一种既有桩墙的光纤植入装置及植入方法

1.本发明属于土木工程领域，涉及一种光纤植入技术，具体涉及一种既有桩墙的光纤植入装置及植入方法，能基于分布式光纤传感技术对既有水平受荷桩墙进行光纤植入，以实现水平受荷桩墙变形监测。


背景技术：

2.我国是一个地质环境极其复杂的国家，铁路、高速公路、煤矿、基坑开挖等工程建设中形成大量边坡工程，为了保证这些工程安全施工和运营，抗滑桩墙是主要的和应用最为广泛的支挡措施；另外，对于一些桥梁桩基，因受风荷载、水压力作用，除了考虑竖向受荷变形，还需考虑桩基在水平荷载作用下的性状。
3.对水平受荷桩墙进行监测，通过监测数据评价其安全性是最为可靠的手段，传统的水平受荷桩墙监测手段主要有桩墙水平静载试验、桩身植入钢筋计、应变片、测斜管、分布式光纤传感器等。其中，桩墙水平静载试验属于原位测试，试验装置复杂，且对桩周环境有一定的要求，如桩周必须有设置反力装置的空间，所以设计等级比较高且有条件的基桩应用较多。植入钢筋计和应变片法需要在基桩施工过程中，需要先将传感器附属于灌注桩钢筋笼上，然后再完成桩墙施工。测斜法对施工中的桩墙及既有桩墙都适用，但是测试时间长，且完成监测需要桩墙上方长期有一定的操作空间。分布式光纤传感技术，光纤既是传感器又是传输线，具有抗干扰能力强、精度高、稳定性好、防水防潮、耐久性长、便于安装、可实现远距离监测、可集成性好等优点，将光纤考虑受力特性植入监测对象中，可以得到沿桩墙不同深度的应变值，通过相关理论分析和转换，可获得桩墙的水平位移、弯矩等参数，一根光纤测试完成只需要几分钟，可获得大量的数据，通过将光纤传感器通过光缆接入光纤采集仪，光纤安装完成后，不需要桩墙上方设置用于监测的空间，不影响上部其它结构的施工。
4.分布式光纤传感器的应用关键是光纤传感器的植入，目前应用比较广泛的光纤植入方法是在桩墙施工过程中，将光纤传感器附属于钢筋笼上，将钢筋笼和光纤同步放入已有桩墙空内，然后灌注混凝土，因此，此种植入方法多用于未施工的工程。当前，随着土建工程大发展以及周边配套工程的推进，大量的新建工程临近既有建筑，如城市地铁的修建、公路的拓宽、开挖基坑对周边基桩的影响以及施工中未及时考虑的工程等，新建工程施工可能会影响既有工程，所以对既有桩墙进行监测是必须要的。基础工程深埋地下，受周边环境的影响产生位移不易发现，只能依靠监测仪器，但是埋入常规的传感器如钢筋计、应变片等是难以实现且难以埋入过多仪器，有效监测点也难以保证，分布式光纤传感即通过一根光纤就可获得大量数据，且光纤体积小，不会产生结构效应，另外，后期监测不会影响结构的正常工作。但是光纤质小、纤细，如何将其完好的植入既有桩墙是其应用过程中需要解决的问题，本发明针提出了一种用于既有水平受荷桩墙内力和位移测试的光纤植入装置及施工方法，该方法能够将光纤较为完好的植入的既有桩墙内且不影响既有桩墙的正常使用，又能实现对既有桩墙的受力变形监测。


技术实现要素：

5.为了实现上述目的，本发明首先提出一种既有桩墙的光纤植入装置及植入方法，利用此装置能便捷、安全的在水平受荷桩墙的既有桩内实现分布式光纤的快速u型布设，避免光纤植入过程中受损。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
7.一种既有桩墙的光纤植入装置，其特征在于；包括辅助套管和安装于辅助套管底部且内部空心的注浆头，所述辅助套管两侧分别设有用于对光纤定位并临时固定的第一凹槽，所述注浆头上设有用于对光纤定位并临时固定的第二凹槽，所述第二凹槽为开放式弧形凹槽，使得光纤露出注浆头表面，其两端分别与两侧的第一凹槽平滑过渡；第二凹槽的弧度半径大于待植入光纤的最小弯折半径，所述第二凹槽两侧的注浆头设有若干注浆孔，注浆头内部空间通过置于辅助套管内的注浆管与注浆装置相连。
8.进一步地，所述第一凹槽为辅助套管轴向贯穿的凹槽。
9.进一步地，所述辅助套管由若干节空心管首尾相连组成，每节空心管两侧分别设有第一凹槽，相邻两节空心管相连时，相同一侧的第一凹槽位于同一条线上，每节空心管上成对设有用于临时固定的临时锚固孔。
10.进一步地，所述注浆头下部分为球面型，所述第二凹槽设置于所述注浆头下部分的球面上，第二凹槽的截面为不大于半圆的圆弧形截面，以便拔管过程中，光纤u型部分能快速与注浆头分离。
11.进一步地，所述辅助套管两侧的第一凹槽对称设置，所述第一凹槽的为内大外小的开放式凹槽，第一凹槽的凹槽开口处宽度小于待植入光纤的直径，防止光纤植入过程中从第一凹槽侧向滑出，导致位置偏移。
12.进一步地，所述第一凹槽的截面为大于半圆的圆弧形截面，即便于在一定直径范围内光纤自由穿过，又能保证光纤不会侧滑出来，导致定位失败。
13.进一步地，所述空心管每端的均设有成对的连接孔，相邻两节空心管之间通过连接件和连接孔相连。
14.进一步地，每节空心管上端设有用于连接定位的缩颈，下端设有与相邻空心管顶部缩颈或者注浆头配合的定位槽。
15.本发明还提供一种既有桩墙的光纤植入方法，采用上述的光纤植入装置，其特征在于，包括如下步骤：
16.步骤1、钻孔，利用钻机设备在既有桩墙的桩上钻孔并完成清孔，钻孔位置避开既有桩的主筋、预埋件和管线的位置；
17.步骤2、下放辅助套管，在辅助套管底部安装注浆头，将注浆头内顶部连接注浆管，将待植入的光纤从辅助套管一侧的第一凹槽穿入，经过注浆头底部的第二凹槽后从辅助套管另一侧的第一凹槽穿出，完成光纤缠绕；利用吊装设备将缠绕有光纤的辅助套管放入钻孔内，直至注浆头到达所植入光纤的设计深度；
18.步骤3、初次注浆，注浆头达到设计深度后，将注浆管的顶部连接注浆装置，开始往钻孔内进行初次注浆，直至浆液顶部到达注浆头下表面并将位于注浆头上的光纤部分包裹；
19.步骤4、再次注浆和拔管，待初次注浆初步凝固后，再次注浆，并同时通过吊装设备
拔出辅助套管，边注浆边拔出辅助套管，直至辅助套管和注浆头脱离钻孔，待钻孔内浆液凝固后完成既有桩墙的光纤植入。
20.进一步地，所述辅助套管由若干节空心管首尾相连组成时，所述步骤2中下放辅助套管的具体方法如下：
21.步骤2.1、准备第一节空心管，取一节空心管，在该空心管底部安装注浆头，将注浆头内顶部连接注浆管，将待植入的光纤从空心管一侧的第一凹槽穿入，经过注浆头底部的第二凹槽后从该空心管另一侧的第一凹槽穿出，完成第一节空心管的光纤缠绕；
22.步骤2.2、利用吊装设备将缠绕有光纤的第一节空心管放入钻孔内；
23.步骤2.3、利用临时锚固孔将第一节空心管临时固定在钻孔的孔口，另取第二节空心管，然后将光纤两端分别从第二节空心管两侧底部的第一凹槽穿入，从顶部穿出，之后通过连接件将第二节空心管底部和第一节空心管顶部相连，形成辅助套管，拆掉第一节空心管上的临时固定后继续下放辅助套管，所述注浆管采用连接加长或者采用伸缩管；
24.步骤2.4、按照步骤2.3中方法继续连接空心管，直至注浆头到达所植入光纤的设计深度，完成辅助套管下放。
25.进一步地，所述辅助套管由若干节空心管首尾相连组成时，所述步骤4中再次注浆和拔管的具体方法如下：
26.在边注浆边拔出辅助套管时，当露出钻孔的辅助套管大于一节空心管时，暂停注浆，将该节空心管下方的空心管通过临时锚固孔固定，拆除最顶部空心管上的吊装设备及临时固定空心管以上的空心管，之后将吊装设备安装在临时锚固的空心管上，拆除该空心管上的临时锚固，然后继续边注浆边拔管，直至注浆头底部脱离钻孔。
27.与现有技术相比，本发明有益效果如下：
28.本发明结构简单，对于植入光纤保护好，可以有效防止植入光纤弯曲过大而失效，并且拔管时，光纤基本上只受到拉应力，因此基本上不会损坏光纤。本发明采用分级拼接空心套管的方式，使得本发明能够适应任意深度的钻孔植入，并且由于是拼接，所以所需操作空间小。
附图说明
29.图1为本发明实施例1中光纤植入装置示意图。
30.图2为本发明实施例2中光纤植入装置示意图。
31.图3为本发明实施例2中单个空心管结构示意图。
32.图4为本发明实施例2中3个空心管拼接成辅助套管过程示意图。
33.图5为本发明实施例中在既有桩上钻孔并完成清孔示意图。
34.图6为本发明实施例中下放辅助套管示意图。
35.图7为本发明实施例中初次注浆示意图。
36.图8为本发明实施例中初次注浆后拔管示意图。
37.图9为8中侧视图。
38.图10为本发明实施例中拔管过程中临时锚固辅助套管示意图。
39.图11为本发明实施例中光纤植入完成示意图。
40.100-辅助套管，110-空心管，111-临时锚固孔，112-连接孔，113-缩颈，114-定位
槽，120-第一凹槽，200-植入光纤，201-u型部分，300-注浆头，301-球型面，302-注浆孔，303-螺孔，304-第二凹槽，400-锚块，500-长螺杆，600-注浆管，700-防渗铺层，800-吊装设备，801-吊绳，802-起吊螺栓，900-既有桩基，901-钻孔，10-钻机底座，11-钻杆，12-钻头，13-初次注浆。
具体实施方式
41.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.实施例1，如图1所示，本发明一种既有桩墙的光纤植入装置，包括辅助套管100和安装于辅助套管100底部且内部空心的注浆头300，所述辅助套管100两侧分别设有用于对光纤定位并临时固定的第一凹槽120，所述注浆头300上设有用于对光纤定位并临时固定的第二凹槽304，所述第二凹槽304为开放式弧形凹槽，第二凹槽304两端分别与两侧的第一凹槽120平滑过渡，使得光纤露出注浆头300表面；第二凹槽304的弧度半径大于待植入光纤200的最小弯折半径，所述第二凹槽304两侧的注浆头300设有若干注浆孔302，注浆头300内部空间通过置于辅助套管100内的注浆管600与注浆装置相连。通过该装置植入光纤200后，光纤形状为由两个第一凹槽120和一个第二凹槽304定型为u型。
45.本实施例中，所述注浆头300下部分优选为球面型，所述第二凹槽304设置于球面上，第二凹槽304的截面为不大于半圆的圆弧形截面，球面型的注浆头300可以保证初次注浆时，浆液与注浆头300接触面最小，便于初次注浆凝固后拔管过程中光纤u型端部与注浆头300快速分离。
46.作为一种优选实施例，所述注浆头300内部中空，第二凹槽304两侧的球面上均布大量注浆孔302，以提高注浆均一性。
47.作为一种优选实施例，所述注浆头300中部与安装位置的辅助套管100内径相同，可以防止浆液进入辅助套管100内；所述注浆头300顶部设有连接口，便于与注浆管600相连，具体可以是螺纹口或者卡口，以实现快速连接和拆卸。
48.作为一种优选实施例，所述第二凹槽304设置于所述注浆头300下部分的球面上，第二凹槽304的截面为不大于半圆的圆弧形截面，既能满足对植入光纤200的u型部分201的定位，又能使得植入光纤200的u型部分201快速脱离注浆头300。
49.进一步优选，第二凹槽304的截面为1/4圆的圆弧形截面，增大了植入光纤的u型部
分201与初次注浆的接触面积，有效防止初次注浆凝固后光纤的u型部分201与注浆头300分离失败。
50.作为一种优选实施例，所述辅助套管100两侧的第一凹槽120对称设置，所述第一凹槽120的为内大外小的开放式凹槽，第一凹槽120的凹槽开口处宽度小于待植入光纤200的直径，可以有效防止光纤侧滑出第一凹槽120，导致光纤定型失败。
51.进一步优选，所述第一凹槽120的截面为大于半圆的圆弧形截面，最优为3/4圆的圆弧形截面，圆弧形的直径大于待植入的光纤，圆弧形的缺口宽度小于待植入光纤200的直径，既满足防止滑出要求，又能在一定范围内是适配不同尺寸的光纤。
52.作为一种具体实施例，辅助套管100可以外管直径可选为80mm，内管直径为60mm，注浆头300下部分的球面直径为60mm，这样注浆头300就能刚好安装在辅助套管100底部内。本发明植入光纤200的弯曲部分为位于注浆头300的u型部分201，u型部分201的弯曲半径取决于注浆头300上第二凹槽304的弯曲半径，基本上取决于注浆头300的球面半径，以g657光纤为例，各种型号里最小弯曲半径中最大值为10mm。本发明注浆头300的直径为60mm，与辅助套管100内管管径一致，也能满足大于光纤弯曲的最小弯曲曲率的要求。
53.利用实施例1中光纤植入装置进行既有桩墙的光纤植入方法如下：
54.步骤1、钻孔，如图5所示，利用钻机设备在既有桩墙的桩上钻孔并完成清孔，钻孔位置避开既有桩的主筋、预埋件和管线的位置；
55.步骤2、如图6所示，下放辅助套管100(实施例1和2都可以用图6示意图表示)，在辅助套管100底部安装注浆头300，将注浆头300内顶部连接注浆管600，将待植入的光纤从辅助套管100一侧的第一凹槽120穿入，经过注浆头300底部的第二凹槽304后从辅助套管100另一侧的第一凹槽120穿出，完成光纤缠绕；利用吊装设备800将缠绕有光纤的辅助套管100放入钻孔内，直至注浆头300到达所植入光纤200的设计深度；
56.步骤3、初次注浆，如图7所示，注浆头300达到设计深度后，将注浆管600的顶部连接注浆装置，开始往钻孔内进行初次注浆，直至浆液顶部到达注浆头300下表面并将位于注浆头300上的光纤部分包裹；
57.步骤4、如图8和图9所示，再次注浆和拔管，待初次注浆初步凝固后，再次注浆，并同时通过吊装设备800拔出辅助套管100，边注浆边拔出辅助套管100，直至辅助套管100和注浆头300脱离钻孔，待钻孔内浆液凝固后完成既有桩墙的光纤植入。
58.如图11所示，光纤植入完成后，在桩孔表面设置防渗铺层700，光纤连接信号采集设备或串联其他部分光纤，即可开始对既有桩基900或者桩基组成的桩墙进行监测工作。
59.在上述步骤1的本实施例钻孔过程中，钻机设备安装必须周正稳固，底座保证水平。钻机就位后，使用调平工具对钻机进行调平，膨胀螺栓钻入地面用来固定钻机，确保钻杆垂直度和钻机在钻芯过程中不发生倾斜移位。使用地质钻机对桩进行打孔并清理孔内残渣。钻芯位置选取在结构或构件受力较小的位置，避开主筋、预埋件和管线的位置，并尽量避开其他钢筋。
60.根据钻芯法检测混凝土强度技术规程，规程抗压芯样试件宜使用直径为100mm的芯样，且其直径不宜小于骨料最大粒径的3倍；也可采用小直径芯样，但其直径不应小于70mm且不得小于骨料最大粒径的2倍。本发明钻孔的成孔直径选为100mm。
61.在上述步骤3的初次注浆过程中，可以通过液位传感器确定初次注浆量，也可以通
过计算方法确定初次注浆量，通过计算方法具体如下：
62.起始注入底部浆液阶段，浆液流速为v，注浆管600平均半径r，即平均截面积s＝πr2，辅助套管100的总长度为h，注浆头300底部露出辅助套管100的长度为h1，桩基钻孔总深度为h，下放完成后注浆头300，注浆头300与孔底距离为h2，辅助套管100顶部距离钻孔孔口距离为h0(当辅助套管100顶部比钻孔孔口高时h0取负值)，有h2＝h-h-h0，注浆头300以下的钻孔体积为v＝πr2h2。即当注浆管600的注浆量为v时完成初次注浆，初次注浆初步凝固后可以进行拔管操作。在t时间内注浆管600的注浆量为q＝vst，令v＝q得即在t时间后完成初次注浆。
63.作为一种优选实施例，为了使得初次注浆能够快速凝固达到能实现光纤的u型部分201与注浆头300分离的目的，可以在初次注浆时加入早强剂，使得初次注浆的浆液能快速凝固，达到能够咬合包裹的光纤，实现植入关系u型部分201与注浆头300快速分离。
64.作为一种优选实施例，为了初次注浆凝固后快速分离光纤的u型部分201与注浆头300，可以将注浆头300材质设置为与浆料结合差的材料，比如塑料，或者载注浆头300表面涂覆类似脱模剂的涂层，也可以包覆塑料膜，一遍快速分离；当注浆头300通过材料选择或者增加涂层的方式使得其与浆料结合力比较差时，初次注浆量可以适当增大，使得初次注浆凝固后可以完全包裹注浆头露出辅助套管的部分，这样能最大程度的对光纤的u型部分进行定型，防止分离时拉坏光纤；当注浆头的材质选择与光纤分离不是特别容易时，初次注浆的注浆量只能达到注浆头下表面，拔管分离时需要慢，以保证光纤的完整性，但是无论哪种技术都不影响本发明技术方案实施，但是采用技术手段使得注浆头与浆料结合力差时，能够明显提升光纤植入速度。
65.实施例2，如图2至图4所示，本实施例其他部分与实施例1相同，区别在于本实施例的辅助套管100由若干节空心管110首尾相连组成，每节空心管110两侧分别设有第一凹槽120，相邻两节空心管110相连时，相同一侧的第一凹槽120位于同一条线上，每节空心管110上成对设有用于临时固定的临时锚固孔111。这样使用时，可根据钻孔深度进行拼接，以改变辅助套管100的长度，通过拼接的方式减少吊装所需空间和降低注浆操作难度。
66.作为实施例2的一种优选实施例，所述空心管110每端的均设有成对的连接孔112，所述连接孔112为连接螺孔，相邻两节空心管110之间通过连接件和连接孔112相连。进一步优选，所述连接件为连接螺栓，便于空心管110之间的拆卸。
67.作为实施例2的一种优选实施例，如图3和图4所示，每节空心管110上端设有用于连接定位的缩颈113，下端设有与相邻空心管110顶部缩颈113或者注浆头300配合的定位槽114，所述定位槽114可以为空心管110底部内径扩径后形成，所述注浆头300安装在最底部那节空心管110的定位槽114内，注浆头300上设有用于安装的螺孔303，并可以通过螺栓穿过已有的连接孔112后拧紧在螺孔303内固定安装。
68.作为实施例2的一种优选实施例，所述临时锚固孔111设置在空心管110中部或者上部，防止临时锚固和吊装设备800相互干扰。
69.利用实施例2中光纤植入装置进行既有桩墙的光纤植入方法和实施例1中光纤植入装置植入方法大部分相同，区别如下：
70.所述步骤2中，辅助套管100在下放的过程中拼接，具体方法如下：
71.步骤2.1、准备第一节空心管，取一节空心管，在该空心管底部安装注浆头300，将注浆头300内顶部连接注浆管600，将待植入的光纤从空心管一侧的第一凹槽120穿入，经过注浆头300底部的第二凹槽304后从该空心管另一侧的第一凹槽120穿出，完成第一节空心管110的光纤缠绕；
72.步骤2.2、利用吊装设备800将缠绕有光纤的第一节空心管放入钻孔内；
73.步骤2.3、如图6所示，利用临时锚固孔111将第一节空心管临时固定在钻孔的孔口，另取第二节空心管，然后将光纤两端分别从第二节空心管两侧底部的第一凹槽120穿入，从顶部穿出，之后通过连接件将第二节空心管底部和第一节空心管顶部相连，形成辅助套管100，拆掉第一节空心管上的临时固定后继续下放辅助套管100，所述注浆管600采用连接加长或者采用伸缩管；
74.步骤2.4、按照步骤2.3中方法继续连接空心管110，直至注浆头300到达所植入光纤200的设计深度，完成辅助套管100下放。
75.所述步骤4中，再次注浆和拔管的具体方法如下：
76.在边注浆边拔出辅助套管100时，当露出钻孔的辅助套管100大于一节空心管110时，暂停注浆，将该节空心管110下方的空心管110通过临时锚固孔111固定，拆除最顶部空心管110上的吊装设备800及临时固定空心管110以上的空心管110，之后将吊装设备800安装在临时锚固的空心管110上，拆除该空心管110上的临时锚固，然后继续边注浆边拔管，直至注浆头300底部脱离钻孔。
77.对于本实施例来说，确定初次注浆的注浆量时，辅助套管100的长度为h1＝nh3，n为空心管110的节数，h3为单节空心管110的长度。
78.作为一种具体的实施例，所述注浆头300通过螺栓固定在第一节空心管110底部的连接孔112上。
79.作为一种优选实施例，在下放第一节空心管110之前，在钻孔两侧设置成对的锚块400(可以为水泥锚块或者钢结构锚块)，所述锚块400上预留固定孔，下放第一节空心管110时，空心管110上的临时锚固孔111方位与锚块400上的固定孔对应；步骤2和步骤4中临时固定空心管110时，均通过长螺杆500穿过锚块400上的固定孔和空心管110上的临时锚固孔111将辅助套管100临时固定。
80.作为一种优选实施例，下下放辅助套管100时，可以通过外力或者将光纤绑扎在最顶部空心管110的方式保证光纤贴合在第二凹槽304内，在拔管时，由于拔管力量存在，所以光纤自动保存一定的拉直状态。
81.需要说明的是，无论是实施例1还是实施例2，在初次注浆凝固后拔管时，开始需要小心慢慢拔管，防止拔管过快导致光纤损坏，当拔管高度大于注浆头300向下露出高度时，可以加快拔管速度，此时拔管光纤主要收到竖直方法的拉应力，光纤本身具有一定的抗拉能力，所以可以加快拔管速度，以提高植入速度。
82.需要说明的是，在初次注浆前，可以在注浆头300表面涂覆脱模剂(光纤表面不能涂覆)，这样初次注浆量可以更大点，拔管时，注浆头300与植入光纤200的u型部分201分离更快。
83.需要说明的是，本发明吊装设备800不限，可以采用普通吊装设备800，吊装过程中采用吊钩或者吊绳之间固定在最顶部空心管110上端的连接孔112内，具体固定方式不限，
就可以采用吊钩直接勾住连接孔112，也可以再吊绳端部设置一个横杆，横杆直径小于连接孔112直径，长度大于连接孔112直径，将横杆竖直穿过连接孔112后再横置过来，即可完成快速固定，拆卸过程刚好相反。
84.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。