，所述的计算桩体的平均模量，具体算法：灌注桩体内相邻两段lci光纤传感器的光程差δx，由低相干干涉仪信号臂上的光纤传感器变形后的光纤光程变化δl(ε)以及相应纤芯的折射率的变化δn(ε)产生，如以下公式所示：

δx＝δnl(ε)+lδn(ε)(1)

式中，ε为应变变形，l为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化δl(ε)和相应纤芯的折射率的变化δn(ε)分别由以下的公式表示：

δl(ε)＝lε(2)

以上公式中，μ为泊松比，p11和p12为光纤的pockel常数。将公式(1)，(2)和(3)合并后可以得到以下计算光程差的公式：

对于标准的单模光纤，各个参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.12，n＝1.46，因此可以得到光程差和应变的关系如下所示：

δx＝1.19lε(5)

即可利用光程差δx计算灌注桩体的相应区域的平均应变；

假设应力σ沿桩体线性分布，则可以根据桩体顶部施加的荷载大小计算出桩体各个部分的应力大小，由公式e＝σ/ε可得桩体的平均模量分布。

本发明基于低相干干涉技术，通过在桩体的预留孔内放置低相干干涉型的传感器来检测桩体完整性，其准确性高、稳定性好、减少维护费用、不易受干扰，使用范围广泛。与现有的技术相比，本发明的灵敏度高(分辨率达到1με)、可识别桩内的微损伤、且光纤传感器适宜于桩体的长期的监测。

附图说明

图1为一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统的示意图；

图2为直径1.8mm的低相干干涉型应变传感器的示意图；

图3为低相干干涉型温度传感器的示意图；

图4为预留孔内部安装低相干干涉型应变传感器的示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明为一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统，如图1-图4所示，其包括低相干干涉仪传感系统和桩体11，低相干干涉仪传感系统上设有信号臂5，信号臂5上设有传感器组件6，桩体11内设有预留孔12和用于测量应变变化量的封装信号臂，封装信号臂和信号臂5均设于预留孔12内。

低相干干涉仪传感系统包括宽带光源1，宽带光源1通过光路3连接一个光路耦合器4，该光路耦合器4接收信号后分为两路，一路连接信号臂5，另一路连接另一个光路耦合器4，另一个光路耦合器4接收信号后分为三路，一路连接末端切平的光纤7，第二路通过参考臂10连接反光镜9，反光镜9设于光学移动扫描平台8上，第三路连接信号接收处理系统2。

信号臂5为一段长度可以根据需要调整的光纤线缆，光纤线缆的两端反射率不同，光纤线缆的拉压变形通过信号臂5内部光程变化来反映出应变变化量；

反射的光信号13从桩体11内反射而出。

两个预留孔12内分别设有信号臂5和封装信号臂，信号臂5和封装信号臂均包括线缆44和传感器组件6，传感器组件6包括低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43，即每个预留孔12都有一个低相干干涉型温度传感器42和一个低相干干涉型应变传感器43。

如图2所示，低相干干涉型应变传感器43包括pvc(polyvinylchloride)外包保护层21以及其内的内部裸光纤22；

如图3所示，低相干干涉型温度传感器42包括pvc外包保护层21，pvc外包保护层21内设有凯夫拉缓冲层32，凯夫拉缓冲层32内设有不锈钢单圈管33，不锈钢单圈管33内为内部裸光纤22。

封装信号臂的是以pvc(polyvinylchloride)材料制成的封装部件，该部件放置于桩体11的内部孔中以测量应变变化量；

桩体11内部预留两个直径5cm竖直的预留孔12，其中放置低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43以及末端挂重45；

低相干干涉型应变传感器43的分辨率可以达到10-6微应变。

桩体11的变形导致传感器组件6内部光程发生变化，通过扫描光程变化测量桩体11平均应变值；

本发明的一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测系统，采用一种基于低相干干涉技术的桩体完整性检测方法进行操作，包括以下步骤：

如图4所示，将2kg的挂重45固定在信号臂5的缆线44一端，同时将传感器组件6的低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43连接到重物45上，利用低相干干涉仪扫描低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43，确保传感器组件6信号正常后将传感器组件6与缆线44在挂重45作用下垂直放入到两个竖直的预留孔12(如图1所示)中；

将挂重45固定在信号臂5的缆线44一端，将传感器组件6的低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43连接到重物45上，利用低相干干涉仪扫描低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43，确保传感器组件6信号正常后将传感器组件6与缆线44在挂重45作用下垂直放入到两个竖直的预留孔12中；

当挂重45达到桩体11底部时，首先固定缆线44，之后再次确定低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43的信号是否正常工作，然后对低相干干涉型应变传感器43进行预拉，对低相干干涉型温度传感器42放松放置在预留孔12内；

对两个预留孔12进行水泥注浆；

待浆液初凝后，对低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43进行扫描；

对桩体11进行顶部加载试验，并记录加载后得到两个预留孔12内低相干干涉型温度传感器42与低相干干涉型应变传感器43的数据；

结合桩体11的两个预留孔12的传感器温度补偿后的应变结果进行桩体11的平均应变分布计算；

结合桩体11顶部荷载作用下桩身应变的分布，并结合桩体11模量计算公式，计算桩体11的平均模量分布情况；

利用桩体11平均模量分布分析桩体11的完整性。

基于低相干干涉仪测得的平均应变计算桩体的平均模量，具体算法：灌注桩内同一条低相干干涉型应变传感器43上相邻两个传感器分段产生的光程差δx与参考臂10上的光纤传感器发生干涉，光程差δx由灌注桩内低相干干涉型温度传感器42的光程变化δl(ε)以及相应纤芯的折射率的变化δn(ε)产生，如以下公式所示：

δx＝δnl(ε)+lδn(ε)(1)

式中，ε为应变变形，l为光纤长度，n为纤芯指数，由应变变形导致的光纤光程变化δl(ε)和相应纤芯的折射率的变化δn(ε)分别由以下的公式表示：

δl(ε)＝lε(2)

以上公式中，μ为泊松比，p11和p12为光纤的pockel常数。将公式(1)，(2)和(3)合并后可以得到以下计算光程差的公式：

对于标准的单模光纤，各个参数分别为p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.12，n＝1.46，因此可以得到光程差和应变的关系如下所示：

δx＝1.19lε(5)

即可利用光程差δx计算灌注桩体11的相应区域的平均应变。

假设应力σ沿桩体11线性分布，则可以根据桩体11顶部施加的荷载大小计算出桩体11各个部分的应力大小，由公式e＝σ/ε可得桩体11的平均模量分布，最后根据计算的桩体11模量与理论模量值进行比较即可得到桩体11的完整性情况。

问：

封装信号臂内是否设有传感器，是什么传感器？

答：信号臂内也是光纤传感器，即与桩内的光纤传感器相同。