《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》是南京大學於2006年7月25日申請的專利，該專利的申請號為2006100860836，公布號為CN1888330，授權公布日為2007年1月3日，發明人是施斌、張巍、王寶軍、劉傑、王小明、索文斌、魏廣慶、朴春德、劉春、隋海波、張丹、朱友群、胡盛、李科。
灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是利用光纖對應變的感測特性，將光纖植入灌注樁內，當混凝土凝固或受到外界荷載時將會和其周邊混凝土發生同步變形，其發生的應變大小是樁身混凝土的應變值，此感測技術為分散式數據採集，即可得到樁身每一點的應變數據，根據應變結合樁身混凝土彈性模量和樁身面積即可推算出樁身軸力分布，軸力的變化速率就反算出側摩阻力和樁端阻力。該次發明為一套利用分散式光纖感測器取代傳統的鋼筋應力計等在靜載試驗過程中對灌注樁進行檢測的方法與分析系統。
2016年12月7日，《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統
- 公布號：CN1888330
- 授權日：2007年1月3日
- 申請號：2006100860836
- 申請日：2006年7月25日
- 申請人：南京大學
- 地址：江蘇省南京市漢口路22號
- 發明人：施斌、張巍、王寶軍、劉傑、王小明、索文斌、魏廣慶、朴春德、劉春、隋海波、張丹、朱友群、胡盛、李科
- Int.Cl.：E02D33/00(2006.01)；G01D5/353(2006.01)
- 代理機構：南京天翼專利代理有限責任公司
- 代理人：湯志武、王鵬翔
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
灌注樁是一種能滿足各種地層承載要求的樁基礎類型，其承載特性及與周邊岩土體間的作用力分布可在現場靜載試驗時利用預先埋入的相關感測元件來進行檢測確定。2006年7月前靜載荷試驗中的樁檢測主要是點式測量，即在樁身鋼筋籠上預埋應變計如鋼筋計、應變片或者埋設應力計、位移計等，通過測量各點的應變值，獲得樁身應變、應力分布曲線。但點式測量方法一般會存在如下的局限性：（1）屬於不連續測量，容易漏檢，有時無法反映出樁身缺陷和應力集中狀況；（2）埋入的電子元器件在混凝土澆灌過程中容易失效，加上測試時受零點漂移、安裝和維護費用高、受電磁場干擾精度降低等等多種因素影響，在實際測試中導致數據喪失或失真；（3）為了提高檢測精度，安置較多的感測器又會因為太多的引出導線影響到樁身結構及承載力；（4）零星的點數據很難達到對樁身質量及樁與地層各分層間作用規律分析。灌注樁基礎的就力分析是極為重要的。2006年7月前還缺少可靠及簡易完美的方法和手段。
高、低應變法和超音波法是一種間接的測試方法，依據的是應力傳播或者聲波反射原理，因此動態成分高，容易受外界環境的干擾；對於動力測試，還需要相關的軟、硬體，因此只能作為輔助靜載荷試驗的檢測手段。
BOTDR（Brill ouinop ticaltime-domain reflectometer），中文名稱為布里淵散射光時域反射測量儀，是一種分散式的光纖應變感測器，可以連續測量幾十公里範圍內的光纖應變分布。截至2006年7月，該技術已被成功套用在建築、隧道、堤壩等構築物的安全監測當中。基於布里淵散射的分散式光纖感測技術-BOTDR感測技術是近幾年發展起來的一門新型感測技術，它以光作為採集信號的載體，以光纖作為傳遞光信號的介質，具有耐久性好、無零點漂移、不帶電工作、抗電磁干擾、傳輸頻寬大等突出優點，可以實現對待測參數的連續分散式或準分散式測量，為傳統電子應變感測技術難以企及的，截至2006年7月，在土木、水利、交通、石化、電力、醫療、機械、動力、船舶、航空、航天等領域推廣運用，逐步取代原有機電類感測器。
截至2006年7月，BOTDR用於暴露式建築物或基礎的應力分析，數據預處理主要是對異常識別、數據平滑、空間定位等功能。
灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法未有採用，這是由於如何固定及可靠在灌注樁基礎安裝分散式光纖較為困難。這就難以用BOTDR方法分析樁的承載能力及樁身完整性。
發明內容
專利目的
《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》正是基於以上光纖感測技術而研發的專門標定分散式應變感測光纖的檢測技術。針對傳統點式感測器存在的問題，《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》利用了分散式光纖感測技術檢測灌注樁身應變分布，據此分析樁的承載能力及樁身完整性。
技術方案
《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》的技術解決方案是：灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是利用光纖對應變的感測特性，將光纖植入灌注樁內，當混凝土凝固或受到外界荷載時將會和其周邊混凝土發生同步變形，其發生的應變大小可認為是樁身混凝土的應變值，鑒於此感測技術為分散式數據採集，即可得到樁身每一點的應變數據，根據應變結合樁身混凝土彈性模量和樁身面積即可推算出樁身軸力分布，軸力的變化速率就反算出側摩阻力和樁端阻力。側摩阻力和樁端阻力的運算採用該發明申請人的率定方案和公式。
將封裝的分散式感測光纖對稱的捆綁在鋼筋籠放入鑽孔中進行澆注，保護引出接入光纖應變解調儀器進行樁身應變和溫度測試，並將數據儲存或輸出到終端處理器。
靜載試驗時每級荷載沉降穩定後測試光纖應變值與沒有荷載時初始應變之差作為樁身在相應荷載作用下各截面的附加應變值分布。
附加應變值與混凝土彈性模量和樁身截面積的乘積得出樁身在各級荷載下樁身軸力分布，據此計算各土層的各級荷載下側摩阻力和樁端阻力大小、發展趨勢、極限值；根據應變分布變化異常來探測樁身缺陷的位置及類型；根據若干根對稱光纖在同一截麵點的應變差異判斷荷載是否偏心及樁身是否扭曲。
分散式光纖感測器的設定方法極為重要。光纖在樁體環狀加上徑向雙倍長度的分布光纖布置。
光纖鋪設時，將帶有凹槽的載體鋪平於工作檯，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風加快分乾。膠水完全乾結後，用線盤將光纖盤好包紮，在盤線過程仔細檢查是否有光纖翹起未粘合處，並及時補抹。
將直徑為0.9毫米的單模感測光纖利用膠劑粘合到雙股護套光纖或電纜的凹槽中風乾，定位並標定後作為感測光纖。將感測光纖沿著鋼筋籠縱向主筋或導管的側面進行捆綁鋪設，鋪設過程中保持光纖垂直並感測光纖一直對外。每
根樁光纖至少鋪設兩根，對稱分布，底部平滑過渡並保護，呈“U”字形。對於多節鋼筋籠，最底部可事先幫好再下，以上部分捆綁光纖要與下籠同步，對接處要防止焊接火花灼斷光纖。灌入混凝土前要將光纖保護從樁頭側邊引出，並做標誌定位。
該發明系統包括樁身測試、數據採集、數據傳輸和儲存、數據處理分析四個子系統，參見附圖2，其中樁身測試、數據採集子系統為《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》的核心，感測光纖封裝、鋪設工藝和數據處理分析方法為該發明的技術要點。
普通通訊光纖作為感測光纖植入混凝土前必需進行封裝，封裝的感測光纖即要抗拉、抗攪亂、抗混凝土衝擊等強度要求，其對應變的反應靈敏性也不能受到影響。《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》自創了一套感測光纖的封裝工藝，以帶有與普通尼龍光纖直徑相當寬度凹槽的載體，如雙股護套光纜、雙芯細電纜等，凹槽中塗入膠水後鋪入光纖壓合。為方便施工鋪設載體以富有一定彈性但又柔軟的載體為佳，為防止塗膠後載體及光纖發脆，膠合試劑以軟韌且能快速來勁的塑膠膠為宜，如102膠。
封裝後的感測光纖如何植入到樁體內也是《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》的重要內容，《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》利用樁體內的鋼筋或者管件作為載體，樁孔完成後安放鋼筋骨架的同時將光纖捆綁在骨架的縱向筋體上同時下放入孔內，孔口保護從側邊引出後灌注混凝土。每孔至少鋪設兩條光纖，且呈對稱分布，底部圓滑相連過渡，光纖鋪設要沿鋼筋側邊且將光纖對外。針對鋪設過程中光纖孔底易過渡彎曲、點焊火花灼斷及孔口引出暴露光纖已被人為和機械破壞等問題，提出了相應的保護措施，參見權利保護6。對於地下水活動大的地區還加鋪設溫度補償線路，以消除溫度影響。此鋪設工藝的優點主要有：光纖在樁內筆直不彎曲；光纖不易折斷；快速簡單，節省工期；留有後備保障，光纖感測器成活率高等。
該測試方法主要配合樁基靜載荷試驗進行，以樁未載入的樁身應變值作為初始應變，每級荷載穩定後測試樁身應變，以此應變與初始應變的差值——附加應變作為分析系統的基本變數。數據分析系統基於樁身應變模式而開發，分析系統主要有數據預處理、樁身受力計算和成果顯示幾個模組。數據預處理主要是對異常識別、數據平滑、空間定位等功能；樁身受力分析包括軸力計算、彈性模量修正、樁身軸面修正、各土層摩擦阻力計算、樁端阻力計算等功能；成果以曲線、表格及彩圖形式輸出。
改善效果
《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》就以該項為核心發明出一套基於分散式光纖感測灌注樁監測方法和分析系統，該方法系統運用到樁基檢測的將會推動該領域一次革新，這是因為與傳統的樁基檢測手段相比，具有以下優點：
（1）能實現分散式檢測，由光纖的一端就可以準確地得到光纖沿線任一點的應力、溫度、振動和損傷等信息，且這些信息都為線性或準線性信息，能克服傳統點式檢測漏檢的弊端，提高監測效率，根據這些分散式信息，可以分析樁身應變分布特徵，樁身軸力分布特徵，樁身變形機理等，為樁基設計提供參考。
（2）最大量程範圍達80千米，且感測光纖既能作為感測體又可作為傳輸體，可以實現長距離、全方位監測，能夠滿足超深鑽孔灌注樁的測試要求。
（3）分散式光纖檢測技術作為新型的感測檢測技術，它的施工工藝簡單，能夠與鋼筋混凝土協調變形，且能夠避免電磁干擾，光波易於禁止，外界光的干擾也很難進入光纖，成活率基本達到100％，避免了傳統鋼筋計的安裝方法困難且成活率不高的弊端。
（4）感測光纖的封裝是基於普通的通信用單模光纖，所以感測器的成本相對較低，加上成活率較高，因而可以大大節省檢測費用，減少檢測時間。隨著技術的發展，光纖解調設備的研發和製造費用也越來越低，故該項技術能夠全面推廣。
（5）通過網路可以將其與計算機終端連線在一起，實現遠程監控，同時結合計算機軟體可以開發出遠程實時監控系統、變形預警系統和結構物健康診斷系統等，為最終實現監測自動化提供條件。
（6）BOTDR不需要特製的感測器，只需要一根普通的通信光纖作為感測光纖。BOTDR不需要特製的感測器因此感測光纖的性能和鋪設工藝等是BOTDR可以用於樁基檢測中的關鍵方法和裝置問題。
該方法系統具有分散式、高精度、安裝簡便及成本低廉等特點，可適用於各種施工工藝下完成的摩擦樁、端承樁、支盤樁等各種型灌注樁，能與錨樁反壓、堆載及自平衡法等載入系統進行配合使用。
附圖說明
圖1A、1B是《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》感測光纖封裝示意圖，圖1A是側視圖，圖1B是截面圖；
圖2是《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》基於分散式光纖檢測技術的灌注樁檢測系統；
圖3是《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》分散式樁身變分布圖。
技術領域
《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》屬於岩土工程監測和檢測技術領域和基於分散式光纖感測檢測技術領域；尤其涉及灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法。
權利要求
1、灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是利用光纖對應變的感測特性，將光纖植入灌注樁內，當混凝土凝固或受到外界荷載時將會和其周邊混凝土發生同步變形，其發生的應變大小是樁身混凝土的應變值，此感測技術為分散式數據採集，即可得到樁身每一點的應變數據，根據應變結合樁身混凝土彈性模量和樁身面積即可推算出樁身軸力分布，軸力的變化速率就反算出側摩阻力和樁端阻力。
2、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是將封裝的分散式感測光纖對稱的捆綁在鋼筋籠放入鑽孔中進行澆注，保護引出接入光纖應變解調儀器進行樁身應變和溫度測試，並將數據儲存或輸出到終端處理器。
3、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是靜載試驗時每級荷載沉降穩定後測試光纖應變值與沒有荷載時初始應變之差作為樁身在相應荷載作用下各截面的附加應變值分布。
4、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是附加應變值與混凝土彈性模量和樁身截面積的乘積得出樁身在各級荷載下樁身軸力分布，據此計算各土層的各級荷載下側摩阻力和樁端阻力大小、發展趨勢和極限值；根據應變分布變化異常來探測樁身缺陷的位置及類型；根據若干根對稱光纖在同一截麵點的應變差異判斷荷載是否偏心及樁身是否扭曲。
5、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵以樁身分散式應變為基礎，經樁身面積、彈性模量修正後得到樁身軸力分布規律；其中彈性模量根據樁頭附近荷載與應變的比值、混凝土標號對應法或根據超音波波速來確定，樁身面積直接從測井資料中獲取。
6、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是光纖現場鋪設時：根據待測樁體的長度量放好光纖和載體，每根長度以樁長兩倍外加餘留5米；光纖在樁體環狀加上徑向雙倍長度的分布光纖布置。
7、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是光纖鋪設時，將帶有凹槽的載體鋪平於工作檯，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風加快分乾；膠水完全乾結後，用線盤將光纖盤好包紮。
8、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是光纖置於強度很高的金屬管內，待混凝土振搗完畢後，在混凝土凝固以前將金屬管抽出或將光纖埋入按實際混凝土配比做成的小混凝土塊中，再將它埋入結構；或將直徑為0.9毫米的單模感測光纖利用膠劑粘合到雙股護套光纖或電纜的凹槽中風乾，定位並標定後作為感測光纖。將感測光纖沿著鋼筋籠縱向主筋或導管的側面進行捆綁鋪設，鋪設過程中保持光纖垂直並感測光纖一直對外；每根樁光纖至少鋪設兩根，對稱分布，底部平滑過渡並保護，呈“U”字形。對於多節鋼筋籠，最底部事先綁好再下，以上部分捆綁光纖要與下籠同步，對接處要防止焊接火花灼斷光纖；灌入混凝土前將光纖保護從樁頭側邊引出，並做標誌定位。
9、由權利要求1所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是數據採集與分析在灌注樁澆築之後根據樁的性質設定儀器所要測試的範圍、頻率、精度等參數，之後進行數據的採集；如果是試驗採用靜載試驗中的慢速維持荷載法，每加一級荷載待後沉量達到相對穩定標準，就可以進行這一級的數據採集，每一次的數據採集都需要對布里淵波譜等信息進行檢測。
10、由權利要求5中所述的所述的灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法，其特徵是光纖保護方法，底部光纖沿箍筋綁定後加波紋管裹緩衝膠帶保護；對於乾孔作業防電焊火花採用光纖低於孔口並利用耐火布料覆蓋孔口方式保護，對於濕孔作業還採用光纖沒入泥漿液中保護；孔口引出光纖採用套上金屬波紋管後引出。
實施方式
一、光纖封裝
根據待測樁體的長度量放好光纖和載體，每根長度以樁長兩倍外加餘留5米為宜。將帶有凹槽的載體鋪平於工作檯，在凹槽中注入膠水，隨即壓入單模尼龍光纖抹平，利用吹風加快分乾。膠水完全乾結後，用線盤將光纖盤好包紮，在盤線過程仔細檢查是否有光纖翹起未粘合處，並及時補抹。
二、現場鋪設
光纖鋪設的方法2006年7月前主要有二種：一種是用專用或特製的粘結劑將光纖貼上在被測構築物上，這種方法主要用於已建構築物的監測；另一種是將光纖植入構築物中如鋼筋混泥土中，這種方法主要用於在建構築物及其竣工後的安全質量監測。
根據構築物整體和局部變形等特點以及監測儀器的距離分解度，可採用不同的鋪設方式，這裡介紹二種：即全面接著鋪設：是將光纖拉直後，用粘結劑將光纖完全貼附在結構物上。拉直的光纖，由於它與結構物緊密相聯，因此可以確保它的應變與構築物保持同步，這種方法主要用於構築物整體變形的監測。
定點接著鋪設：是將光纖拉直、微微受力崩緊後，按一定的間隔定點粘著在構築物上。一旦構築物沿光纖方向拉伸或收縮，兩點之間的光纖即發生變形，從而測得構築物在兩點間的變形情況。由於監測儀器距離分解度的存在，因此此種鋪設方式主要用於構築物局部變形的監測。
光纖感測器的埋入主要針對施工過程而言。其安裝方法有以下三種：
（1）光纖貼上在鋼筋上，避免混凝土的振搗導致光纖的破壞。在彈性範圍內，鋼筋與混凝土同步變形，鋼筋的應變代表混凝土的應變。
（2）光纖置於強度很高的金屬管內，待混凝土振搗完畢後，在混凝土凝固以前將金屬管抽出即可。
（3）光纖埋入按實際混凝土配比做成的小混凝土塊中，再將它埋入結構。
三、數據採集與分析
灌注樁澆築之後根據樁的性質設定儀器所要測試的範圍、頻率、精度等參數，之後進行數據的採集。如果是試驗採用靜載試驗中的慢速維持荷載法，每加一級荷載待後沉量達到相對穩定標準，就可以進行這一級的數據採集。
每一次的數據採集都需要對布里淵波譜等信息進行檢測，如果有問題及時進行修正。分析數據處理部分，包括數據匹配、數據定位修正，即根據在光纖檢測線路上設定的定位標誌修訂由BOTDR所采數據的空間定位；數據計算（BOTDR的輸出與應變有率定對應關係），即由解調儀器得到的應變、溫度、波長等信息，計算得到樁身應力、軸力分布，以及樁周土體沉降，樁側不同土層產生的樁側摩阻力分布等。
榮譽表彰
2016年12月7日，《灌注樁基礎分散式光纖感測檢測方法與系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
