[发明专利]一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法

摘要

本发明公开了一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法，将线状光纤植入桩截面半径为R桩体内沿中心线布置，以植入光纤为内热源，对其进行加热，热传导的影响半径为r₀，T_s为岩土介质温度，初始条件下桩体及外表面温度与岩土介质温度相等，通过在桩体内沿中心线不同距离处布置多条光纤传感器即可确定临界半径r₀，通过DRPL-Ⅱ导热系数测试仪可以确定导热系数k，根据已知的DTS仪器精度δ，通过公式即可算出光纤加热功率q，本发明通过以大直径混凝土灌注桩缺陷检测为研究对象，确定了植入光纤的合适数量，计算出加热辐射临界半径r₀和加热功率q，使得DTS检测过程中设计指标有了依据，可以实现快速而完整检测，对规范DTS检测桩缺陷具有推动意义。

主权项

一种基于DTS检测灌注桩完整性的检测系统设计方法，包括以下主要步骤：①将线状光纤植入桩截面半径为R桩体内沿中心线布置，以植入光纤为内热源，热传导的影响半径为r₀，T_s为岩土介质温度，初始条件下桩体及外表面温度与岩土介质温度相等，光纤均匀容积生成热为q为单位长度的功率；②当桩体内光纤加热处于稳态时，以光纤为中心柱坐标下热流方程式为：$\frac{1}{r}\frac{d}{dr}\left(r\frac{dT}{dr}\right)+\frac{Q}{k}=0---\left(1\right)$其中k为导热系数，T为以加热光纤为中心在临界半径r₀范围内的桩体温度；对上述公式(1)进行积分得到桩体温度分布为：$T\left(r\right)=-\frac{Q}{4k}{r}^2+C_1\ln r+C_2---\left(2\right)$③对于大直径的灌注桩，通过对内置光纤进行加热，引起的热传导形成一个热传导辐射区，存在一个临界半径r₀，超过这个半径以外的区域，不受加热光纤的影响，温度等于环境温度；确定公式(2)中C₁，C₂积分常数需要如下两个边界条件：第一类边界条件：当r＝r₀时，T(r₀)＝T_s；第二类边界条件：当r＝r₀时，考虑边界条件，由公式(2)得到温度分布为：$T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)+T_s---\left(3\right)$④在大直径的灌注桩中心线处设置线状光纤，在距离灌注桩中心线不同半径r处设测量温度的光纤，对灌注桩中心线处光纤进行加热，当离灌注桩中心线光纤距离为r处桩体温度T(r)不再下降时，该半径即为灌注桩中心线处加热光纤的热传导辐射临界半径r₀；⑤对方程式(3)在桩体中心线求值，并用此值去除方程(3)，得到温度分布的无因次形式：$\frac{T\left(r\right)-T_s}{T_0-T_s}=1-{\left(\frac{r}{r_0}\right)}^2---\left(4\right)$其中，T₀为热源处温度，即位于桩体中加热光纤沿线温度，通过DTS检测即可得到，记△T(r)＝T(r)‑T_s，定义为离热源距离为r点的过余温度，热源点的过余温度最大；公式(3)可以记成如下形式：$\mathrm{\Δ}T\left(r\right)=\frac{q}{4{\mathrm{k\πr}}_0^2}(r_0^2-r^2)---\left(5\right)$⑥热传导的影响范围r₀是由热生成速率和热传导系数决定，热传导的影响范围很难精确控制在半径为r₀的圆内，而DTS的测试精度是一定的；当r越大时，热损失增加，温度下降梯度减小，当小于DTS仪器精度时，仪器无法识别温度变化，即可认为热传导结束，因此可以通过DTS仪器测试精度确定q；对公式(5)进行求导，且满足下列等式：$\frac{d\mathrm{\Δ}T\left(r\right)}{dr}{|}_{r=r_0}=-\mathrm{\δ}---\left(6\right)$其中δ为DTS仪器精度；对公式(6)求解可得：$q{|}_{r=r_0}=2{\mathrm{k\π\δr}}_0---\left(7\right)$其中，导热系数k可通过DRPL‑Ⅱ导热系数测试仪确定，r₀可通过步骤④中方式确定，π为圆周率取3.14。