本發(fā)明涉及土木工程結構健康監(jiān)測，特別涉及一種基于分布式光纖傳感技術的地下樁基和建筑結構件安全監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法。

背景技術：

1、樁基檢測是每個橋梁必做的安全質(zhì)量檢測工作，其實在橋梁或者其他重要的結構物施工工程中，樁基一直以來是頭等大事，樁基出現(xiàn)任何問題，不僅會造成成本的巨大損失，而且會對工期產(chǎn)生很大影響，所以應該引起我們的高度重視。樁基檢測就是在樁基施工完畢后，對樁進行檢測的過程，有檢測完整性，也有檢測抗壓，抗拔，抗水平的力。主要是對工程樁進行樁基檢測，單試樁的樁也很有可能在試樁前進行完整性檢測，再試樁。

2、根據(jù)《建筑樁基檢測技術規(guī)范》(jgj106-2014)，樁基檢測的主要方法有靜載試驗、鉆芯法、低應變法、高應變法、聲波透射法等幾種。

3、靜載試驗法：這是公認的檢測基樁豎向抗壓承載力最直接、最可靠的試驗方法。但在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，基準樁的問題有時會被檢測人員所忽視，容易出現(xiàn)基準樁打入深度不足，試驗過程產(chǎn)生位移的問題。

4、靜載實驗可以分為：堆載實驗、錨樁法。

5、鉆芯法：這種方法具有科學、直觀、實用等特點，在檢測混凝土灌注樁方面應用較廣。一次完整、成功的鉆芯檢測，可以得到樁長、樁身混凝土強度、樁底沉渣厚度和樁身完整性的情況，并判定或鑒別樁端持力層的巖土性狀。抽芯技術對檢測判斷的影響很大。某工程先用xy－1型工程鉆機，采用硬質(zhì)合金單管鉆具，用低壓慢速小泵量及干鉆相結合的鉆進方法，結果采芯率不到70％，芯樣完整性極差，大多呈碎塊；后來改用scz－1型液壓鉆機，采用金剛石單動雙管鉆具，采芯率達99％，芯樣呈較完整的圓柱狀。所以，《鉆機適用技術規(guī)范》對鉆機和鉆頭作了相應的規(guī)定，就是為了避免抽芯驗樁的誤判。

6、反射波法：在國內(nèi)，絕大多數(shù)的檢測機構采用反射波法(瞬態(tài)時域分析法)檢測樁身完整性，主要原因是其儀器輕便、現(xiàn)場檢測快捷，同時將激勵方式、頻域分析方法等作為測試、輔助分析手段融合進去。當然，低應變法檢測時，不論缺陷的類型如何，其綜合表現(xiàn)均為樁的阻抗變小，而對缺陷的性質(zhì)難以區(qū)分，這是其最大的局限性。

7、高應變法：它的主要功能是判定樁豎向抗壓承載力是否滿足設計要求。高應變法在判定樁身水平整合型縫隙、預制樁接頭等缺陷時，能夠在查明這些“缺陷“是否影響豎向抗壓承載力的基礎上，合理判定缺陷程度，可作為低應變法的補充驗證手段。在某些地區(qū)，利用高應變法增加承載力和完整性的抽查頻率，已成為一種普遍做法。

8、聲波透射法：與其他完整性檢測方法相比，聲波透射法能夠進行全面、細致的檢測，且基本上無其他限制條件。但由于存在漫射、透射、反射，對檢測結果會造成影響。涌現(xiàn)的多通道超聲波檢測儀，使得檢測效率成倍的提高。該檢測方法是獲得一組(剖面)聲學數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析，剔除異常值后計算平均值(聲速和波幅)，然后再將每個測點的數(shù)據(jù)與平均值進行比較，超過一定范圍(如波幅下降6db)即認為該點存在缺陷。該檢測方法同樣可應用于地下連續(xù)墻、水利壩體的檢測。

9、低應變動測法：低應變動測法是使用小錘敲擊樁頂，通過粘接在樁頂?shù)膫鞲衅鹘邮諄碜詷吨械膽Σㄐ盘?，采用應力波理論來研究樁土體系的動態(tài)響應，反演分析實測速度信號、頻率信號，從而獲得樁的完整性。該方法檢測簡便，且檢測速度較快，但如何獲取好的波形，如何較好地分析樁身完整性是檢測工作的關鍵。

10、測試過程是獲取好信號的關鍵，測試中應注意：①測試點的選擇。測試點數(shù)依樁徑不同、測試信號情況不同而有所不同，一般要求樁徑在120cm以上，測試3～4點。②錘擊點的選擇。錘擊點宜選擇距傳感器20～30cm處不必考慮樁徑大小。③傳感器安裝。傳感器根據(jù)所選測試點位置安裝，注意選擇好粘貼方式，一般有石蠟、黃油、橡皮泥在保證樁頭干燥，沒積水的情況下。④盡量多采集信號。一根樁不少于10錘，在不同點，不同激振情況下，觀測波形的一致性，以保證波形真實且不漏測。

11、超聲檢測法：非金屬超聲檢測儀，是采用超聲回彈綜合法檢測混凝土強度、混凝土內(nèi)部缺陷的檢測和定位、混凝土裂縫深度檢測(采用優(yōu)化跨縫檢測方式)混凝土裂縫寬度檢測、自動讀數(shù)帶拍照超聲透射法自動檢測、判定樁基完整性(具有一發(fā)雙收功能)。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供了一種光纖地下樁基和建筑結構件安全監(jiān)測系統(tǒng)和監(jiān)測方法。

2、為了實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術方案如下：

3、一種光纖地下樁基和建筑結構件安全監(jiān)測系統(tǒng)，包括樁基1、建筑結構件2、樁基1和建筑結構件2內(nèi)的鋼筋3、沿鋼筋3布設的輕型鎧裝光纜4、das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5以及測量和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理計算機6；

4、所述輕型鎧裝光纜4內(nèi)設有一根高靈敏度單模光纖41、兩根高靈敏度多模光纖43和一根應變光纖44；

5、das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5的das信號輸入端、dts信號雙端輸入端和dss信號輸入端分別與輕型鎧裝光纜4內(nèi)的高靈敏度單模光纖41、高靈敏度多模光纖43和應變光纖44相連接；

6、在樁基1和建筑結構件2開始澆筑水泥前，das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5啟動，實時連續(xù)監(jiān)測樁基1和建筑結構件2內(nèi)的高靈敏度多模光纖43和應變光纖44在水泥澆筑和凝固過程中測量到的沿輕型鎧裝光纜4的溫度和應力變化。

7、作為優(yōu)選，高靈敏度單模光纖41的尾端裝有消光器42。

8、作為優(yōu)選，兩根高靈敏度多模光纖43在尾端熔接成u字形，以便進行dts雙端輸入的高精度溫度測量。

9、作為優(yōu)選，應變光纖44外表面緊密包裹了一層柔性復合材料45，以提高應變光纖44的靈敏度，便于測量和長期實時監(jiān)測樁基1和建筑結構件2內(nèi)的應力和應變分布及變化。

10、本發(fā)明還公開了一種基于上述光纖地下樁基和建筑結構件安全監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測方法，包括以下步驟：

11、1)將用于地下樁基和建筑結構件安全監(jiān)測的輕型鎧裝光纜4固定到沿地下樁基1或建筑結構件2延伸方向的鋼筋3上。

12、2)將輕型鎧裝光纜4首端的單模光纖41連接到das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5的das信號輸入端，將兩根尾端熔接成u字形的多模光纖43連接到dts信號雙端輸入端，將應變光纖44連接到dss信號輸入端。

13、3)啟動das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5進行自檢，確保所有功能正常。

14、4)設置地下樁基1和建筑結構件2在水泥凝固過程中允許的溫度和應變變化的安全閾值。

15、5)向地下樁基1模具和建筑結構件2模具內(nèi)澆筑水泥，建造地下樁基1或建筑結構件2。

16、6)啟動das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5，實時連續(xù)采集沿輕型鎧裝光纜4分布的dts和dss信號。

17、7)das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5對采集的dts和dss信號進行解調(diào)，輸出沿輕型鎧裝光纜4分布的實時溫度和應變數(shù)據(jù)。

18、8)用實時測量的溫度數(shù)據(jù)對步驟7中輸出的應變數(shù)據(jù)進行溫度漂移校正，獲得真實的應變數(shù)據(jù)。

19、9)在地下樁基1和建筑結構件2的水泥凝固過程中，實時連續(xù)測量和監(jiān)測地下樁基1和建筑結構件2內(nèi)部的溫度和應變分布。如果任何部分或區(qū)域的溫度和應變變化超過預設閾值，監(jiān)測系統(tǒng)將向施工方發(fā)出預警信息，提醒施工方關注異常，防止地下樁基1和建筑結構件2內(nèi)部出現(xiàn)水泥澆筑不完全、內(nèi)部有空洞或斷裂情況。

20、10)水泥凝固后，用橡皮錘敲擊地下樁基1的頂部和建筑結構件2的一端，敲擊信號同時觸發(fā)das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5同步采集輕型鎧裝光纜4沿線的das數(shù)據(jù)，計算直達縱波在樁基1和建筑結構件2內(nèi)部傳播的速度。

21、11)通過分析直達縱波在樁基1和建筑結構件2內(nèi)部水泥中傳播的速度和波幅，了解水泥澆筑和凝固的質(zhì)量，根據(jù)橡皮錘敲擊后產(chǎn)生的沿輕型鎧裝光纜4周圍水泥內(nèi)傳播的直達縱波的走時與時間，計算直達縱波在樁基1和建筑結構件2內(nèi)部傳播的速度；如果速度和波幅均勻穩(wěn)定，說明澆筑質(zhì)量良好。對所有測量數(shù)據(jù)剔除異常值后計算平均值，并與每個測點的實測數(shù)據(jù)進行比較，若波幅下降超過設定范圍，則認為存在缺陷。

22、12)在樁基1和建筑結構件2長期使用過程中，定期或不定期測量樁基1和建筑結構件2內(nèi)水泥的直達縱波的速度及變化，了解長期使用中出現(xiàn)的質(zhì)量問題，及時發(fā)現(xiàn)潛在的破裂或斷裂風險。

23、13)對于重要或長期高負載條件下的樁基1和建筑結構件2，要進行長期實時連續(xù)監(jiān)測，利用das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器5監(jiān)測內(nèi)部縱波速度和應變的分布及變化，及時發(fā)現(xiàn)潛在風險，防止樁基1和建筑結構件2發(fā)生斷裂或坍塌事故。

24、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

25、1.高精度監(jiān)測：利用高靈敏度的光纖傳感器，可以實現(xiàn)對溫度和應變的高精度監(jiān)測，確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

26、2.實時監(jiān)測：系統(tǒng)能夠?qū)崟r連續(xù)地采集數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)并預警潛在的結構問題，防止重大安全事故的發(fā)生。

27、3.全覆蓋監(jiān)測：沿鋼筋布設的光纜可以對樁基和建筑結構件進行全方位監(jiān)測，確保監(jiān)測無死角。

28、4.長壽命和高耐久性：光纖傳感器具有長壽命和高耐久性，適用于長期監(jiān)測，能夠在惡劣環(huán)境下保持穩(wěn)定工作。

29、5.無損檢測：采用非侵入式的光纖傳感技術，不會對結構本身造成任何損傷，確保結構的完整性。

30、6.早期預警：在施工和使用過程中，系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測溫度和應變的異常變化，及時發(fā)出預警信息，便于施工方和維護人員及時采取措施。

31、7.多功能一體化：das/dts/dss復合調(diào)制解調(diào)儀器集成了多種傳感功能，能夠同時監(jiān)測溫度、應變和振動等多種參數(shù)，提高監(jiān)測效率和系統(tǒng)集成度。

32、8.數(shù)據(jù)分析與處理：系統(tǒng)配備的數(shù)據(jù)分析處理計算機能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進行全面分析，提供詳細的監(jiān)測報告和施工質(zhì)量評估。

33、9.適用范圍廣泛：該系統(tǒng)適用于各種類型的地下樁基和建筑結構件，不受結構形式和材料的限制，具有廣泛的應用前景。

34、10.降低維護成本：通過實時監(jiān)測和預警，能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，減少維護和維修的頻率，從而降低整體維護成本。