分布式光纤传感技术在预制桩基桩内力测试中的应用

Application of distributed optical fiber sensing to testing inner force of prefabricated piles
WEI Guang-qing1，SHI Bin1，JIA Jian-xun2，HU Sheng1，LI Ke1，ZHANG Dan1
关系[9]：
vB
(ε
)
=
vB
(0)
+
dνB (ε dε
)
ε
，
(1)
式中，ε 为应变值，vB (ε ) 为应变是 ε 时布里渊光频移 变化量， vB (0) 为自由状态的布里渊光频移变化量， dν B (ε ) / dε 为比例系数，约0.05 MHz/ µε 。通过测量 光纤中的背向布里渊散射光频率的漂移量，就可获得
Abstract: The distributed optical fiber sensing technique has unique advantages in monitoring and inspecting of linear engineering, such as long distributed sensing and being easy to be fixed in the molded structures. The basic principle of the Brilliouin optical time domain reflectometer (BOTDR) and the technique to fix the sensing optical fiber in prefabricated piles are presented. The formulas for the distortion and internal force of the piles under the distributed strain mode are deduced, and the test results and the origin of the test error are analyzed through practical examples. The research results show that the pile strain distribution tested by the sensing optical fiber, laid in the prefabricated piles by slotting and sticking it with epoxy, can help to obtain the pile axis force, skin friction, end-bearing resistance and pile bearing features. The test error can be eliminated by setting comparative optical fiber, raising position-setting precision, consummating the sensing techniques, filtering wave, and denoising, among others. Key words: prefabricated pile; pile inner force; BOTDR; distributed sensing test
ε3 (z)
=
εa
(z)
−
R
⋅
cos(90o ρ(z)
−θ)
=
εa
(z)
−
R
⋅ sin(θ ρ(z)
)
。
(8)
从式（8）可见测线 3 和测线 1 的弯曲应变呈互余关系，
因此夹角θ 可表示为
θ = arctan(ε3 (z) − εa (z)) ε1(z) − εa (z)
= arctan( 2ε3 (z) − ε1(z) − ε2 (z)) ε1(z) − ε2 (z)
光纤的连续应变值，并通过测试反射光与脉冲光间的
时间差可进行定位。
该技术与传统的应变片及钢筋应力计等点式传感
技术相比，具有连续分布式和长距离检测等突出优点，
不会出现因传感器布设不周而漏检的现象，也不会因
局部异常而影响到ห้องสมุดไป่ตู้体测试结果的解释，特别适用于
类似于基桩的线形工程构件测试和监测。此外该技术
集传感与信号传输于一根普通通讯光纤，简化了检测
─────── 基金项目：国家自然科学基金项目（40702045）；国家教育部重点项目 （01086） 收稿日期：2008–04–03
912
岩土工程学报
2009 年
在灌注桩测试中的应用分析，该技术不仅能对桩身内 力进行测试，还可通过应变分布特征和多组测线间的 应变对桩身的质量进行检测判断，有着许多传统应变 应力计无法比拟的优势[5-6]。南京大学光电传感工程监 测中心针对如何采用分布式光纤技术测试预制桩的内 力，进行了大量现场试验研究，取得了许多成功经验， 部分成果在“灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与 系统”和“预制桩损伤分布式光纤检测方法和系统” 国家发明专利书中有所体现[7-8]。本文对这一方面作比 较详细的介绍，并将展示笔者一些最新的研究成果和 认识。
变形及对轴向应变的正确求解，需通过布设多条测线
来解决此问题。
图 2 桩身应变与弯曲方位关系
Fig. 2 Relationship between pile strain and bending orientation
由图 2 可知，ε (z) 以 εa (z) 为轴上下余弦波动，则
任意对称两条测线的应变测试值 ε1(z) 和 ε2 (z) 也以
(1. Center for Engineering Monitoring with Opto-Electronic Sensing of Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2. Shanxi Electric Power Exploration and Design Institute, Taiyuan 030001, China)
1 布里渊光时域反射计（BOTDR）测试
原理与技术特点
利用反射布里渊光进行传感的BOTDR是一种最 为常用的分布式光纤应变检测技术，当光纤中注入脉
冲激光会发生各种散射现象，其中布里渊散射光的中
心频率与光纤的应变状态相关，该技术就利用该原理
进行传感。当光纤沿轴向发生应变时，光纤中的背向
布里渊散射光频率的漂移量与光纤应变呈良好的线性
给出了基于分布式应变模式下桩身变形和内力的分析方法和计算公式，并结合实例对测试误差来源进行了分析。研究
表明：采用开槽粘贴布纤的铺设工艺，实现了预制桩分布式光纤应变测试，可获得桩身轴力、侧摩阻力及桩端阻力的
分布特征，简化和完善了预制桩的内力测试工作。测试精度可通过设置参比光纤、提高定位精度、完善铺设工艺及滤
第 31 卷 第 6 期 2009 年 ….6 月
岩 土 工程 学报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.31 No.6 June 2009
分布式光纤传感技术在预制桩基桩内力测试中的应用
魏广庆 1，施 斌 1，贾建勋 2，胡 盛 1，李 科 1，张 丹 1
图 1 光纤植入工艺 Fig. 1 Process of embedding optical fiber sensors into piles
第6期
魏广庆，等. 分布式光纤传感技术在预制桩基桩内力测试中的应用
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3 桩身变形及受力分析
3.1 桩身变形分析
当桩身在竖向荷载作用下发生轴向压缩变形，其
εm (z)
=
−
y(z) ρ(z)
=
−
R cos(θ ρ(z)
)
，
(4)
其中，y(z)为测试点到弯曲中性面的距离， ρ(z) 为曲
率半径，R 为管桩外径，θ 为测试点与弯曲方向的夹
角。
ε (z) ， εa (z) 和 εm (z) 随着θ 的变化关系如图 2 所 示，可见，此时仅用单条测线无法判断是否存在弯曲
(1. 南京大学光电传感工程监测中心，江苏 南京 210093；2. 山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)
摘 要：分布式光纤传感技术具有分布式和长距离检测等特点，且传感光纤极易植入到成型工程构件中，在线形工程
构件的监测和检测中具有独特优势。介绍了布里渊光时域反射计（BOTDR）的传感原理及预制桩传感光纤的植入工艺，
2 预制桩传感光纤植入工艺
传感光纤主要采用预先浇注、表面粘贴和开槽埋入 三种方法植入到结构构件中。试验表明，作为预制桩， 特别是 PHC 管桩，制桩工艺复杂，无法将光纤浇注到 其中，仅粘贴在桩表面的光纤极易在桩打入过程中被 周边土石所刮断，采用开槽放入光纤后再用胶的封植 入方法大大提高了传感光纤的成活率。一根预制桩一
εa (z) 为中心对称互补，即
εa
(z)
=
ε1
(z)
+ 2
ε
2
(z)
，
(5)
沿着测线方向的弯曲可表示为
εm
(z)
=
ε1(z)
− 2
ε2
(z)
，
(6)
与弯曲方向共平面两处的应变
ε
(z)
|θ
=0,π
=
ε1(z)
+ 2
ε2
(z)
±
ε1(z) − ε2 (z) 2cos(θ )
。 (7)
若铺设一条与测线 1 方位垂直的测线 3，则
0引 言
基桩内力测试是了解桩土作用规律及荷载传递特 性最为可靠的途径，为了完成此项测试工作，需要在 桩身不同部位埋入应变或应力类传感器件。由于预制 桩一般采用特殊工艺制作而成，预应力管桩还要经过 钢筋预拉、离心旋转及高温养护等工序制作而成，因 此很难将传感器在制作桩时预埋设入桩中。预制桩在 施工过程中，桩与周边土石发生很大的摩擦，粘贴在 桩表面的应变计及其导线很难成活下来[1]。采用事先 内置钢板和管件等特殊方法可使得应变计成活率大幅 提高[2]，但是这些方法需在制作时作特殊处理，而且
波去噪等方法进行提高。 关键词：预制基桩；桩身内力；布里渊光时域反射计；分布式检测
中图分类号：TU473
文献标识码：A
文章编号：1000–4548(2009)06–0911–06
作者简介：魏广庆(1979– )，男，江苏南京人，博士研究生，从事光纤传感技术在岩土工程监测中应用研究。E-mail:
gqwei_nj79@sohu.com。
各种钢板和管件的植入也改变了桩身的完整性和力学 属性，使测试结果不能客观反应桩身内力的实际情况， 因此需要寻求一种新的测试方法来完善和简化预制桩 的内力测试。
分布式光纤传感技术以普通光纤为传感和传输介 质，无需其他外置传感器件，且光纤纤细柔韧，很易 植入到构件体内或外表，并与监测构件变形协调一致， 在众多成型工程构件监测中得到广泛应用[3-4]。通过其
变形量可通过沿着轴向铺设在桩表面的传感光纤进行
测试。设埋深 z 处测得的桩身轴向应变为 εa (z) ，则桩 身 z1-z2 段的压缩变形
∫ ∆H =
z2 z1
ε
a
(
z
)dz
，
(2)
式中，z1，z2 为两界面的埋深，则桩身内任一截面 z
处的竖向位移为桩顶面竖向位移减去其上部桩身的压
缩量
∫ S(z) = S桩头 −
0 z
ε
a
(
z
)dz
，
(3)
当 z 等于桩长 H 时，S(H)即为桩端位移。
预制桩在单桩竖向静荷载试验时，常因荷载偏心
使得桩身在发生压缩变形的同时也伴有弯曲变形，此
时光纤所测的应变 ε (z) 为轴向压应变 εa (z) 与由弯曲
造成的应变 εm (z) 之和，对于规则的圆形管桩在弹性
阶段， εm (z) 可表示为[10]
系统的布设和安装，易在类似于预制桩等一些已成型
的结构构件上表面粘贴和浅表埋入。
般由多节桩组成，且施工过程很快，无法做到边施工 边植入光纤，经多次试验摸索一套先分节植入后在施 工中再对接的方法完成传感光纤埋设，如图 1 所示， 其工序如下：
（1）刻槽布纤 用切割工具在桩身表面沿着设计路线开槽，槽宽 和槽深以能放入光纤为准，光纤放入槽内定点固定。 （2）粘贴和保护 用高强胶剂充填入槽内进行粘贴和表面保护，在 光纤外露的两头采用套管保护后再用缓冲材料包裹固 定。 （3）施工和对接 将已布设好光纤的基桩按先后顺序打入，在桩施 工对接时，待桩焊接完成后将上下桩对应的各条光纤 进行对接并保护，冗余的光纤盘在桩接头处加特殊保 护层后继续打入。 在施工过程中重点对桩接头处和桩头外露的光纤 进行防挤压、防撞击和防电焊火花保护。