基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统及试验方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统及试验方法，该系统包括能量桩、应变传感光纤、第一温度传感光纤、OFDR数据采集装置、OFDR数据处理与分析系统、监测结果显示系统、水循环系统、竖向荷载施加装置、轴力测试装置和桩周土体温度监测装置；在桩体上布设应变传感光纤和温度传感光纤，在桩周土体布设温度传感光纤，利用水循环系统对桩身水循环加热，利用竖向荷载施加装置对桩顶施加荷载，将OFDR光纤数据采集与传输系统采集的数据，再通过数据处理与分析系统获得桩身温度与应变和桩周土体温度信息，以图表形式显示在监测结果显示系统中。本发明专利技术测量精度高、施工布线简单，可对能量桩温度和应变分布进行动态测量。

【技术实现步骤摘要】
基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统及试验方法
本专利技术涉及岩土工程监测领域中的能量桩，尤其涉及一种基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统及试验方法。
技术介绍
地源热泵是利用地球表面浅层水源和土壤源中吸收的太阳能和地热能,并采用热泵原理,既可供热又可制冷的高效节能空调系统,其具有可再生、高效节能、污染小、环保、维护简单的优点，因而得到广泛的应用。近年来，基于对地下空间利用的考虑,工程技术人员将地源热泵与建筑桩基础结合起来,提出一种能量桩EnergyPiles，即通过在桩基础中埋设各种形状的换热器装置,进行浅层地温地热能转换,在满足常规桩基力学功能的同时还能通过桩体实现与浅层地能的热交换,起到桩基和地源热泵预成孔直接敷设埋管换热器的双重作用。现有技术中对能量桩桩身温度变化的研究还相对较少。目前多采用温度传感器来监测桩身温度，但此方式存在易受潮、受电磁干扰、数据引线过多、容易损坏造成监测数据缺失的缺点,不能全面获取桩身温度特征，难以实现能量桩的优化设计和施工。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术提供一种基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统及试验方法，以克服传统监测方法中的不足之处。技术方案：本专利技术基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，包括能量桩、应变传感光纤、第一温度传感光纤、OFDR数据采集装置、OFDR数据处理与分析系统、监测结果显示系统、水循环系统、竖向荷载施加装置和轴力测试装置；应变传感光纤和第一温度传感光纤呈U字形固定在能量桩上；水循环系统包括循环导管、控温控流速循环油泵、水泵和储水箱；循环导管通过水泵将水抽到控温控流速循环油泵中；控温控流速循环油泵对循环水进行温度与流速控制，循环导管呈螺旋形固定在能量桩桩体上；竖向荷载施加装置在桩顶施加预定设计荷载使能量桩发生沉降和压缩变形；竖向荷载施加装置包括锚桩、反力梁、钢梁、锚筋、高压油泵、千斤顶、压力传感器和位移传感器；锚桩与反力梁连接；轴力测试装置包括轴力计和轴力采集仪，轴力计位于桩顶；OFDR数据采集装置包括第一OFDR数据采集仪，第一OFDR数据采集仪采集能量桩桩身应变、温度数据；OFDR数据处理与分析系统控制竖向荷载施加启停，并通过压力传感器控制加荷量，通过位移传感器记录桩体沉降位移，得出能量桩应力应变数据、时间-温度曲线、荷载-轴力曲线、荷载-沉降曲线，监测结果显示系统将上述曲线以图形图表形式显示出。本专利技术还包括桩周土体温度监测装置，桩周土体温度监测装置包括钢筋、第二温度传感光纤和第二OFDR数据采集仪，第二OFDR数据采集仪将第二温度传感光纤测得的温度变化光信号转化为温度变化数据。数据处理与分析系统包括数据导入模块、数据处理模块、数据分析模块、数据出图模块和数据保护模块；数据导入模块包括数据接收、数据存储和数据管理模块；数据处理模块包括数据降噪平滑模块；数据分析模块对降噪平滑后的光纤数据进行分析转化，得出桩身应变及温度数据；数据保护模块包括用户识别模块及数据锁定模块。本专利技术基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验方法包括以下步骤：步骤(1)，将应变传感光纤和第一温度传感光纤呈U字形固定在能量桩桩体钢筋笼两根对称的主筋外侧面，对光纤进行预拉，在光纤U字弯折处和伸出桩身的部分均采用铠装保护套保护；步骤(2)，将循环导管通过埋管式呈螺旋形绑扎在桩体钢筋笼纵向主筋上；步骤(3)，将应变传感光纤、第一温度传感光纤及循环导管从桩顶侧壁引出，浇筑混凝土并养护；步骤(4)，将应变传感光纤和第一温度传感光纤端部分别与传感光纤熔接，循环导管与控温控流速循环油泵连接，控温控流速循环油泵与水泵连接；步骤(5)，将载荷板放置在桩顶，载荷板上部固定轴力计，将轴力计与轴力采集仪连接；步骤(6)，安装竖向荷载施加装置，以能量桩为中心，设置锚桩，锚桩与反力梁连接，将千斤顶水平放置在轴力计上，且千斤顶合力中心与桩轴线重合，将千斤顶与高压油泵连接，将压力传感器并联于千斤顶油路，位移传感器固定在桩顶；将反力梁上架设钢梁，将锚盒设在钢梁上，固定锚筋，将压力传感器与位移传感器连接于OFDR数据处理与分析系统；步骤(7)，将步骤(4)中的光纤接头与第一OFDR数据采集仪连接，设置好参数并检查系统连通性后进行初始值采集；步骤(8)，用控温控流速油泵启动水循环系统对能量桩加热，待桩身内部温度达到预设温度后停止水循环；步骤(9)，数据处理与分析系统通过压力传感器，配合高压油泵利用千斤顶施加反力，在桩顶施加预定设计荷载使能量桩发生沉降和压缩变形；步骤(10)，第一OFDR数据采集仪采集能量桩桩身应变分布及温度分布的实时数据，将采集的数据导入数据处理与分析系统，轴力采集仪将轴力数据无线传输到数据处理与分析系统，位移传感器与压力传感器记录荷载与沉降位移数据并导入数据处理与分析系统，得出应力应变曲线、时间-温度曲线、载荷-轴力曲线、荷载-沉降曲线，并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。桩周土体温度测量方法包括以下步骤：(a)沿钢筋表面长度方向刻凹槽；(b)将第二温度传感光纤水平铺设在凹槽内，采用环氧树脂沿传感光纤沿线进行全覆盖封装，并分段固定；(c)在桩周土体测试点出挖出与桩身等长深度的孔洞，并将固定有传感光纤的钢筋放入孔洞中；(d)引出温度传感光纤，光纤端部与传感光纤熔接，光纤熔接处加上热缩管；(e)将光纤接头与第二OFDR数据采集仪连接，设置好参数后进行初始值采集，核实监测数据有效性；(f)将采集的数据导入数据处理与分析系统，得出土体时间-温度曲线，并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。其中的测试点分内外两组，测试点分布在等边三角形角点上。工作原理：高精度分布式光纤监测为光频域反射OFDR(OpticalFrequencyDomainReflectometer)光纤监测技术，是分布式光纤传感技术的一种，其具有灵敏度高、空间分辨率高、抗干扰能力强、测量精度高、监测距离长、测量范围大和环境适应能力强的优点，可同时对温度、应变、断点损耗进行实时动态长期监测，其应变分辨率达可达1.0με，温度分辨率可达0.12℃，测量范围达到±30000με，温度范围为-270～900℃。本专利技术将高精度分布式光纤监测应用到能量桩温度及变形监测中，通过在能量桩桩体钢筋笼上布设应变传感光纤和温度传感光纤，在桩周土体布设温度传感光纤，利用水循环系统对能量桩桩身内部进行水循环加热，同时利用竖向荷载施加装置对能量桩桩顶进行竖向设计荷载施加，使用OFDR数据采集仪采集能量桩桩身应变分布及温度分布的实时数据，同时利用OFDR数据采集仪采集能量桩桩周土体温度分布，将采集的数据导入数据处理与分析系统，得出能量桩应力应变曲线、时间-温度曲线、载荷-轴力曲线、荷载-沉降曲线，以及桩周土体的时间-温度曲线，并将处理后的数据结果显示于监测结果显示系统。有益效果：本专利技术具有以下优点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，其特征在于：包括能量桩(1)、应变传感光纤(2)、第一温度传感光纤(3)、OFDR数据采集装置、OFDR数据处理与分析系统(5)、监测结果显示系统(6)、水循环系统、竖向荷载施加装置和轴力测试装置；/n所述应变传感光纤和第一温度传感光纤呈U字形固定在所述能量桩上；/n所述水循环系统包括循环导管(8)、控温控流速循环油泵(9)、水泵(10)和储水箱(11)；所述循环导管通过水泵将水抽到控温控流速循环油泵中；控温控流速循环油泵对循环水进行温度与流速控制，循环导管呈螺旋形固定在能量桩桩体上；/n所述竖向荷载施加装置在桩顶施加预定设计荷载使能量桩发生沉降和压缩变形；所述竖向荷载施加装置包括锚桩、反力梁、钢梁、锚筋、高压油泵、千斤顶、压力传感器和位移传感器；所述锚桩与反力梁连接；/n所述轴力测试装置包括轴力计和轴力采集仪，所述轴力计位于桩顶；/n所述OFDR数据采集装置包括第一OFDR数据采集仪，所述第一OFDR数据采集仪采集能量桩桩身应变、温度数据；/n所述OFDR数据处理与分析系统控制竖向荷载施加启停，并通过压力传感器控制加荷量，通过位移传感器记录桩体沉降位移，得出能量桩应力应变数据、时间-温度曲线、荷载-轴力曲线、荷载-沉降曲线，所述监测结果显示系统将上述曲线以图形图表形式显示出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，其特征在于：包括能量桩(1)、应变传感光纤(2)、第一温度传感光纤(3)、OFDR数据采集装置、OFDR数据处理与分析系统(5)、监测结果显示系统(6)、水循环系统、竖向荷载施加装置和轴力测试装置；
所述应变传感光纤和第一温度传感光纤呈U字形固定在所述能量桩上；
所述水循环系统包括循环导管(8)、控温控流速循环油泵(9)、水泵(10)和储水箱(11)；所述循环导管通过水泵将水抽到控温控流速循环油泵中；控温控流速循环油泵对循环水进行温度与流速控制，循环导管呈螺旋形固定在能量桩桩体上；
所述竖向荷载施加装置在桩顶施加预定设计荷载使能量桩发生沉降和压缩变形；所述竖向荷载施加装置包括锚桩、反力梁、钢梁、锚筋、高压油泵、千斤顶、压力传感器和位移传感器；所述锚桩与反力梁连接；
所述轴力测试装置包括轴力计和轴力采集仪，所述轴力计位于桩顶；
所述OFDR数据采集装置包括第一OFDR数据采集仪，所述第一OFDR数据采集仪采集能量桩桩身应变、温度数据；
所述OFDR数据处理与分析系统控制竖向荷载施加启停，并通过压力传感器控制加荷量，通过位移传感器记录桩体沉降位移，得出能量桩应力应变数据、时间-温度曲线、荷载-轴力曲线、荷载-沉降曲线，所述监测结果显示系统将上述曲线以图形图表形式显示出。


2.根据权利要求1所述的基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，其特征在于：还包括桩周土体温度监测装置，所述桩周土体温度监测装置包括钢筋、第二温度传感光纤和第二OFDR数据采集仪，第二OFDR数据采集仪将第二温度传感光纤测得的温度变化光信号转化为温度变化数据。


3.根据权利要求1所述的基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，其特征在于：所述数据处理与分析系统包括数据导入模块、数据处理模块、数据分析模块、数据出图模块和数据保护模块；
所述数据导入模块包括数据接收、数据存储和数据管理模块；数据处理模块包括数据降噪平滑模块；数据分析模块对降噪平滑后的光纤数据进行分析转化，得出桩身应变及温度数据；数据保护模块包括用户识别模块及数据锁定模块。


4.根据权利要求1所述的基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，其特征在于：所述千斤顶位于轴力计上，位移传感器位于桩顶，钢梁位于反力梁上。


5.一种基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的基于高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统，所述试验方法包括以下步骤：
步骤(1)，将应变传感光纤和第一温度传感光纤呈U字形固定在能量桩桩体钢筋笼两根对称的主筋外侧面，对光纤进行预拉，...

【专利技术属性】
技术研发人员：高磊，周乐，刘汉龙，刘胤，孔纲强，韩川，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32