基于桩体热传导模型的桩身完整性检测研究.pdf

江西建材质量控制与检测532023年6 月基于桩体热传导模型的桩身完整性检测研究郭元培福建工大建设工程检测有限公司，福建 南平 350499摘 要：桩的传热效果一定程度上决定了桩体本身的性能特点，如何在试验前期预估桩体的完整性至关重要。文中通过建立模型，试验模拟桩体热传导现象，在一定准备工作的基础上，对桩体热传导特征、灌注桩热传导的响应以及温度传播损耗规律进行分析。结果表明，中心光纤加热功率与桩体加热速度成正比，且光纤层温度上升情况跟半径相关；初始温度与土体界面温度呈正相关，且土体界面初始温度与桩体温度相似；加热功率与金属铠保护层内外径表面温升值呈线性关系，内径对温度的控制与保留要强于外径。金属铠保护层内外径表面温升值与加热功率成正比，径的温度保存效果也远好于外径。关键词：桩；热传导；完整性；建立模型中图分类号：TU473文献标识码：A文章编号：1006-2890（2023）06-0053-03Research on Pile Body Integrity Detection Based on Pile Hat Conduction ModelGuo YuanpeiFujian University of Technology Construction Engineering Testing Co.Ltd.,Nanping,Fujian 350499Abstract:The study of pile heat conduction has always been a key research project in China.The heat transfer effect of pile determines the performance characteristics of pile itself to some extent.How to estimate the integrity test of pile in the early test is very important.By establishing the model,and simulating the heat conduction phenomenon of the pile by the test,the heat conduction characteristics of the pile,the response of the heat conduction and the temperature transmission loss law are analyzed on the basis of certain preparation.The results show that the heating power of the central optical fiber is proportional to the heating speed of the pile,and the radius of the temperature increases;the initial temperature is positively correlated to the temperature of the soil interface,and the initial temperature of the soil interface is similar to the surface diameter of the metal protective layer,and the inner diameter is stronger than that of the outer diameter.The surface temperature appreciation of the inner and outer diameter of the metal armored protective layer is proportional to the heating power,and the temperature preservation effect of the diameter is far better than the outer diameter.Key words:Pile;Heat conduction;Integrity;Modeling作者简介：郭元培（1990-），男，福建南平人，本科，工程师，主要研究方向为桩基检测。0 引言我国经济迅猛发展，工程建设规模不断扩大，但一直未重视桩体热传导方面的研究，为了进一步加快追赶发达国家的步伐，许多学者对此展开了研究。令永春等1结合能量桩热响应相关历史数据，基于数值模拟建立模型，通过对比现场数据和数值模拟所得结果进行分析，探讨土体的热传导系数等规律。刘永莉等2通过物理和数值模拟方法对 DTS检测灌注桩进行研究，并根据光纤间距原则，通过物理试验进行加热功，以此对灌注桩的热传导效应进行研究，并由此验证该试验的合理性。黄思璐等3研究发现桩基本身的缺陷，通过数值模拟进行建模，通过控制变量法分析桩体内热传导的变化趋势，为后续研究提供参考。黄汉龙等4结合室内试验和数值模拟建模，研究桩芯介质下桩体能量变化以及热度传播规律，通过控制导管导热方式，探究不同桩芯的能量传播效率。刘永莉等5为完善 DTS应用于灌注桩的基本理论，通过内热源热传导试验，以不同尺寸的灌注桩为研究对象，对光纤热源热传导特征进行研究，以此确定桩体内热传导情况特征以及加热功率等定量关系。赵嵩颖等6为研究桩传热特性，将数值模型和室内试验相结合，研究不同黏土作用下桩的传热效率。本文通过建立模型，以试验模拟桩体热传导现象，在一定准备工作的基础上，对桩体热传导特征、灌注桩热传导的响应以及温度传播损耗规律进行分析，为后续研究提供参考。1 理论分析本文基于光纤测温技术，对桩体进行温度测量，试验采用的是温度测量仪，将传感光纤放置在灌注桩中，并对灌注桩进行加热，在加热过程中，对光纤、桩身的温度场及热传导情况进行分析，介绍系统组成、原理操作，最后，对桩身完整性进行检测分析。分布式光纤测温系统由三个部分组成，分别为光纤测温仪、光纤及加热系统。而对于检测系统，为使其效率最高、成本最低，在光纤与仪器之间，需特制尾纤进行连接，并通过光纤熔接机进行熔接。传感检测技术主要通过检测光纤温度变化来反映对象的基本指标。为使模型参数准确可靠，在桩体内放入热源进行分江西建材质量控制与检测542023年6 月析，为了简化模型，本文做出如下假设：（1）光纤与桩土介质通过热传导进行热量传递，且不考虑热对流等因素影响；（2）桩身介质导热系数与土体介质一致，不受温度影响；（3）接触界面无温差；（4）忽略光纤轴向传热；（5）忽略光纤其他结构的影响；（6）金属铠保护层与桩体无接触热阻。2 建立模型2.1 模型设计为进一步对桩体热传导性能进行研究，建立试验模型，模型长、宽、高分别为1.5m、0.5m、0.5m，光纤弯曲布置，在正方形截面的中心线打13个孔，由此布置F6层光纤，并在其上方4cm布置 F5 层光纤。为使光纤不产生对折现象，在最底层和 F2 层边端预留1500cm，其他各层两端保留75cm。光纤布设完成后，激活测温仪进行检测，光纤沿线畅通、无断点，并采用混凝土进行浇筑，具体布置如图1 所示。图1 光纤布置具体情况图/cm在该模型的基础上，外层布置桩内19 层的光纤，光纤与桩边距为0.01m，其中，在对应位置内放入光纤，其具体布置情况如图2所示。为使光纤无法弯曲，光纤两端预留25cm，光纤布设完成后，通过激活测温仪在另一个端口进行检测。图2 覆土模型具体点位布置图/cm2.2 试验准备试验准备工作主要包括空间点定位、检测时间间隔设置以及加热功率与加热时间设置。其中，针对空间点定位，试验对两根光纤进行定位，通过温水对光纤进行移动加热，当温度升高时，可以认定光纤1m段加热中点为升温中点。检测时间间隔设置，采用具有高温度分辨率的测量仪器进行试验。可通过分析信号得出温度值。由此可以准确判断噪声情况，确定仪器所得最小温度变化。加热功率与加热时间设置，为分析混凝土桩光纤随温度变化的规律，需要通过电阻来控制变量，并选择适当的加热功率对光纤进行加热，具体步骤如下所示：（1）通过欧姆表测得电阻，并根据光纤长度算出电压；（2）调整仪器读数周期，根据功率调压，每次测量读取开始加热，并等待光纤回到初始温度停止读数；（3）改变电压，控制变量；（4）收集所读数据。3 结果分析3.1 桩体热传导特征为进一步研究桩体热传导特征情况，现将不同功率加热光纤的各层温度汇总值制成曲线，具体情况如图3 所示，由此得出桩体热传导特征。图3 桩顶水平位移曲线实际值由图3 可知，中心光纤加热功率越大则会导致桩体的加热速度越快，且每一层的温度变化越明显，当加热功率较小时，温度值由近至远依次降低，由此说明，桩体也在进行散热，且每层光纤层的温度上升情况跟半径相关，具有一定变化趋势。当每层光纤相对于0 层的距离越近时，温度越高；当每层光纤相对于0层的距离为4cm时，桩体温度出现临界点；之后,每层光纤相对于0 层的距离变大，桩体温度变化无明显趋势。3.2 灌注桩热传导的响应分析对于灌注桩热传导的响应情况，每隔一段时间对土体的温度进行测量，当加热功率为0 时，模型的每层理论值与试验值的温度值的变化曲线如图4 所示，其中，测试的土体温度为5、5.9、11.5、12 以及13.5。图4 每层初始温度曲线图由图4 可知，每层的初始温度较低时，土体界面的温度就会越低，且土体界面初始温度和桩体温度总体较为相似，但为减少误差的影响，由此默认每层的初始温度与桩体的初始温度一样。通过每层初始温度曲线图不难发现，理论值和试验值较为相似，并且随着每层光纤相对于0 层的距离越来越大，土体边江西建材质量控制与检测552023年6 月界初始温度也在随之变化，但土体初始温度在7 以下时，温度波动更倾向于提升，而当初始温度超过10 时，试验值基本位于理论范围周边，温度无明显升高或降低的趋势。3.3 温度传播损耗规律分析由于不同的金属铠保护层表面的温差不同，选取 U6 层的金属铠保护层内径升温情况值 A1 与 B5 层金属铠保护层外径升温情况值 A2 进行对比分析，具体情况如图5 所示。图5 金属铠保护层内外径随加热功率曲线由图5 可知，加热功率与金属铠保护层内外径表面温升值呈线性关系，且加热功率越大，金属铠保护层外径的升温越迅速。其中，U6 层的金属铠保护层内径升温情况值始终大于 B5层，这主要是由于内径对温度的控制与保留要强于外径。为了探究金属铠保护层的温度损耗情况，选取 U6 层金属铠保护层为例进行曲线研究，以T1为金属铠保护层内径表面温差，而T2为金属铠保护层外径表面温差，T3 则为两者相差值，具体金属铠保护层温度损耗情况如图6 所示。图6 金属铠保护层温度损耗图由图6 可知，金属铠保护层内外径表面温升值相差较大，且该值与加热功率呈正比，加热功率越大，温差之间的差值越大。金属铠保护层内径表面温差远大于金属铠保护层外径表面温差，而在两者之间的则为两者的差值，说明内径的温差远大于外径，内径的温度保存效果也远好于外径。并且无论金属铠保护层外径表面温差，还是金属铠保护层内径表面温差，都会随着加热功率的提升而提升，但金属铠保护层内径表面温差的提升幅度大于金属铠保护层外径表面温差。由此说明，通过保护层消耗的能量正在变多，桩内的能量却在减少，模型在0 层时的温度变化相比其他加热层更为显著。4 结语本文通过建立模型，以试验模拟桩体热传导情况，并对桩体热传导特征、灌注桩热传导的响应以及温度传播损耗规律进行分析，主要得到以下结论。（1）中心光纤加热功率越大，桩体的加热速度越快，每层温度变化越明显，由于桩体的本身散热，当加热功率较小时，温度值由近至远依次降低，光纤层温度上升情况跟半径相关。（2）初始温度较低时，土体界面的温度就会越低，且土体界面初始温度和桩体温度相似，理论值和试验值较为相似，土体初始温度在7 以下时，温度波动更倾向于提升，而当初始温度超过10 时，温度无明显升高或降低的趋势。（3）加热功率与金属铠保护层内外径表面温升值呈线性关系，且加热功率越大，金属铠保护层外径的升温越迅速，且内径对温度的控制与保留要强于外径。金属铠保护层内外径表面温升值与加热功率成正比，由于内径的温度保存效果也远好于外径，金属铠保护层内径表面温差远大于金属铠保护层外径表面温差，温度升高过程中，保护层消耗的能量正在变多，桩内的能量却在减少。参考文献 1 令永春，刘大鹏，季伟伟，等.土体热物性对能量桩换热效率特性的影响研究J.建筑节能，2020，48（7）：123-127.2 刘永莉，黄思璐，肖衡林，等.DTS 检测灌注桩桩完整性的光纤布设优化研究J.岩石力学与工程学报，2019，38（S2）：3841-3848.3 黄思璐，郭小川，周锦华.钢筋笼对 DTS 检测桩基完整性影响的数值研究J.南方农机，2019，50（17）：244-246.4 刘汉龙，黄旭，孔纲强，等.桩芯介质对管式能量桩换热效率的影响J.中国公路学报，2019，32（1）：1-11.5 刘永莉，肖衡林，胡其志，等.基于 DTS 的灌注桩完整性检测方法研究J.长江科学院院报，2017，34（6）：124-127.6 赵嵩颖，王梦娜，郑浩男.黏土地基中能量桩传热性能研究J.吉林建筑大学学报，2021，38（3）：46-50.