一种基于分布式光纤传感的桩基施工质量识别装置的制作方法

本技术属于岩土工程施工监测与质量控制，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的桩基施工质量识别装置，适用于钻孔灌注桩、变截面桩及扩大头桩的全过程质量在线监测与联动控制。

背景技术：

1、钻孔灌注桩作为建筑与市政工程中最常用的深基础形式，其施工流程通常包含成孔（旋挖/冲击/护筒护壁/泥浆护壁）、清孔、钢筋笼制作与下放、导管安设、混凝土灌注与拔管等多环节、多工序协同。由于地层条件、泥浆性能、成孔稳定性和灌注工况瞬态波动较为复杂，现场极易出现一系列典型质量问题：其一，缩颈多发生在砂夹层或局部涌砂段，当护壁压力不足或泥浆比重偏低、提升钻具过快引起孔内负压时，孔壁向内蠕入造成有效直径减小；其二，断桩常与钢筋笼浮动、混凝土坍落度偏小、导管底口埋深失控或长时间中断灌注有关；其三，孔壁坍塌往往由地层扰动、泥浆失稳或停机时间过长诱发；其四，夹泥与离析源于清孔不彻底、导管埋深不足或泵送参数突变导致的拌合料分层与水泥浆析离；其五，桩端沉渣过厚会显著削弱端阻与侧摩协同；其六，成孔偏位则与设备摆动、成孔纠偏不足及地层偏斜等因素相关。上述缺陷一旦在施工过程中未被及时识别与处置，往往要到成桩检测阶段才被发现，不仅返修代价高，而且对后续承载性能与工期产生不利影响。

2、现有桩基质量检测主要采用低应变反射波法、超声透射法、超声回弹/回波法、钻芯法及声测管配合水下电视等手段。这类方法多用于成桩后的离线检测：低应变法对明显缩颈、断桩等不连续性较敏感，但对轻微截面变化与材料非均质的判别存在不确定性；超声透射需要预埋声测管，布置受限且主要反映混凝土致密性与同质性，对沉渣厚度、导管离析等施工瞬态问题难以给出过程级诊断；钻芯具有破坏性且点位有限，不适合大面积普查。更为关键的是，这些方法普遍无法在“浇筑进行时”提供实时反馈与联动干预能力，导致质量控制从根本上仍停留在“事后识别”的被动阶段。

3、分布式光纤传感（distributedfiberopticsensing，dfos）因其沿全长连续测量、远距离传输与抗电磁干扰等优势，近年来被引入桩基监测以获取桩身应变与温度场信息。典型的布里渊频移类（botdr/botda）可实现米级空间分辨率与百米～千米级量程，瑞利散射基于ofdr可获得更高分辨率，拉曼散射可用于温度补偿或热过程识别。借助dfos，有望在灌注阶段捕捉混凝土上升前缘、导管埋深变化、局部离析引发的应变异常，以及在成桩后获取沿深度方向的应变剖面以反演桩土作用状态。

4、然而，dfos在复杂桩基工况下的工程化应用仍面临多重技术瓶颈。首先是“应变转移效率不足”问题：光纤本体通常包覆护套并经保护导管或胶粘材料与钢筋/混凝土界面耦合，若锚固间距过大、粘结材料在碱性环境中老化、保护构造过度隔离或局部空鼓，则会产生明显的剪滞效应和滑移，导致光纤测得的应变较真实混凝土应变出现幅值衰减与相位滞后，从而影响定量判断的可靠性。其次是“光纤易损”与施工扰动风险：钢筋笼吊装/对接、下笼穿越护筒、导管安装与泵送振动均可能引发光纤微弯与拉伤，过小弯曲半径、焊接飞溅、锋利棱角及钢筋绑扎应力集中都会造成衰减上升甚至断纤；同时，孔内泥浆流动与砂粒冲刷也会对暴露段光纤产生磨蚀。再次是“布设工艺离散性”问题：不同施工队伍在光纤路径选择、锚固构件形式、间距与加密区段、端部回路与接续方式等方面缺乏统一标准，导致同类工程之间的信号质量与可比性差，数据后处理与阈值设定难以通用。

5、变截面桩与受水平作用显著的桩段对dfos提出了更高要求。变径/扩大头部位的几何突变会引起应力场再分配与应变梯度急剧变化，若布设密度与锚固构造未作针对性增强，极易出现“过渡段失真”，使得缩颈、离析或充盈不足等缺陷的识别灵敏度下降。受水平荷载或侧向扰动（如成孔偏心、钢筋笼偏位、孔壁局部坍塌）影响的桩段，会表现为环向/对称面内显著不均的轴向应变分布，要求在周向或多路径上进行差分判读。传统单路径、单侧布设的方案难以兼顾空间分布特征与抗扰性，限制了对复杂受力状态的准确识别。

6、另外，温度–应变交叉敏感也是现场应用中的普遍挑战。灌注阶段混凝土水化放热引起的温度场快速演化，会叠加到光纤信号上造成“热–力耦合”干扰；若缺失同路径温度补偿参考或补偿路径与应变路径环境条件不一致，就可能将温度效应误判为结构应变异常，干扰对沉渣、离析与缩颈的在线识别。再加之现场电机、泵站与钻机带来的宽带噪声，原始数据需要经过稳定、低延迟的滤波与异常检测算法才能支撑实时决策。

7、更为重要的是，现有dfos工程应用大多停留在“数据采集—离线分析”的监测层，尚未与施工设备形成有效的过程联动。也就是说，即便光纤捕捉到了异常特征，结果往往在施工后期或成桩后方才完成研判，错过了通过调整泵送速度、导管埋深、坍落度控制或短暂停浇等手段进行“就地纠偏”的最佳时机。这种“监而不控”的状态，使dfos的实时性优势难以转化为质量可控性的实质提升。

8、综上所述，钻孔灌注桩施工对质量问题的敏感性与现有检测手段的滞后性之间存在突出矛盾；而dfos虽具备全长、连续、抗干扰等显著优势，但在应变高效转移、抗施工损伤、变截面/受水平段适配、温度补偿一致性以及与施工装备的实时联动方面仍缺乏成熟的工程化成套技术。因此，迫切需要一种在布设构造、端部回路、防护与锚固、温度–应变分离、边缘计算与阈值管理以及设备联锁控制等方面形成系统化解决方案的装置与系统，以实现从“事后检测”向“过程识别+主动控制”的转变，提升桩基施工质量的可视化与可控化水平。

技术实现思路

1、本实用新型提出了一种基于分布式光纤传感的桩基施工质量识别装置，通过应变光纤布设与防护导管、桩端回路与锚固卡具、温度补偿光纤与设备联锁等成套技术，实现桩基施工全过程、全长度、准实时的应力监测，克服现有技术在事后检测、应变传递不稳、光纤易损、变截面/受水平段识别困难、温-应交叉干扰以及“监而不控”等方面的不足。

2、为实现上述技术目的，本实用新型的目的是提供一种基于分布式光纤传感的桩基施工质量识别装置，包括：

3、沿钢筋笼轴向布设在钢筋笼主筋外侧的应变光纤，用于采集桩基不同点位的应变参数；

4、沿钢筋笼轴向布设在脱粘区或防护导管内的温度补偿光纤，用于采集桩基不同点位的温度参数；

5、套设于应变光纤和/或温度补偿光纤外侧的防护导管，在所述防护导管上开设有不同高度的微孔或开窗槽；

6、设于微孔或开窗槽处的锚固卡具，所述防护导管通过锚固卡具与钢筋笼主筋固定连接；

7、数据采集设备，用于接收所述应变参数和温度参数；其中：

8、所述应变光纤、温度补偿光纤依次通过接续盒、分布式光纤解调主机、数据线与数据采集设备连接。

9、以此实现多孔防护导管在保护光纤的前提下提升应变转移效率；锚固卡具用于消除切损、保证应变连续传递；通过光纤数据采集与分析，反馈泵送设备，实现基于光纤信号的实时停泵/限流。

10、优选的，所述锚固卡具由弧形压条与带孔底座组成，固定于钢筋笼纵筋的外侧，用于限定应变光纤、温度补偿光纤与防护导管的相对位置。

11、优选的，所述弧形压条的内侧设有柔性垫片。

12、优选的，所述应变光纤为单模光纤或少模光纤。

13、优选的，所述防护导管的外径范围是8mm～20mm、壁厚范围是0.5mm～1.5mm；微孔的孔径范围是0.5mm～2.0mm，孔距范围是50mm～150mm。

14、优选的，所述开窗槽的宽度范围是6mm～12mm、长度范围是20mm～40mm。

15、优选的，所述防护导管为pa管，或peek管，或不锈钢管。

16、优选的，所述应变光纤的上端与接续盒连接，所述应变光纤的下端通过u形导向座回折后装配反射端帽。

17、优选的，所述分布式光纤解调主机的解调频率为2hz，空间分辨率为0.25m。

18、优选的，所述分布式光纤解调主机连接边缘处理终端，所述边缘处理终端与混凝土泵送系统的报警/联锁装置连接。

19、本实用新型的优点及积极效果为：

20、本实用新型通过应变光纤布设与防护导管、桩端回路与锚固卡具、温度补偿光纤与设备联锁等成套技术，实现桩基施工全过程、全长度、准实时的应力监测。具体而言，-应变光纤采用防护导管结构，有效避免敷设与服役期间的机械损伤和化学侵蚀；桩端回路设计结合高强度锚固卡具，确保应变光纤在桩体深度方向连续可靠布设，增强应变传递稳定性，并能够准确识别变截面及水平受力区段；温度补偿光纤与主传感光纤协同布置，后续对数据进行分析时，可以通过差分算法消除温度变化对应力信号的干扰，提高监测数据的准确性与可靠性；同时，设备联锁机制将监测信号实时反馈至控制系统，实现应力超限即时预警与调控响应，从根本上克服了现有技术在事后检测、应变传递不稳、光纤易损、变截面/水平段识别困难、温-应交叉干扰以及“监而不控”等方面的不足。