本發(fā)明涉及一種基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)及方法，屬于巖土工程智能檢測領域。

背景技術：

巖土工程地基基礎工程中，樁基是一種重要的地基基礎形式。近年來由于大量的高層建筑的建設需要更深的基坑，需要大量深且大直徑的群樁承載。由于樁基深埋于地下土層中，屬于隱蔽工程，樁基質(zhì)量的好壞、有無缺陷，直接決定了其承載力，且不易被檢測。樁基缺陷引發(fā)的建筑事故危害巨大，在傳統(tǒng)樁基檢測方法中，如樁身鋼筋上預埋應變計等點式測量法，屬于不連續(xù)測量，準確性低，穩(wěn)定性差，維護費用高，且容易受干擾，具有很大的局限性。

現(xiàn)有技術提供了一些不同類型光纖傳感器檢測樁基完整性的專利。如專利號cn1888330設計了一套利用分布式光纖傳感器(brillouinopticaltimedomainreflectometry，botdr)取代傳統(tǒng)鋼筋應力計對灌注樁進行檢測的方法與系統(tǒng)。鑒于傳感器為分布式的數(shù)據(jù)采集方式，測得樁身每一點的應變數(shù)據(jù)，進而根據(jù)應變變化異常來探測樁身缺陷的位置及類型。其局限在于該傳感技術精度偏低，分辨率僅約1m。

專利號cn105651812a涉及了基于熱傳導特征檢測灌注樁完整性的溫度傳感器的布置設計，尤其涉及了一種基于digitaltheatersystems(dts)檢測灌注樁完整性的系統(tǒng)設計方法。解決了傳統(tǒng)檢測方法效率低、設備重、體積大、不能遠程實時監(jiān)測等缺點。

基于新型低相干干涉光纖傳感技術的檢測系統(tǒng)開始出現(xiàn)在結構健康檢測專利中，具有精度高，穩(wěn)定性，分辨距離可以調(diào)節(jié)等優(yōu)點。

如專利號cn105783866a提供了一種基于低相干干涉技術的液位沉降監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有抗電磁干擾強、精度高及測量范圍大等特點。

另一種基于低相干干涉技術測量高鐵沉降的系統(tǒng)出現(xiàn)在專利cn103968804a中，該系統(tǒng)測量精度極高。但其弱點在于當系統(tǒng)中儲液系統(tǒng)受到輕微擾動時，就會導致光的反射方向較大偏差，容易導致測量失敗。

專利號cn105806262a涉及了基于低相干干涉技術的位移測量系統(tǒng)，主要應用于地基、擋土墻、邊坡等不同開挖結構的測斜檢測，具有操作方便且精度高等優(yōu)點。

樁體內(nèi)部缺陷如空洞、縮頸等，可能會降低樁體與周圍土體之間的摩擦阻力，影響樁體的承載力嚴重危害其安全性。這些缺陷無法靠肉眼檢查，目前檢測樁體完整性主要采取典型的無損檢測方法如聲波反射法、電磁感應法、時域反射法等等，尚未發(fā)現(xiàn)基于低相干干涉型光纖傳感技術進行樁體質(zhì)量檢測的方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供了一種準確性高、穩(wěn)定性好、減少維護費用、不易受干擾的基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)及方法，解決了傳統(tǒng)樁基檢測方法的準確性低、穩(wěn)定性差、維護費用高、且容易受干擾，具有很大局限性的問題。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案是提供了一種基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括低相干干涉儀傳感系統(tǒng)和樁體，低相干干涉儀傳感系統(tǒng)上設有信號臂，信號臂上設有傳感器組件，樁體內(nèi)設有預留孔和用于測量應變變化量的封裝信號臂，封裝信號臂和信號臂均設于預留孔內(nèi)。

優(yōu)選地，所述的低相干干涉儀傳感系統(tǒng)包括寬帶光源，寬帶光源通過光路連接一個光路耦合器，該光路耦合器接收信號后分為兩路，一路連接信號臂，另一路連接另一個光路耦合器，另一個光路耦合器接收信號后分為三路，一路連接末端切平的光纖，第二路通過參考臂連接反光鏡，反光鏡設于光學移動掃描平臺上，第三路連接信號接收處理系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述的信號臂為一段長度可以根據(jù)需要調(diào)整的光纖線纜，光纖線纜的兩端反射率不同，光纖線纜的拉壓變形通過其內(nèi)部光程變化來反映出應變變化量。

優(yōu)選地，所述的信號臂包括線纜和傳感器組件。

優(yōu)選地，所述的傳感器組件包括低相干干涉型溫度傳感器與低相干干涉型應變傳感器。

優(yōu)選地，所述的低相干干涉型應變傳感器的分辨率可以達到10-6微應變。

優(yōu)選地，所述的封裝信號臂是以pvc材料制成的封裝部件。

一種采用基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征在于，包括以下步驟：

將掛重固定在信號臂的纜線一端，將傳感器組件的低相干干涉型溫度傳感器與低相干干涉型應變傳感器連接到重物上，利用低相干干涉儀掃描低相干干涉型溫度傳感器與低相干干涉型應變傳感器，確保傳感器組件信號正常后將傳感器組件與纜線在掛重作用下垂直放入到兩個豎直的預留孔中；

當掛重達到樁體底部時，首先固定纜線，之后再次確定低相干干涉型溫度傳感器與低相干干涉型應變傳感器的信號是否正常工作，然后對低相干干涉型應變傳感器進行預拉，對低相干干涉型溫度傳感器放松放置在預留孔內(nèi)；

對兩個預留孔進行水泥注漿；

待漿液初凝后，對低相干干涉型溫度傳感器與低相干干涉型應變傳感器進行掃描；

對樁體進行頂部加載試驗，并記錄加載后得到兩個預留孔內(nèi)低相干干涉型溫度傳感器與低相干干涉型應變傳感器的數(shù)據(jù)；

結合樁體的兩個預留孔的傳感器溫度補償后的應變結果進行樁體的平均應變分布計算；

結合樁體頂部荷載作用下樁身應變的分布，并結合樁體模量計算公式，計算樁體的平均模量分布情況；

利用樁體平均模量分布分析樁體的完整性。

優(yōu)選地，所述的計算樁體的平均模量，具體算法：灌注樁體內(nèi)相鄰兩段lci光纖傳感器的光程差δx，由低相干干涉儀信號臂上的光纖傳感器變形后的光纖光程變化δl(ε)以及相應纖芯的折射率的變化δn(ε)產(chǎn)生，如以下公式所示：

δx＝δnl(ε)+lδn(ε)(1)

式中，ε為應變變形，l為光纖長度，n為纖芯指數(shù)，由應變變形導致的光纖光程變化δl(ε)和相應纖芯的折射率的變化δn(ε)分別由以下的公式表示：

δl(ε)＝lε(2)

以上公式中，μ為泊松比，p11和p12為光纖的pockel常數(shù)。將公式(1)，(2)和(3)合并后可以得到以下計算光程差的公式：

對于標準的單模光纖，各個參數(shù)分別為p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.12，n＝1.46，因此可以得到光程差和應變的關系如下所示：

δx＝1.19lε(5)

即可利用光程差δx計算灌注樁體的相應區(qū)域的平均應變；

假設應力σ沿樁體線性分布，則可以根據(jù)樁體頂部施加的荷載大小計算出樁體各個部分的應力大小，由公式e＝σ/ε可得樁體的平均模量分布。

本發(fā)明基于低相干干涉技術，通過在樁體的預留孔內(nèi)放置低相干干涉型的傳感器來檢測樁體完整性，其準確性高、穩(wěn)定性好、減少維護費用、不易受干擾，使用范圍廣泛。與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明的靈敏度高(分辨率達到1με)、可識別樁內(nèi)的微損傷、且光纖傳感器適宜于樁體的長期的監(jiān)測。

附圖說明

圖1為一種基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)的示意圖；

圖2為直徑1.8mm的低相干干涉型應變傳感器的示意圖；

圖3為低相干干涉型溫度傳感器的示意圖；

圖4為預留孔內(nèi)部安裝低相干干涉型應變傳感器的示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

本發(fā)明為一種基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)，如圖1-圖4所示，其包括低相干干涉儀傳感系統(tǒng)和樁體11，低相干干涉儀傳感系統(tǒng)上設有信號臂5，信號臂5上設有傳感器組件6，樁體11內(nèi)設有預留孔12和用于測量應變變化量的封裝信號臂，封裝信號臂和信號臂5均設于預留孔12內(nèi)。

低相干干涉儀傳感系統(tǒng)包括寬帶光源1，寬帶光源1通過光路3連接一個光路耦合器4，該光路耦合器4接收信號后分為兩路，一路連接信號臂5，另一路連接另一個光路耦合器4，另一個光路耦合器4接收信號后分為三路，一路連接末端切平的光纖7，第二路通過參考臂10連接反光鏡9，反光鏡9設于光學移動掃描平臺8上，第三路連接信號接收處理系統(tǒng)2。

信號臂5為一段長度可以根據(jù)需要調(diào)整的光纖線纜，光纖線纜的兩端反射率不同，光纖線纜的拉壓變形通過信號臂5內(nèi)部光程變化來反映出應變變化量；

反射的光信號13從樁體11內(nèi)反射而出。

兩個預留孔12內(nèi)分別設有信號臂5和封裝信號臂，信號臂5和封裝信號臂均包括線纜44和傳感器組件6，傳感器組件6包括低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43，即每個預留孔12都有一個低相干干涉型溫度傳感器42和一個低相干干涉型應變傳感器43。

如圖2所示，低相干干涉型應變傳感器43包括pvc(polyvinylchloride)外包保護層21以及其內(nèi)的內(nèi)部裸光纖22；

如圖3所示，低相干干涉型溫度傳感器42包括pvc外包保護層21，pvc外包保護層21內(nèi)設有凱夫拉緩沖層32，凱夫拉緩沖層32內(nèi)設有不銹鋼單圈管33，不銹鋼單圈管33內(nèi)為內(nèi)部裸光纖22。

封裝信號臂的是以pvc(polyvinylchloride)材料制成的封裝部件，該部件放置于樁體11的內(nèi)部孔中以測量應變變化量；

樁體11內(nèi)部預留兩個直徑5cm豎直的預留孔12，其中放置低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43以及末端掛重45；

低相干干涉型應變傳感器43的分辨率可以達到10-6微應變。

樁體11的變形導致傳感器組件6內(nèi)部光程發(fā)生變化，通過掃描光程變化測量樁體11平均應變值；

本發(fā)明的一種基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測系統(tǒng)，采用一種基于低相干干涉技術的樁體完整性檢測方法進行操作，包括以下步驟：

如圖4所示，將2kg的掛重45固定在信號臂5的纜線44一端，同時將傳感器組件6的低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43連接到重物45上，利用低相干干涉儀掃描低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43，確保傳感器組件6信號正常后將傳感器組件6與纜線44在掛重45作用下垂直放入到兩個豎直的預留孔12(如圖1所示)中；

將掛重45固定在信號臂5的纜線44一端，將傳感器組件6的低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43連接到重物45上，利用低相干干涉儀掃描低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43，確保傳感器組件6信號正常后將傳感器組件6與纜線44在掛重45作用下垂直放入到兩個豎直的預留孔12中；

當掛重45達到樁體11底部時，首先固定纜線44，之后再次確定低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43的信號是否正常工作，然后對低相干干涉型應變傳感器43進行預拉，對低相干干涉型溫度傳感器42放松放置在預留孔12內(nèi)；

對兩個預留孔12進行水泥注漿；

待漿液初凝后，對低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43進行掃描；

對樁體11進行頂部加載試驗，并記錄加載后得到兩個預留孔12內(nèi)低相干干涉型溫度傳感器42與低相干干涉型應變傳感器43的數(shù)據(jù)；

結合樁體11的兩個預留孔12的傳感器溫度補償后的應變結果進行樁體11的平均應變分布計算；

結合樁體11頂部荷載作用下樁身應變的分布，并結合樁體11模量計算公式，計算樁體11的平均模量分布情況；

利用樁體11平均模量分布分析樁體11的完整性。

基于低相干干涉儀測得的平均應變計算樁體的平均模量，具體算法：灌注樁內(nèi)同一條低相干干涉型應變傳感器43上相鄰兩個傳感器分段產(chǎn)生的光程差δx與參考臂10上的光纖傳感器發(fā)生干涉，光程差δx由灌注樁內(nèi)低相干干涉型溫度傳感器42的光程變化δl(ε)以及相應纖芯的折射率的變化δn(ε)產(chǎn)生，如以下公式所示：

δx＝δnl(ε)+lδn(ε)(1)

式中，ε為應變變形，l為光纖長度，n為纖芯指數(shù)，由應變變形導致的光纖光程變化δl(ε)和相應纖芯的折射率的變化δn(ε)分別由以下的公式表示：

δl(ε)＝lε(2)

以上公式中，μ為泊松比，p11和p12為光纖的pockel常數(shù)。將公式(1)，(2)和(3)合并后可以得到以下計算光程差的公式：

對于標準的單模光纖，各個參數(shù)分別為p11＝0.12，p12＝0.27，μ＝0.12，n＝1.46，因此可以得到光程差和應變的關系如下所示：

δx＝1.19lε(5)

即可利用光程差δx計算灌注樁體11的相應區(qū)域的平均應變。

假設應力σ沿樁體11線性分布，則可以根據(jù)樁體11頂部施加的荷載大小計算出樁體11各個部分的應力大小，由公式e＝σ/ε可得樁體11的平均模量分布，最后根據(jù)計算的樁體11模量與理論模量值進行比較即可得到樁體11的完整性情況。

問：

封裝信號臂內(nèi)是否設有傳感器，是什么傳感器？

答：信號臂內(nèi)也是光纖傳感器，即與樁內(nèi)的光纖傳感器相同。