本發(fā)明涉及一種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測裝置及方法，具體涉及一種基于OBR技術(shù)的預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及使用方法。

背景技術(shù)：

預(yù)制樁由于成樁質(zhì)量好、施工效率高、單位面積承載力大等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到廣泛應(yīng)用，研究預(yù)制樁在豎向荷載作用下的樁身應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)于確定預(yù)制樁的承載力，推廣預(yù)制樁的使用具有重要作用。在目前的科研試驗(yàn)和工程建設(shè)中，預(yù)制樁樁身應(yīng)變的監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的電式應(yīng)變片，應(yīng)變片安裝和布設(shè)操作繁瑣，測點(diǎn)存活率低，且監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)。在應(yīng)變片過多的情況下，必須沿樁身導(dǎo)出多條應(yīng)變片數(shù)據(jù)線，監(jiān)測效率低，難以較好地滿足科研和工程的需要。在現(xiàn)有的基于光纖技術(shù)的樁身應(yīng)變監(jiān)測方法中，主要有FBG技術(shù)、BOTDR技術(shù)和BOFDA技術(shù)，F(xiàn)BG傳感器制作工藝復(fù)雜，價(jià)格昂貴，并且沒有逃脫傳統(tǒng)點(diǎn)式傳感器的局限，BOTDR和BOFDA都是分布式監(jiān)測技術(shù)，但是空間分辨率和監(jiān)測精度不高，不能滿足一些科研實(shí)驗(yàn)和工程建設(shè)的監(jiān)測需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種基于OBR技術(shù)的預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及使用方法。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于OBR技術(shù)的預(yù)制樁樁身應(yīng)變監(jiān)測裝置主要包括豎向加載模塊、光纖布設(shè)模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊，其中，豎向加載模塊包括反力架、千斤頂、墊板和圍樁，光纖布設(shè)模塊包括待測預(yù)制樁、光纖和粘結(jié)劑，數(shù)據(jù)采集處理模塊包括光纖信號(hào)數(shù)據(jù)采集儀和預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)。

作為優(yōu)選，所述光纖布設(shè)模塊中，光纖在樁身表面呈U字型布設(shè)，在光纖U字彎折處和伸出樁身的部分用鎧裝護(hù)套進(jìn)行保護(hù)。

作為優(yōu)選，所述光纖布設(shè)模塊中，所述粘結(jié)劑由環(huán)氧樹脂和玻璃鋼膠按體積比4:3配置。

作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊中，光纖信號(hào)采集儀采用OBR光頻域數(shù)據(jù)采集儀。

作為優(yōu)選，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊中，預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)對(duì)光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍，并在小范圍的波動(dòng)數(shù)據(jù)中提取均值，最終呈現(xiàn)監(jiān)測樁樁身應(yīng)力應(yīng)變曲線。

本發(fā)明同時(shí)提供上述監(jiān)測系統(tǒng)的使用方法，包括以下步驟：

步驟1，對(duì)預(yù)制樁樁身表面進(jìn)行打磨，清理和刻槽；

步驟2，根據(jù)樁長截取相應(yīng)的光纖長度，在光纖U字彎折處和伸出樁身的部分用鎧裝護(hù)套進(jìn)行保護(hù)；

步驟3，將光纖在樁身表面呈U字型布設(shè)，用快干膠或膠帶進(jìn)行光纖初步固定；

步驟4，利用環(huán)氧樹脂和玻璃鋼膠按體積比4:3配置專用粘結(jié)劑，充分?jǐn)嚢韬笤诠饫w表面進(jìn)行涂抹；

步驟5，待樁體表面的粘結(jié)劑完全凝固后，對(duì)涂膠部位進(jìn)行再次打磨，打磨平滑后進(jìn)行沉樁，沉樁時(shí)避免樁頭光纖受損；

步驟6，焊接反力架，設(shè)置好千斤頂和墊板；

步驟7，將光纖接頭接入OBR數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，檢查系統(tǒng)聯(lián)通性并進(jìn)行初始值的采集，核實(shí)數(shù)據(jù)有效性后進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載的施加和數(shù)據(jù)采集；

步驟8，將數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍、均值等一系列處理后作出預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變曲線。

有益效果：本發(fā)明將OBR（Optical Backscatter Reflectometer）光纖數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用到預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測中，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的使用方法，具有以下顯著的進(jìn)步：

1.將光纖技術(shù)應(yīng)用于樁身應(yīng)變監(jiān)測，相較于傳統(tǒng)監(jiān)測手段，光纖監(jiān)測具有測點(diǎn)存活率高、采集數(shù)據(jù)全面、可實(shí)時(shí)監(jiān)測等優(yōu)勢；

2.采用OBR技術(shù)對(duì)光纖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，相較于其它光纖數(shù)據(jù)采集技術(shù)，OBR技術(shù)能在500m的監(jiān)測范圍內(nèi)達(dá)到-125dB的高靈敏度和1.5mm的高分辨率，實(shí)現(xiàn)樁身應(yīng)變的零死區(qū)監(jiān)測；

3.OBR 4200數(shù)據(jù)采集儀小巧、結(jié)實(shí)、便攜，能夠?qū)崿F(xiàn)在工程現(xiàn)場的快速移動(dòng)和監(jiān)測；

4.環(huán)氧樹脂和玻璃鋼膠配置的粘結(jié)劑提高了光纖傳感器的存活率、防水性、耐久性和耐腐蝕性，使其能夠適應(yīng)工程一線的各種惡劣環(huán)境；

5.采用預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理；

6.隨著相應(yīng)技術(shù)的發(fā)展，OBR光纖數(shù)據(jù)采集儀的研發(fā)和制造費(fèi)用也將越來越低，相應(yīng)的工程監(jiān)測成本也會(huì)降低，故該項(xiàng)技術(shù)能夠得到全面推廣與應(yīng)用。

除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的基于OBR技術(shù)的預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)及使用方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為荷載施加模塊的俯視圖；

圖3a為單節(jié)樁樁身光纖布設(shè)示意圖；

圖3b為單節(jié)樁橫截面光纖布設(shè)示意圖；

圖4a為多根樁樁身光纖布設(shè)示意圖；

圖4b為多根樁橫截面光纖布設(shè)示意圖；

圖5為OBR數(shù)據(jù)采集儀的工作模塊分解圖；

圖6為預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)的界面示意圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

本實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)共分為3大模塊，加載施加模塊，光纖布設(shè)模塊，采集處理模塊。1為工字型剛梁，2為連接鋼板與圍樁的鋼筋，連接方式采用焊接，3為千斤頂。4為剛性墊板，大小與樁徑相當(dāng)。5為光纖，采用PE光纖，6為試驗(yàn)樁，7為光纖跳線，用來連接待測光纖與OBR數(shù)據(jù)采集儀，與待測光纖之間采用光纖熔接機(jī)熔接。8為OBR數(shù)據(jù)采集儀，包括光纖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和光纖信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),9為預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)。

圖2為荷載施加模塊的俯視圖。單節(jié)樁光纖布設(shè)如圖3a、3b所示，圖3a為樁身布置示意圖，圖3b為橫截面布置示意圖，5-1為樁頭預(yù)留的光纖，5-3為樁底U字型光纖，這兩部分都用保護(hù)套進(jìn)行保護(hù)，5-2為布設(shè)在樁身表面的光纖，用特制粘結(jié)劑與樁身固定。圖4a為多根樁樁身光纖布設(shè)示意圖，圖4b為多根樁橫截面光纖布設(shè)示意圖。從上往下第一節(jié)樁的光纖布設(shè)與單節(jié)樁相同，第二節(jié)樁樁身部分的布置與單節(jié)樁相同，超出樁身的部分用保護(hù)套進(jìn)行保護(hù)后順著樁身伸出地面，這部分無需與樁身粘結(jié)。圖5為OBR數(shù)據(jù)采集儀的工作模塊分解圖，數(shù)據(jù)采集模塊的作用是光纖原始數(shù)據(jù)的采集，信號(hào)數(shù)據(jù)采集模塊是將光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于后期處理，圖形呈現(xiàn)模塊是將數(shù)字信號(hào)以圖形的方式展現(xiàn)出來，從圖中能看出樁身相應(yīng)位置的應(yīng)變值及其變化趨勢，但是由于OBR的空間分辨率很高，數(shù)據(jù)較為密集，曲線波動(dòng)大，不能直接使用，因而要通過數(shù)據(jù)輸出模塊將數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。圖6為預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)的界面示意圖，數(shù)據(jù)導(dǎo)入前輸入樁身的彈性模量，以便通過應(yīng)變得到相應(yīng)的應(yīng)力值，數(shù)據(jù)導(dǎo)入后系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和處理，在樁身長度處輸入長度值，就可得到相應(yīng)位置處的應(yīng)力應(yīng)變曲線，也可將所有數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)進(jìn)行人為選用。

使用時(shí)，運(yùn)用OBR光頻域技術(shù)對(duì)光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括以下步驟：

1）對(duì)預(yù)制樁樁身表面進(jìn)行打磨和清理；

2）根據(jù)樁長截取相應(yīng)的光纖長度，在光纖U字彎折處和伸出樁身的部分用鎧裝護(hù)套進(jìn)行保護(hù)；

3）光纖在樁身表面呈U字型布設(shè)，用快干膠或膠帶進(jìn)行光纖初步固定；

4）利用環(huán)氧樹脂和玻璃鋼膠按體積比4:3配置專用粘結(jié)劑，充分?jǐn)嚢韬笤诠饫w表面進(jìn)行涂抹；

5）待樁體表面的粘結(jié)劑完全凝固后，對(duì)涂膠部位進(jìn)行再次打磨，打磨平滑后進(jìn)行沉樁，沉樁時(shí)避免樁頭光纖受損；

6）焊接反力架，設(shè)置好千斤頂和墊板；

7）將光纖接頭接入OBR數(shù)據(jù)采集儀，設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，檢查系統(tǒng)聯(lián)通性并進(jìn)行初始值的采集，核實(shí)數(shù)據(jù)有效性后進(jìn)行設(shè)計(jì)荷載的施加和數(shù)據(jù)采集；

8）將數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變處理系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍、均值等一系列處理后作出預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變曲線。

考慮到OBR技術(shù)高精度測量，最長距離為70米，建議樁長為30米，進(jìn)行U形布設(shè)，樁長超過30米，建議單端布設(shè)，滿足實(shí)際工程需要。

本發(fā)明將OBR技術(shù)應(yīng)用于預(yù)制樁樁身應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測中，當(dāng)在樁頭上施加豎向荷載時(shí)，通過光纖不同位置處的光信號(hào)波長會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)溫度保持不變時(shí)，波長與應(yīng)變有非常好的線性關(guān)系，在OBR數(shù)據(jù)采集儀上即可顯示記錄的應(yīng)變和波長數(shù)據(jù)。光纖在樁體上采用U形布設(shè)，由于光纖監(jiān)測不需要構(gòu)成回路，所以U形線的兩端都可以作為接入點(diǎn)，當(dāng)一端的接頭出現(xiàn)損壞時(shí)，可以從另一端監(jiān)測到整個(gè)U形光纖上的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。