《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》属于岩土工程监测和检测技术领域和基于分布式光纤传感检测技术领域；尤其涉及灌注桩基础分布式光纤传感检测方法。

灌注桩是一种能满足各种地层承载要求的桩基础类型，其承载特性及与周边岩土体间的作用力分布可在现场静载试验时利用预先埋入的相关传感元件来进行检测确定。2006年7月前静载荷试验中的桩检测主要是点式测量，即在桩身钢筋笼上预埋应变计如钢筋计、应变片或者埋设应力计、位移计等，通过测量各点的应变值，获得桩身应变、应力分布曲线。但点式测量方法一般会存在如下的局限性：（1）属于不连续测量，容易漏检，有时无法反映出桩身缺陷和应力集中状况；（2）埋入的电子元器件在混凝土浇灌过程中容易失效，加上测试时受零点漂移、安装和维护费用高、受电磁场干扰精度降低等等多种因素影响，在实际测试中导致数据丧失或失真；（3）为了提高检测精度，安置较多的传感器又会因为太多的引出导线影响到桩身结构及承载力；（4）零星的点数据很难达到对桩身质量及桩与地层各分层间作用规律分析。灌注桩基础的就力分析是极为重要的。2006年7月前还缺少可靠及简易完美的方法和手段。

高、低应变法和超声波法是一种间接的测试方法，依据的是应力传播或者声波反射原理，因此动态成分高，容易受外界环境的干扰；对于动力测试，还需要相关的软、硬件，因此只能作为辅助静载荷试验的检测手段。

BOTDR（Brill ouinop ticaltime-domain reflectometer），中文名称为布里渊散射光时域反射测量仪，是一种分布式的光纤应变传感器，可以连续测量几十公里范围内的光纤应变分布。截至2006年7月，该技术已被成功应用在建筑、隧道、堤坝等构筑物的安全监测当中。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术-BOTDR传感技术是近几年发展起来的一门新型传感技术，它以光作为采集信号的载体，以光纤作为传递光信号的介质，具有耐久性好、无零点漂移、不带电工作、抗电磁干扰、传输带宽大等突出优点，可以实现对待测参数的连续分布式或准分布式测量，为传统电子应变传感技术难以企及的，截至2006年7月，在土木、水利、交通、石化、电力、医疗、机械、动力、船舶、航空、航天等领域推广运用，逐步取代原有机电类传感器。

截至2006年7月，BOTDR用于暴露式建筑物或基础的应力分析，数据预处理主要是对异常识别、数据平滑、空间定位等功能。

灌注桩基础分布式光纤传感检测方法未有采用，这是由于如何固定及可靠在灌注桩基础安装分布式光纤较为困难。这就难以用BOTDR方法分析桩的承载能力及桩身完整性。

图1A、1B是《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》传感光纤封装示意图，图1A是侧视图，图1B是截面图；

图2是《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》基于分布式光纤检测技术的灌注桩检测系统；

图3是《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》分布式桩身变分布图。

2016年12月7日，《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》获得第十八届中国专利优秀奖。

一、光纤封装

根据待测桩体的长度量放好光纤和载体，每根长度以桩长两倍外加余留5米为宜。将带有凹槽的载体铺平于工作台，在凹槽中注入胶水，随即压入单模尼龙光纤抹平，利用吹风加快分干。胶水完全干结后，用线盘将光纤盘好包扎，在盘线过程仔细检查是否有光纤翘起未粘合处，并及时补抹。

二、现场铺设

光纤铺设的方法2006年7月前主要有二种：一种是用专用或特制的粘结剂将光纤粘贴在被测构筑物上，这种方法主要用于已建构筑物的监测；另一种是将光纤植入构筑物中如钢筋混泥土中，这种方法主要用于在建构筑物及其竣工后的安全质量监测。

根据构筑物整体和局部变形等特点以及监测仪器的距离分解度，可采用不同的铺设方式，这里介绍二种：即全面接着铺设：是将光纤拉直后，用粘结剂将光纤完全贴附在结构物上。拉直的光纤，由于它与结构物紧密相联，因此可以确保它的应变与构筑物保持同步，这种方法主要用于构筑物整体变形的监测。

定点接着铺设：是将光纤拉直、微微受力崩紧后，按一定的间隔定点粘着在构筑物上。一旦构筑物沿光纤方向拉伸或收缩，两点之间的光纤即发生变形，从而测得构筑物在两点间的变形情况。由于监测仪器距离分解度的存在，因此此种铺设方式主要用于构筑物局部变形的监测。

光纤传感器的埋入主要针对施工过程而言。其安装方法有以下三种：

（1）光纤粘贴在钢筋上，避免混凝土的振捣导致光纤的破坏。在弹性范围内，钢筋与混凝土同步变形，钢筋的应变代表混凝土的应变。

（2）光纤置于强度很高的金属管内，待混凝土振捣完毕后，在混凝土凝固以前将金属管抽出即可。

（3）光纤埋入按实际混凝土配比做成的小混凝土块中，再将它埋入结构。

三、数据采集与分析

灌注桩浇筑之后根据桩的性质设定仪器所要测试的范围、频率、精度等参数，之后进行数据的采集。如果是试验采用静载试验中的慢速维持荷载法，每加一级荷载待后沉量达到相对稳定标准，就可以进行这一级的数据采集。

每一次的数据采集都需要对布里渊波谱等信息进行检测，如果有问题及时进行修正。分析数据处理部分，包括数据匹配、数据定位修正，即根据在光纤检测线路上设定的定位标志修订由BOTDR所采数据的空间定位；数据计算（BOTDR的输出与应变有率定对应关系），即由解调仪器得到的应变、温度、波长等信息，计算得到桩身应力、轴力分布，以及桩周土体沉降，桩侧不同土层产生的桩侧摩阻力分布等。

灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统专利目的

《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》正是基于以上光纤传感技术而研发的专门标定分布式应变传感光纤的检测技术。针对传统点式传感器存在的问题，《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》利用了分布式光纤传感技术检测灌注桩身应变分布，据此分析桩的承载能力及桩身完整性。

灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统技术方案

《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》的技术解决方案是：灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是利用光纤对应变的传感特性，将光纤植入灌注桩内，当混凝土凝固或受到外界荷载时将会和其周边混凝土发生同步变形，其发生的应变大小可认为是桩身混凝土的应变值，鉴于此传感技术为分布式数据采集，即可得到桩身每一点的应变数据，根据应变结合桩身混凝土弹性模量和桩身面积即可推算出桩身轴力分布，轴力的变化速率就反算出侧摩阻力和桩端阻力。侧摩阻力和桩端阻力的运算采用该发明申请人的率定方案和公式。

将封装的分布式传感光纤对称的捆绑在钢筋笼放入钻孔中进行浇注，保护引出接入光纤应变解调仪器进行桩身应变和温度测试，并将数据储存或输出到终端处理器。

静载试验时每级荷载沉降稳定后测试光纤应变值与没有荷载时初始应变之差作为桩身在相应荷载作用下各截面的附加应变值分布。

附加应变值与混凝土弹性模量和桩身截面积的乘积得出桩身在各级荷载下桩身轴力分布，据此计算各土层的各级荷载下侧摩阻力和桩端阻力大小、发展趋势、极限值；根据应变分布变化异常来探测桩身缺陷的位置及类型；根据若干根对称光纤在同一截面点的应变差异判断荷载是否偏心及桩身是否扭曲。

分布式光纤传感器的设置方法极为重要。光纤在桩体环状加上径向双倍长度的分布光纤布置。

光纤铺设时，将带有凹槽的载体铺平于工作台，在凹槽中注入胶水，随即压入单模尼龙光纤抹平，利用吹风加快分干。胶水完全干结后，用线盘将光纤盘好包扎，在盘线过程仔细检查是否有光纤翘起未粘合处，并及时补抹。

将直径为0.9毫米的单模传感光纤利用胶剂粘合到双股护套光纤或电缆的凹槽中风干，定位并标定后作为传感光纤。将传感光纤沿着钢筋笼纵向主筋或导管的侧面进行捆绑铺设，铺设过程中保持光纤垂直并传感光纤一直对外。每

根桩光纤至少铺设两根，对称分布，底部平滑过渡并保护，呈“U”字形。对于多节钢筋笼，最底部可事先帮好再下，以上部分捆绑光纤要与下笼同步，对接处要防止焊接火花灼断光纤。灌入混凝土前要将光纤保护从桩头侧边引出，并做标志定位。

该发明系统包括桩身测试、数据采集、数据传输和储存、数据处理分析四个子系统，参见附图2，其中桩身测试、数据采集子系统为《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》的核心，传感光纤封装、铺设工艺和数据处理分析方法为该发明的技术要点。

普通通讯光纤作为传感光纤植入混凝土前必需进行封装，封装的传感光纤即要抗拉、抗搅乱、抗混凝土冲击等强度要求，其对应变的反应灵敏性也不能受到影响。《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》自创了一套传感光纤的封装工艺，以带有与普通尼龙光纤直径相当宽度凹槽的载体，如双股护套光缆、双芯细电缆等，凹槽中涂入胶水后铺入光纤压合。为方便施工铺设载体以富有一定弹性但又柔软的载体为佳，为防止涂胶后载体及光纤发脆，胶合试剂以软韧且能快速来劲的塑料胶为宜，如102胶。

封装后的传感光纤如何植入到桩体内也是《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》的重要内容，《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》利用桩体内的钢筋或者管件作为载体，桩孔完成后安放钢筋骨架的同时将光纤捆绑在骨架的纵向筋体上同时下放入孔内，孔口保护从侧边引出后灌注混凝土。每孔至少铺设两条光纤，且呈对称分布，底部圆滑相连过渡，光纤铺设要沿钢筋侧边且将光纤对外。针对铺设过程中光纤孔底易过渡弯曲、点焊火花灼断及孔口引出暴露光纤已被人为和机械破坏等问题，提出了相应的保护措施，参见权利保护6。对于地下水活动大的地区还加铺设温度补偿线路，以消除温度影响。此铺设工艺的优点主要有：光纤在桩内笔直不弯曲；光纤不易折断；快速简单，节省工期；留有后备保障，光纤传感器成活率高等。

该测试方法主要配合桩基静载荷试验进行，以桩未加载的桩身应变值作为初始应变，每级荷载稳定后测试桩身应变，以此应变与初始应变的差值——附加应变作为分析系统的基本变量。数据分析系统基于桩身应变模式而开发，分析系统主要有数据预处理、桩身受力计算和成果显示几个模块。数据预处理主要是对异常识别、数据平滑、空间定位等功能；桩身受力分析包括轴力计算、弹性模量修正、桩身轴面修正、各土层摩擦阻力计算、桩端阻力计算等功能；成果以曲线、表格及彩图形式输出。

灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统改善效果

《灌注桩基础分布式光纤传感检测方法与系统》就以该项为核心发明出一套基于分布式光纤传感灌注桩监测方法和分析系统，该方法系统运用到桩基检测的将会推动该领域一次革新，这是因为与传统的桩基检测手段相比，具有以下优点：

（1）能实现分布式检测，由光纤的一端就可以准确地得到光纤沿线任一点的应力、温度、振动和损伤等信息，且这些信息都为线性或准线性信息，能克服传统点式检测漏检的弊端，提高监测效率，根据这些分布式信息，可以分析桩身应变分布特征，桩身轴力分布特征，桩身变形机理等，为桩基设计提供参考。

（2）最大量程范围达80千米，且传感光纤既能作为传感体又可作为传输体，可以实现长距离、全方位监测，能够满足超深钻孔灌注桩的测试要求。

（3）分布式光纤检测技术作为新型的传感检测技术，它的施工工艺简单，能够与钢筋混凝土协调变形，且能够避免电磁干扰，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤，成活率基本达到100％，避免了传统钢筋计的安装方法困难且成活率不高的弊端。

（4）传感光纤的封装是基于普通的通信用单模光纤，所以传感器的成本相对较低，加上成活率较高，因而可以大大节省检测费用，减少检测时间。随着技术的发展，光纤解调设备的研发和制造费用也越来越低，故该项技术能够全面推广。

（5）通过网络可以将其与计算机终端连接在一起，实现远程监控，同时结合计算机软件可以开发出远程实时监控系统、变形预警系统和结构物健康诊断系统等，为最终实现监测自动化提供条件。

（6）BOTDR不需要特制的传感器，只需要一根普通的通信光纤作为传感光纤。BOTDR不需要特制的传感器因此传感光纤的性能和铺设工艺等是BOTDR可以用于桩基检测中的关键方法和装置问题。

该方法系统具有分布式、高精度、安装简便及成本低廉等特点，可适用于各种施工工艺下完成的摩擦桩、端承桩、支盘桩等各种型灌注桩，能与锚桩反压、堆载及自平衡法等加载系统进行配合使用。

1、灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是利用光纤对应变的传感特性，将光纤植入灌注桩内，当混凝土凝固或受到外界荷载时将会和其周边混凝土发生同步变形，其发生的应变大小是桩身混凝土的应变值，此传感技术为分布式数据采集，即可得到桩身每一点的应变数据，根据应变结合桩身混凝土弹性模量和桩身面积即可推算出桩身轴力分布，轴力的变化速率就反算出侧摩阻力和桩端阻力。

2、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是将封装的分布式传感光纤对称的捆绑在钢筋笼放入钻孔中进行浇注，保护引出接入光纤应变解调仪器进行桩身应变和温度测试，并将数据储存或输出到终端处理器。

3、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是静载试验时每级荷载沉降稳定后测试光纤应变值与没有荷载时初始应变之差作为桩身在相应荷载作用下各截面的附加应变值分布。

4、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是附加应变值与混凝土弹性模量和桩身截面积的乘积得出桩身在各级荷载下桩身轴力分布，据此计算各土层的各级荷载下侧摩阻力和桩端阻力大小、发展趋势和极限值；根据应变分布变化异常来探测桩身缺陷的位置及类型；根据若干根对称光纤在同一截面点的应变差异判断荷载是否偏心及桩身是否扭曲。

5、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征以桩身分布式应变为基础，经桩身面积、弹性模量修正后得到桩身轴力分布规律；其中弹性模量根据桩头附近荷载与应变的比值、混凝土标号对应法或根据超声波波速来确定，桩身面积直接从测井资料中获取。

6、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是光纤现场铺设时：根据待测桩体的长度量放好光纤和载体，每根长度以桩长两倍外加余留5米；光纤在桩体环状加上径向双倍长度的分布光纤布置。

7、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是光纤铺设时，将带有凹槽的载体铺平于工作台，在凹槽中注入胶水，随即压入单模尼龙光纤抹平，利用吹风加快分干；胶水完全干结后，用线盘将光纤盘好包扎。

8、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是光纤置于强度很高的金属管内，待混凝土振捣完毕后，在混凝土凝固以前将金属管抽出或将光纤埋入按实际混凝土配比做成的小混凝土块中，再将它埋入结构；或将直径为0.9毫米的单模传感光纤利用胶剂粘合到双股护套光纤或电缆的凹槽中风干，定位并标定后作为传感光纤。将传感光纤沿着钢筋笼纵向主筋或导管的侧面进行捆绑铺设，铺设过程中保持光纤垂直并传感光纤一直对外；每根桩光纤至少铺设两根，对称分布，底部平滑过渡并保护，呈“U”字形。对于多节钢筋笼，最底部事先绑好再下，以上部分捆绑光纤要与下笼同步，对接处要防止焊接火花灼断光纤；灌入混凝土前将光纤保护从桩头侧边引出，并做标志定位。

9、由权利要求1所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是数据采集与分析在灌注桩浇筑之后根据桩的性质设定仪器所要测试的范围、频率、精度等参数，之后进行数据的采集；如果是试验采用静载试验中的慢速维持荷载法，每加一级荷载待后沉量达到相对稳定标准，就可以进行这一级的数据采集，每一次的数据采集都需要对布里渊波谱等信息进行检测。

10、由权利要求5中所述的所述的灌注桩基础分布式光纤传感检测方法，其特征是光纤保护方法，底部光纤沿箍筋绑定后加波纹管裹缓冲胶带保护；对于干孔作业防电焊火花采用光纤低于孔口并利用耐火布料覆盖孔口方式保护，对于湿孔作业还采用光纤没入泥浆液中保护；孔口引出光纤采用套上金属波纹管后引出。