一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置及其监测方法

摘要

本发明属于混凝土裂纹监测领域，特别是涉及一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置及其监测方法，包括待测混凝土梁、光缆和解调设备三个部分；将光缆通过内埋、表面布设在待测混凝土梁，解调设备包括OFDR分布式光纤传感仪和配套电脑，连接解调设备监测光纤应变值，通过分析混凝土内应变大小来实时监测混凝土内裂纹的位置和发展规律。本发明结构简单，易于安装，结合了光纤感测技术，能够对基坑混凝土支护体进行分布式实时的裂纹监测，灵敏度高，可靠性强，并且不涉及电流电磁，安全性能相对较好。

说明书

技术领域

本发明属于混凝土裂纹监测领域，特别是涉及一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置及其监测方法。

背景技术

近年来，随着城市中新建高层建筑的使用越来越丰富，尤其是在开发和利用地下空间资源方面，超深基坑工程越来越多，基坑开挖深度越来越大，支护结构体系也越来越复杂。混凝土作为一种可塑性高、耐久性好、价格低廉的建筑材料，已被广泛应用于基坑支护体结构中。混凝土的特点是抗压能力强、抗拉能力差，极易产生微裂纹。微裂纹会破坏混凝土的整体性和抗渗性，加速混凝土碳化和内部钢筋锈蚀，使裂纹扩展，降低结构强度，影响混凝土耐久性，严重时会导致结构丧失承载力，造成安全事故。因此，对混凝土裂纹的位置及其发展变化进行监测极为重要。

裂纹问题影响到混凝土结构的使用舒适性和安全性，目前控制和防治最好的技术手段是用表征手法检查、检测，多年来大量土木工作者为监测混凝土裂纹提出了很多方法。监测方法可以分为直接识别裂纹与监测裂纹引起的其他变化来间接识别裂纹两类，已有的监测方法，只能识别已经出现的裂纹，无法进行持续监测，监测精度较低，只能知道裂纹产生，无法知晓裂纹宽度。而且无论是应变片还是导电涂料大多是点式监测，难以实现连续分布式监测。

近年来，光纤感测技术日渐成熟，因其对结构影响小、不易腐蚀、抗电磁干扰、分布式监测等优势，引起各领域广泛关注。航空航天领域首先将光纤用于应变监测，随着成本的逐渐降低，岩土工程、结构工程等也开始引入分布式光纤监测技术。

光频域反射计(OFDR)技术是一种基于瑞利散射光变化的全分布式应变测量技术。光纤中的瑞利散射是由于光纤材料的折射率随机变化导致的，当光纤产生应变时，背向瑞利散射信号的频率会发生漂移，漂移量与光纤所受的应变成正比。由于这种随机分布的性质比较稳定，所以可以将光纤各处看作是一种具有随机周期的弱光纤布拉格光栅。OFDR技术的空间分辨率与探测器带宽无关，而是与频谱分析精度有关，所以其空间分辨率与精度远高于传统光时域反射分析类分布式感测技术，可以达到毫米级。

中国专利201810610165.9公开了“一种使用玻璃条监测混凝土裂纹的方法”，该发明提供了一种使用玻璃条监测混凝土裂纹的方法，该方法成本较低、易于实施，但是只能识别已经出现的裂纹，无法监测到裂纹的长度、宽度以及裂纹的变化过程，监测精度较低。

如何克服现有技术所存在的不足已成为当今混凝土裂纹监测技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本申请中为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置及其监测方法。

本发明提供了如下的技术方案：一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置，包括：待测混凝土梁、光缆以及解调设备；所述光缆设在所述待测混凝土梁的检测位置，且电性连接于所述解调设备，所述光缆包括紧包护套应变感测光缆、金属基索状应变感测光缆、定点式应变感测光缆和温度/应变复合光缆。定点式光缆可识别定点范围内的裂纹，持续监测性强；柔性紧包护套光缆可精确识别裂纹位置。

优选的，所述紧包护套应变感测光缆的直径为0.9至1.2mm或2.0至2.5mm。

优选的，所述光缆布设在待测混凝土梁内部或/且表面。内部光缆是在扎好钢筋笼之后，浇筑混凝土之前布设；表面光光缆是在混凝土养护结束后，将待测混凝土梁打磨光滑并用无水乙醇清洁后使用环氧树脂胶粘贴。光缆无论是表面还是内埋布设，均能有效监测裂纹的发生及发展。

优选的，所述解调设备包括OFDR分布式光纤传感仪和配套电脑，所述光缆通过OFDR分布式光纤传感仪电性连接于所述配套电脑，OFDR分布式光纤传感仪的最大测量距离100m，空间分辨率最大可达1mm，传感精度1με。光缆连接OFDR分布式光纤传感仪，监测光缆应变值来分析混凝土应变大小，即可实现实时监测混凝土梁裂纹的位置和发展规律。OFDR分布式光纤传感仪可以通过其应变曲线来定位和监测混凝土结构的裂纹，应变曲线的波峰位置就是裂纹位置，定位裂纹空间分辨率可达1cm。将裂纹处的应变进行积分，即可得到裂纹的宽度，混凝土梁实验最大误差5.63％，满足工程需求。

一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置的监测方法，其特征在于：

S1.确定监测位置，首先按照工程需要明确待测混凝土梁的裂纹监测位置与混凝土监测长度；

S2.将光缆布设在混凝土内部或表面，内部光缆的布设时间是在扎好钢筋笼之后，浇筑混凝土之前，表面光缆布设时间是在混凝土养护结束后；其中，将混凝土梁底部打磨光滑并用无水乙醇清洁后，使用环氧树脂胶粘贴；

S3.光缆的跳线与OFDR分布式光纤传感仪连接，且保证各部件之间连接良好；

S4.实时监测混凝土内部应变，应变的波峰位置与混凝土梁的裂纹位置一一对应，裂纹处的应变进行积分，即可得到裂纹的宽度。

本发明涉及一种基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置及其监测方法，其有益效果在于:第一，本发明是一种集结构简单、成本低廉、可靠度强、使用方便为一体的基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置与方法，填补了现有技术的空白。第二，本发明采用光纤感测技术进行坑混凝土梁支护体裂纹的监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广。第三，本发明相比于传统的点式监测法，利用光纤感测技术实现了分布式监测，测量的灵敏度与精度得到了大幅提升，并且可以确定混凝土裂纹位置和宽度，同时，可以监测到随着应力的变化出现的不同的裂纹。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是基坑混凝土支护体裂纹监测装置立体结构示意图；

图2是基坑混凝土支护体裂纹监测装置光缆内部布设示意图；

图3是基坑混凝土支护体裂纹监测装置光缆表面布设示意图；

图4是本发明实施例中混凝土裂纹监测过程中应变示意图；

1、混凝土梁；2、紧包护套应变感测光缆；3、定点式应变感测光缆；4、金属基索状应变感测光缆；5、温度/应变复合光缆，6、配套的电脑，7、OFDR分布式光纤传感仪

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

结合图1～3，本发明提出的一种用于混凝土裂纹监测的装置，包括待测混凝土梁、光缆和解调设备三个部分。光缆包括紧包护套应变感测光缆、紧包护套应变感测光缆、金属基索状应变感测光缆、定点式应变感测光缆和温度/应变复合光缆。所述紧包护套应变感测光缆的直径为0.9至1.2mm或2.0至2.5mm。

紧包护套应变感测光缆具有弹性，易于监测物协调变形，其上设有密集的监测点；定点式应变感测光缆采用独特的定监测点设计，实现空间非连续非均匀应变分断测量；金属基索状应变感测光缆采用金属基索状结构，传感光纤外包高强度金属加强件，极大提高了传感光纤的抗拉强度，适用于恶劣工况环境；温度/应变复合光缆，温度和应变同时测量，可实现应变检测时，温度自动补偿。

光缆布设在待测混凝土梁内部或/且表面。内部光缆是在扎好钢筋笼之后，浇筑混凝土之前布设；表面光缆是在混凝土养护结束后，将混凝土梁底部打磨光滑并用无水乙醇清洁后使用环氧树脂胶粘贴。光缆连接OFDR分布式光纤传感仪，利用OFDR分布式光纤传感仪监测每级荷载下光缆应变值，通过分析混凝土内应变大小，即可实现实时监测混凝土内裂纹的位置和发展规律，应变的波峰位置与混凝土梁的裂纹位置一一对应，裂纹处的应变进行积分，即可得到裂纹的宽度。

实施例，根据本发明提出的基坑混凝土梁支护体裂纹监测装置的监测方法，包括如下基本步骤：

第一步，确定监测位置，首先按照工程需要明确具体的混凝土裂纹监测位置与混凝土监测长度。本实施例中的待测混凝土梁长1.8m、宽0.12m、高0.16m，钢筋采用HRB335，受拉筋Ф12，架立筋Ф8，箍筋Ф8@100，混凝土强度等级C25，保护层厚度25mm。

第二步，在混凝土内部和表面布设分布式光缆。内部光缆是在扎好钢筋笼之后，浇筑混凝土之前布设，考虑简支梁受力特点，梁上部受压很难出现裂纹，因此，只在中间和下部分别沿全长布设两道光缆。表面光缆是在混凝土养护结束后布设，在混凝土梁底部中间位置布设1m长0.9mm高传递紧包护套光缆，两根光缆间距3cm，将混凝土梁底部打磨光滑并用无水乙醇清洁后使用环氧树脂胶粘贴；

第三步，试验开始前记录初始数据，架设分配梁及千斤顶后记为第一级荷载，每级加载待稳定5min后读数，加载至32kN混凝土梁开裂破坏无法采集数据结束试验。

第四步，通过光纤跳线将光缆与OFDR分布式光纤传感仪连接，保证各部件之间连接良好，每级荷载下用OFDR监测光纤应变值，并用裂纹测宽仪探测裂纹。分布式实时监测混凝土内部应变，应变的波峰位置与混凝土梁的裂纹位置一一对应，裂纹处的应变进行积分，即可得到裂纹的宽度。

图4为上述实施例测试得到的混凝土受力应变示意图；从图中可以得出混凝土梁的裂缝位置，也就是应变的波峰位置，对裂纹处的应变进行积分得到面积，也就是裂纹的宽度。随着对混凝土梁的施加应力的增加，应变的波峰也随之增高，裂纹的宽度也随之增大。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。