布里渊分布式光纤传感建筑物基础检测技术可行性研究报告(中科院广州电子)

第一篇：布里渊分布式光纤传感建筑物基础检测技术可行性研究报告(中科院广州电子)

布里渊分布式光纤传感

建筑物基础检测技术可行性研究报告

中科院广州电子技术有限公司

广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

企业简介

中科院广州电子技术有限公司（以下简称广州电子）的前身为“广东省701研究所”,于1970年成立·1978年并入中国科学院，更名为：中国科学院广州电子技术研究所，2001年转制为院属企业，更名“中科院广州电子技术有限公司”，成为中国科学院国有直属控股管理的下属机构职工176人，其中科技人员124人，占公司人员的70%以上；其中高级技术人员38人，中级技术人员68人，是一支功底深厚、具有开拓创新能力的光纤传感专业队伍。公司注册资本3060万元，净资产3900多万元，拥有三座总面积约一万七千多平方米的综合实验楼。

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一、项目研究的意义、目的和国内外发展概况

1.1项目研究的意义、目的

基础是大型构筑物的重要组成部分，是涉及工程安全问题的结构中占主导地位的构件之一。一旦基础失效，势必造成整体建筑物破坏。因此，基础检测是整个建筑结构安全、稳定的保障。

基础检测是对单桩承载力和桩身质量等进行全面评价的重要措施，是确认桩基工程合格的重要环节，同时也是对不合格桩进行补强或返工的依据。因为桩基是隐蔽工程，发现其缺陷，以及其后的处理都有难度，因此，在桩基设计前要进行必要的试验，施工后都需要检测。

传统的桩基检测，主要基于声波的反射原理，以及静态载荷下沉降率的研究。其特点是在时间上不具有连续观测的可行性。因此，布里渊分布式光纤传感器观测手段是桩基检测技术的革命性进展。

本课题研究目的是确定分布式光纤传感在桩基检测中的理论计算基础，使智能FRP筋优良检测性能在桩基检测中充分发挥，其检测原理是基于布里渊散射机理的PPP-BOTDA分布式光纤传感技术。分布式光纤检测技术广泛用于大型重要构筑物（机场、桥梁和隧道等）的温度、变形检测，较之发展较快的光栅光纤，分布式光纤具有更好的应用功能。光栅光纤是准分布式的，在一条线路上一般只能布设8-9个观测点；而分布式光纤可以在空间上连续检测每一个点，空间分辨广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

率可以达到10cm，温度测量精度达到0.1度，应变测量统计精度达到2.4微应变，而智能筋较分布式光纤，在实际施工中，智能筋检测施工要求更简单，智能筋内的传感光纤由于复合材料的保护，其耐久性更好。虽然因此智能筋的检测精度较分布式光纤有所降低，但与一般检测方法比，智能筋检测更加准确有效，且具有长期检测特点。因此，对智能FRP筋在桩基检测应用的研究具有远大前景，其先进检测技术在桩基工程中的应用将推动桩基质量提高，全寿命期的实时监控将大大减少因桩基损坏造成的损失。1.2国内外发展概况

桩基检测技术是一门新兴行业，我国的检测技术起源十20世纪80年代末，当时的检测方法主要采用声波透射法来抽检。随着工程建设的的蓬勃发展，在桥梁、高层建筑、重型厂房、港口码头、海上采油平台等工程中大量采用桩基础，从而推动了检测频率、检测方法的不断改进。传统的桩基检测方法各有其特点及适用范围：

声波透射法只能检测桩身的完整性，不能检测其承载力；由于桩径较小时，声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差，故声波透射法适用于检测桩径大于0.6m桩的完整性。

静载荷试验法被公认为检测桩基承载力最可靠的方法，该方法结合在桩身和桩底埋设传感器件还可以测定桩侧摩阻力分布情况、桩端反力和桩身轴力等，但评价桩身完整性不理想。静载荷试验法检测时广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

间长，检测费用高，配套工作麻烦，加上设计安全系数较高，一般情况下较难令桩基破坏，故较少采用这种方法。

低应变法可检测桩身完整性，但对半断桩、空洞、局部夹泥、局部混凝土松散和不太严重的缩扩颈检测，有一定的难度；在测定承载力上是不可靠的。

高应变法是检测桩基桩身完整性和单桩竖向承载力的方法。这种方法受测试人员水平和桩—土相互作用模型问题影响，在国际和国内都遭到质疑，可在个别有承载力争议的桩上使用。

钻芯法是一种有损检测方法，它只能对局部桩的长度、砼强度，局部缺陷情况，桩底沉渣厚度，持力层情况等作出判断，可作为其他无损检测方法的补充。

由于静载荷试验法费时费力费钱，而动测法（高应变、低应变）又不可靠，近年来又发展了静动试桩法和自平衡法。静动试桩法兼有静载荷试验和高应变试验的优点，试验原理简单，费用低，历时短，在日本，荷兰等国已得到快速发展，在我国尚未推广使用。自平衡法是在桩尖附近埋设荷载箱，沿垂直方向加载，求得桩极限承载力的方法。该技术在国外属专利产品，没有相关技术资料报道。东南大学土木工程学院率先研究此法，已取得一定的成就。1989年美国布朗大学的Mendez等人首次提出将光纤传感器埋入混凝土结构中进行安全监测。随后美国、欧洲、日本等国家的一些学者开始将这一高新技术应用于土木工程的研究,并取得了很好的成果。哈尔滨工业大学的欧广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

进萍、周智等开发的FRP—OFBG智能复合筋应用于南京长江第三大桥南塔基础的钻孔灌注桩的桩基的内力监测中；由于这种光纤智能筋是准分布式的，需预先知道桩基最大内力的位置。南京大学的施斌等人利用BOTDR技术，把未经FRP封装的分布式光纤埋设在对称的两根主筋上，与静载试验相结合，代替传统的钢筋应变计、应变片分析桩基的桩身轴力、侧摩阻力、端承力，从而检测桩身质量，推导桩基承载力。

二、项目的原理与理论基础

2.1分布式光纤传感技术

分布式光纤传感器是以光波为载体，光纤为传输媒质同时以光纤作为传感介质的检测技术。光波不受电磁干扰，易为敏感探测器接收，可方便进行光电或电光转换，易与现代电子装置和计算机相匹配，而光纤作为传感器，其效应是线性的，响应域宽，敏感度高，其效应是散射光的频率发生变化，而不是振幅，因此，所能受到的干扰极少，对于光的频率，测量精度可以达到很高，因此，它的检测原理具有敏感、无源、被动式等特点，是优良、高精度的检测方法。尤其重要的是，分布式光纤传感器的检测值在空间上是连续的，也就是说，测量的是应力或温度的函数沿长度上的一个函数，其数据包含了全面的信息，例如，数据可以积分，并得出横向变形的信息，以及整个物理场广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋 的全貌。

在光纤传感领域里，发展较快的是以FBG（光纤布喇格光栅）为代表的准分布式光纤传感技术及以BOTDA（布里渊光时域分析计）与BOTDR（布里渊光时域反射计）为代表的分布式光纤传感技术。FBG传感技术中光栅为传感器，光纤传输光信号。此技术已较成熟。但一根光纤上只能布设有限个光栅，故需预先了解所测结构的大致受力分布，根据受力情况布置光栅，不适合复杂的受力结构或有偶然荷载作用的结构。而分布式光纤传感技术中光纤既作传输器又作传感器，利用光的散射，可以连续检测光纤上每一个点的受力情况；还可以对微观的应变积分，得到宏观的整体变形情况。

本课题所采用的桩基检测技术是基于布里渊散射机理的PPP-BOTDA分布式光纤传感技术。PPP-BOTDA的英文全称为Pulse-PrePump Brillouin Time Domain Analysis，中文意思是脉冲预泵浦布里渊光时域分析法。BOTDA传感系统的原理是从光纤一端入射脉冲光，另一端入射频率与脉冲光频率相差约布里渊频移的连续光。当脉冲光与连续光在光纤中相重叠时，由于受激布里渊放大作用，脉冲光与连续光之间会通过声波场发生能量转移。能量转移的大小与两个光波之间的频率差有关，当频率差等于光纤的布里渊频移时所转移的能量最大，所以通过扫描两个光源之间的频率差和每个频率差下转移的能量大小，便可得到光纤沿线的布里渊频移，从而实现对光纤应变和温度的全分布式传感。普通的BOTDR与BOTDA无法同时实现高广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

空间分辨率(<1m)和高精度(<±7.5με)。

PPP-BOTDA是BOTDA的升级产品，在导入脉冲光之前，加载适当的脉冲预泵浦光（Dpre），预先激发声子。PPP技术实现了10cm的空间分辨率和±7.5με的应变测量精度。

综上所述，基于分布式光纤的测量具有以下优点： 1）分布式：

可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度等信息，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率；

2）长距离：

光纤即作为传感体又作为传输体就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测；

3）耐久性：

传统的土木工程监测一般采用应变片监测技术，应变片易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。分布式光纤智能筋用FRP筋封装光纤，大大提高其耐久性，能实现在全寿命期的监测；

4）抗干扰：

光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰； 5）轻细柔韧：

光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设；

6）测试精度高。

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2.2 基于分布式光纤传感技术的桩基检测特点

在桩基中埋设分布式光纤与埋设传统的钢筋应变计、应变片相比，不需预先计算应变片（计）埋设的位置；可以连续检测光纤上每一个点，具有高空间分辨率和高精度。为了保证光纤的耐久性，可用FRP筋封装分布式光纤形成分布式光纤FRP智能筋。这样可保证光纤在施工及运营中不受损坏。

分布式光纤埋入桩基后，不仅可在进行下一步工序前检测桩基，在整个的施工过程以至建筑物的全寿命期都可监测桩基的安全状况。完成此检测系统的硬软件设备并联入网，还能实现远程的实时监测。注：FRP，纤维增强复合塑料，是英文（Fiber Reinforced Plastics）的缩写。FRP复合材料热膨胀系数与混凝土相近, 这样当环境温度发生变化时, FRP与混凝土协调工作,两者间不会产生大的温度应力。

2.3 基于分布式光纤传感技术的智能筋的特点

智能FRP筋，是将分布式传感光纤置入到FRP筋材中得到的，由应变传感器和高强度的复合材料有机的结合而成，兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于一体，其检测原理是基于布里渊散射机理的PPP-BOTDA分布式光纤传感技术，具有工程布设简单、量程大、耐久性好、精度高，便于施工和操作方便等突出优点。

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智能FRP筋的受力材料是玻璃纤维，而光纤的材料也是玻璃纤维，两种材料在力学上模量匹配，强度均衡，变形同步，而且能保证在全寿命周期内，智能FRP筋材一直发挥传感器的作用；增强纤维采用玻璃纤维或玄武岩纤维，力学特性以及其他物理性质与光纤接近，因此能够准确地反映构件内部的应力和温度；另外，智能FRP筋检测的是一个物理场，具有时间空间上的连续性，从而尽可能接近实际情况，还可以对微观量进行积分，得到宏观的整体情况。例如对光纤上的应变积分，还可检验桩顶的水平位移，这是传统的点式传感器不能做到的；除此以外，智能FRP筋具有足够的弹性，可以卷成卷，又有足够的刚度可以牢固地绑扎、固定；与通常的附着式传感器相比，内置式的筋材在安装、施工、检测时不受到外界环境的影响。

因此，本课题的研究内容是基于分布式光纤传感的桩基检测的理论基础。这方面的研究具有很高的难度，其主要表现为传统的声学方法，其声波可以遍及整个研究对象，而光纤只能串联编织成网状，在没有光纤的位置，如果存在空气泡等，如何判断，需要较高的数学理论基础，比如说场论等。

然而，智能FRP筋具有施工简单、精度高、分布式全寿命期检测等特点，对基桩应力、应变、裂缝和完整度的检测理论上具有可行性，而目前在科技发展的水平已经在实验和理论上具备实质性研究的基本条件。因此，目前是展开本项研究的最佳时机。

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三、项目研究的主要内容

研究的主要内容为：

（1）如何利用简便的方法施加物理场。

（2）如何进行分布式光纤的埋设、布置。针对不同的桩径，均匀埋入不同形式的分布式光纤，通过理论分析和试验检测，总结出不同直径的桩基中合适的分布式光纤的布置方式。

（3）对物理场的反演，准确判断桩基中缺陷的位置和严重程度。按照桩基出现的几种缺损a、局部桩径变大、桩身局部外凸b、桩身局部缩颈c、断桩d、桩身含有泥夹层分别制作试验桩，在模拟试验桩受力的同时用分布式光纤检测。针对以上几种桩损，进行理论分析；结合检测结果，确定完善的检测计算及数值分析方法。

（4）对分布式光纤检测系统标定，针对其检测原理进行编程，实现桩基的完整性检测、承载力检测及桩顶水平位移检测的目的。

研究的步骤为：室内研究、室外研究

四、项目依托的工程与技术路线

4.1依托的工程

本项目的依托工程为广州市某条公路大桥。本项目通过对公路大桥两个桩基础分别进行基于分布式光纤传感的桩基检测和普通桩基广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

检测分析比较，完善分布式光纤的在桩基检测中的应用理论，并探讨施加物理场的简便方法，研发一套可靠性、准确度高的完整性检测方法，推广这一具有优秀使用性能和经济价值的技术。4.2基于PPP-BOTDA技术的桩基检测试验技术路线

（一）桩基检测试验方法原理：

（1）直接测量：桩基沿高度方向的应力应变

布里渊光时域反射技术（BOTDA）是指通过检测光纤中背向布里渊散射信号来测量光纤传输损耗和结构缺陷引起的损耗，从而感知外界信号场的变化。布里渊散射受应变的影响，当光纤沿长度方向的应变发生变化时，光纤中的背向布里渊散射光发生频率漂移，频移量和轴向应变以及温度呈很好的线性关系。因此，可以通过测量光纤中布里渊散射光的频移量来确定光纤的轴向应变值。

式中：

为发生应变时的光纤布里渊频率的漂移量；

为比例系数，为不发生应变时的光纤布里渊频率的漂移量； 通过光纤标定来确定，为光纤应变。

桩基浇筑完成以后，利用混凝土自身特性或者人工方式，桩身将发生应变，就可得到沿光纤测量各个连续点的应变值。

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由光纤解析仪得到光纤竖向的应变值混凝土协调变形，桩身的轴向压应变也为，由于智能筋与桩身。桩身的应力

为

式中：为桩身弹性模量。

由此可以得到沿桩身高度方向的应力应变分布情况。利用松套与紧套光纤、拉曼散射和布里渊散射，温度与应力（应变）可以解耦。两组独立数据、解耦得两个连续函数：温度、应力对于距离的连续函数。

（2）通过积分：检测横向挠度（弯曲检测）

根据梁的弯曲理论，运用纵向应变测量值是连续函数，以及连续函数可以积分这一性质，通过积分，得出桩基的横向位移曲线（相当于梁的挠曲线）。

（3）通过场论：检测桩基完整性

应力是构件内力在某个截面上的强度，为内力值除以相应的微分面积，构件内部的应力分布情况况称为应力场。由于应力场是调和场，边界条件唯一地确定了场的分布。由此我们也可以做出反演，通过应力场，反演得出可能的边界条件。对于完好无损的桩基，桩身内应力广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

分布均匀，内力流闭合且均匀分布。当桩身存在扩径、缩颈、断桩等缺陷时，由于这些部位截面的急剧变化，会发生应力集中现象，应力流线将绕过缺陷闭合，并且在此处高度密集，而在离缺陷位置较远处，应力流线将趋于均匀。根据应力场的分布规律进行完整性分析就是已知边界求应力的反问题。

利用分布式光纤技术进行桩基检测时不可能采集到截面上所有点的应变值，只能得到光纤经过处的应变

和应力，但是，我们得到的应变是一维空间的一个连续函数，因此可以积分，得出全空间的变形场。再用插值技术就可以估算出截面上所有点的应力应变值。同理，通过插值拟合技术就可以得到桩基整个三维空间的物理场分布实测值。可以将桩基缺陷（裂缝、空洞、气泡）看做边界条件，通过应力场反演，得出这些边界条件信息，如果桩基完整，则只有外部边界，而没有内部边界。

（二）测量方法：

用光纤解析仪读取各段光纤轴向方向上的应变和温度数据

（三）布置方案：

选取直径为D的灌注桩，按照图所示，灌注混凝土之前，预先埋设好光纤。图中1、2表示纵向按U形布置的一组分布式光纤回路； 3表示环向分布式光纤回路。其中1、2号光纤回路按U形布置，下部广东省广州市越秀区先烈中路100号大院23栋

为圆弧状。3号光纤沿桩身高方向螺旋布置，并在L/4，L/2，3L/4以及底部4处水平缠绕一圈，最终沿桩身高方向垂直延伸出来形成回路。

图1 桩的纵向光纤布置侧面图

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图2 桩的环向光纤布置侧面图

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图3 桩的分布式光纤布置平面图

（四）备用措施：

（1）采用FRP筋材对光纤进行封装（2）预埋入备用的应变回路光纤（3）预埋入温度补偿光纤(五)注意事项：

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（1）FRP智能筋为6mm盘绕成卷，具有较大的弹性，使用时带手套注意安全。

（2）智能筋端部有光纤接口，浇注时要有保护措施，引线保持清洁防尘。

（3）智能筋产品不能切断，必须连续

（4）智能筋不能在日光下暴晒，室外存放时间不超过16小时。（5）施工方提供桩基参数和施工人员，我方制定布置方案并派人现场指导。

五、预期达到的效果（经济、社会效益和应用前景）

桥梁工程、房屋建筑等许多重要的工程的基础广泛采用桩基，分布式光纤技术具有分布式、抗干扰、长距离等优点，可以实现连续的物理量的测量，再通过物理场的反演就可以进行桩基完整性检测。这种方法弥补了传统桩基检测的缺陷，具有广阔的应用前景。该技术的应用将是监测技术的革命性的突破，可以实现桩基施工期乃至全寿命的监测控制；将推动FRP材料的普及和运用；对分布式光纤应用于其他领域的检测和监测起着借鉴和指导作用，有着显著的经济效益和社会效益。效益主要有以下五个方面：

1）实现桩基全寿命期监测，加强施工期安全预警； 2）普及FRP材料的运用；

3）作为钢材的替代品，开发新资源；

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4）监测技术的革命性突破；

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