分布式光纤传感技术在桩基检测中的应用

尹海松

（中建二局第一建筑工程有限公司）

1 引言

分布式光纤传感技术具有突出优点，在桩基工程检测中体现出良好的适应性，能够满足多方面需求，为分析研究桩土作用规律提供了新的技术手段。现阶段，该技术的应用推广效果一般，需要加强相关人员的技术理解，不断规范检测过程和相关标准，明确操作技术要点，从而推动光纤传感技术在桩基检测中快速发展。

2 分布式光纤传感技术在桩基检测中的应用发展与应用原理

2.1 分布式光纤传感技术在桩基检测中的应用发展

桩基检测一般是对单桩的承载力和桩身的完整性进行检测，对整个桩基工程实施效果进行评定，常用的桩基检测方法有静载荷试验法、钻桩取芯试验法、高应变检测法、低应变检测法、声波透射法等等，每种方法都有一定的检测目的和优缺点，需要根据实际需求结合运用，这些方法更多的是运用在桩基完整性检测上，缺乏桩基内力检测，而且传统点式传感器存在一定的缺陷，无法满足精确性和分布式的要求。分布式光纤传感技术具有分布式、长距离、抗干扰、耐久性强、易植入、协调性好等优点，能够更好地满足桩基检测的需求，通过在桩体内植入感测光缆，能够实现桩身变形应变分布式测量，获得桩体的变形规律和桩土相互作用规律。现阶段，在桩基检测中应用广泛的是基于布里渊散射原理的分布式光纤感测技术，经过一定时间的发展，该技术得到了良好的试验结果和实践论证。

2.2 分布式光纤传感技术在桩基检测中的应用原理

运用基于布里渊散射原理的分布式光纤感测技术，需要将感测光缆植入到桩体内部或者贴在桩体表面，一同贯入地基土体内部，达到二者协调一致变形的目的。在进行桩基静载荷试验时，感测光缆和桩体会产生耦合变形，通过光纤应变测试仪，可以检测到感测光缆的应变分布，实现桩体的应变解调，利用相关理论，建立数学模型，计算出桩身轴力、端阻力、弯矩、侧摩阻力等相关数据，估算出桩体水平承载力、抗压、抗拔，从而进行全面的质量评价。在检测前，首先要进行桩身初值测试，试验过程采用慢速维持荷载法，在每一级荷载下沉量达到稳定标准后，再加下一级荷载，直到试验结束，用每级荷载下测得的变形数据减去初始数据就是桩基的变形值[1]。

3 桩基检测中分布式光纤传感技术应用要点

3.1 检测解调仪器

BOTDR、BOTDA、BOFDA是基于布里渊散射原理的三种分布式光纤感测技术，可以共同用感测光缆作为桩基内力检测传感器，然后分别采用专用的解调仪器进行应变解调，这三种分布式光纤感测技术具有不同的特点，其中，BOTDR具有长距离、大范围、单端检测的特点，但是测量精度相对不高；BOTDA则具有良好的测量精度，但是需要双端检测，这样会增加操作风险，不利于实际工程应用；BOFDA具有空间定位准确、测量精度高、信噪比高、空间分辨率高、动态测试范围大等优点，但是单次测量所需要的时间比较长，信息反馈速度比较慢，在高频变化信息测量上效果不佳，而且光衰减现象严重，容易产生结果不稳定的问题。在实际的桩基检测过程中，需要根据三种技术特点合理选择，保证其适用性，随着技术的不断成熟，可选择的光纤解调设备类型越来越多，技术参数和性能指标差异比较大，需要本着经济适用的原则进行分析取舍。

3.2 感测光缆

感测光缆的植入是桩基分布式光纤检测的核心工作，必须保证感测光缆的布设效果，这是测试能否成功的关键所在。桩基检测中使用的感测光缆是以裸纤为传感元件，通过特定工艺封装而成，桩基种类不同，施工工艺不同，所选择的感测光缆也不同，在选择时，需要从经济、技术等角度出发，保证其适用性。感测光缆的布设需要遵循一定的原则，首先，要明确布设方向，根据桩体变形规律和特点，保证感测光缆与桩体最大的变形协同，其次，要确保变形一致性，合理选择固定方式，保证桩基变形与感测光缆协调一致，最后，提高感测光缆传感性能的稳定性，保证检测工作顺利开展，本文针对几种常见桩基类型展开探讨，分析其具体的感测光缆选择和布设工艺[2]。

3.2.1 灌注桩感测光缆选择和布设

3.2.1.1 感测光缆选择

应用分布式光纤传感技术进行灌注桩质量检测时，通常选择900微米光缆、钢绞线光缆、GFRP光缆作为感测光缆。其中，900μm光缆需要贴到被测结构的表面，随着钢筋笼一起浇筑成型，通常采用全面粘贴的植入方式，这种光缆现场安装方便，应变测试敏感度高，由于纤芯微小，存在断裂风险，因此需要采取加强保护措施。钢绞线光缆和GFRP光缆是通过绑扎的方式进行固定的，在钢筋笼浇筑成型后，植入桩体内部，钢绞线光缆是金属基索状结构，带有高强度金属加强件，能够有效提升感测光缆抗拉强度，而且由于表面结构是螺纹状，能够与混凝土变形保持更好的一致性，GFRP光缆采用了玻璃纤维作为加强件保护，可以有效应对施工过程中可能产生的破坏，而且整体弹性模量与混凝土相当，具有较好的应变传递性能，能够获得良好的测试效果。

3.2.1.2 感测光缆布设

根据灌注桩的施工流程，感测光缆的布设需要依托成型钢筋笼进行安装，常用的铺设方式有定点布设和全面粘贴布设两种。定点布设适用于钢绞线光缆和GFRP光缆，选择两根对称主筋作为布设路线，从下而上呈U字型铺设，定点绑扎间隔距离约为50cm～80cm，首先，将感测光缆固定在第一节钢筋笼上，做好底部过弯处理，并将冗余的光缆固定在第一节钢筋笼的头部，同时做好相应的保护，避免受到破坏。其次，钢筋笼接合完毕后，需要用预留的长绳把底部光缆拉到钢筋笼顶部，并一段一段下放钢筋笼，沿着侧面将感测光缆绑扎固定好。最后，对感测光缆桩头处加强保护，防止后期施工作业和试验过程造成损坏。全面粘贴布设主要用于900μm光缆，首先要在钢筋上刻槽，用粘结剂将光缆粘贴牢固，封装在钢筋中，然后再一同绑扎在钢筋笼侧壁上，这样能够提升感测光缆的成活率[3]。

3.2.2 预制桩感测光缆选择和布设

3.2.2.1 感测光缆选择

混凝土预制桩主要包括方桩和管桩两种，通常情况下，需要在桩体表面切割成槽，然后将感测光缆埋置到槽内，最后用结构胶灌满固定，一般采用900μm光缆和2mm聚氨酯光缆作为预制桩的感测光缆。其中，前者的应变敏感性更好，所以应用更多。对于预制管桩，也可以将布设有感测光缆的钢筋架放在中心空洞，然后回填水泥浆，这种方式可以增加管桩的恢复周期，但后期灌入的水泥与管桩本身的变形耦合会产生问题，通常不采用这种方法。

3.2.2.2 感测光缆布设

根据预制桩的施工特点，常用的感测光缆布设方法包括表面浅埋法和管内植入法。表面浅埋法是在预制桩生产完成后、沉桩前在桩身开槽埋设感测光缆，主要施工流程包括定线、开槽、清槽、埋线铺设、补铺、保护，保证感测光缆的铺设方向能够与桩身轴向受力方向保持一致，用墨斗划线定位，然后用切割机沿着标识路线进行切割，切成一道深约5mm的U字形凹槽，做好局部的弯曲过度，防止弯度太小影响光缆测试效果。切割过程中会产生大量的泥水，影响粘贴效果，需要及时进行清洗，并对局部进行修整，避免棱角卡断光纤。埋线时，需要在底部光纤套入加强铠装护套，起到加强保护的作用，使用快干胶定点固定底部光纤，然后沿着凹槽埋入光缆，最后通过胶粘剂粘贴固定，等到铺设完毕以后，检查是否存在外露的情况，及时进行补铺，针对桩头和桩身连接处，应该通过玻璃丝布和软管进行保护，这样能够防止在打桩和搬运过程中造成破坏。管内植入法主要针对预制管桩感测光缆布设，这种情况既可以使用900μm光缆，也可以使用GFRP光缆和钢绞线光缆，首先，根据管桩内径的大小制作梯型钢筋架，用来固定感测光缆；然后，对感测光缆进行固定和保护；最后，将封装好的感测光缆钢筋架送入管桩内，并进行光纤出线保护，回灌混凝土浇筑[4]。

3.2.3 钢管桩感测光缆选择和布设

3.2.3.1 感测光缆选择

钢管桩属于钢结构体，很难像混凝土预制桩一样扩槽埋入感测光缆，因此，选择何种光缆、如何保证成活率一直都是钢管桩检测的难点，在不断实践的过程中，有一种适用于钢结构体分布式检测的铜带式光缆得以开发应用。首先，将钢结构体表面打磨光滑，然后，点焊固定铜带光缆，最后，进行封装保护。铜带式光缆是钢管桩的专用感测光缆，能够在施工过程中抵抗不利的外界条件，而且富有弹性，柔韧性强，不容易折断和搅乱，有利于铺设施工的快速进行。另外，金属铜带多孔镂空，模量较小，可以与钢管桩变形保持高度一致，对于一些直径较小的钢管桩检测，也可以通过点焊钢筋、粘贴光缆的方式实现光缆植入检测。

3.2.3.2 感测光缆布设

由于钢管桩和普通光缆表面材质不同，很难实现有效的粘贴固定，在打桩震动作用下，会导致光缆脱落，钢管桩感测光缆布设方法可根据直径进行划分，通常，直径大于1.2m的钢管桩可以安装铜带式光缆，小于1.2m的钢管桩则需要在桩体表面进行点焊辅助。大直径钢管桩杆侧光缆布设工艺流程包括定线、打磨清理、铺线点焊、全面粘贴、隔离保护等，在钢管桩内划出预设的路线，保证线路笔直，方向与钢管桩轴向一致，沿着标识打磨出一条宽约三厘米的光滑线路，并进行清洗除尘，使用点焊机将铜带式光缆分段固定在桩体表面，然后沿着铺设线路涂刷环氧树脂胶，全面进行粘贴固定，在粘结剂发生显著作用后，应该在表面做一层隔离保护，防止后续工作损坏光缆，在钢管桩底部两侧焊接一段6m以上的槽钢，这样能防止桩土间因摩擦力过大导致感测光缆脱落。小直径钢管桩感测光缆布设工艺流程包括定线、打磨、钢筋点焊、铺设、接桩部位光缆保护、桩头部位光纤引线保护，需要严格按照技术要点进行操作，才能保证最终的布设效果[5]。

4 结语

综上所述，本文首先介绍了分布式光纤传感技术在桩基检测中的发展与应用原理，然后从检测调制仪器和感测光缆两个方面出发，研究了桩基检测中分布式光纤传感技术的应用要点。希望充分认识分布式光纤传感检测技术的发展前景，根据不同工程特点和桩基类型，选择合适的仪器设备，提高光缆铺设效果，保证桩基检测的全面性和准确性。