技术摘要：
本发明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  全部
背景技术：
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Energy  Piles，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。
技术实现要素：
发明目的：本发明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：本发明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。 本发明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 4 CN 111549832 A 说　明　书 2/7 页 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。 本发明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； 5 CN 111549832 A 说　明　书 3/7 页 (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(Optical  Frequency  Domain  Reflectometer)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℃。 本发明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：本发明具有以下优点： (1)本发明采用的OFDR高精度分布式光纤监测技术，具有灵敏度高、空间分辨率 高、抗干扰能力强、测量精度高、测量范围大和环境适应能力强的优点，而且具有防水性和 耐高温的特性，适合能量桩的测量，可对能量桩温度分布和应变分布精确动态测量。 (2)OFDR数据采集仪小巧便携，适用于各种工作环境的使用，并且配置的数据处理 与分析系统可实现能量桩桩身应力应变分布、桩身温度随时间变化数据的自动化处理。 (3)该高精度分布式光纤监测的能量桩试验系统不仅可对能量桩桩身应变分布及 温度分布数据精确动态监测，对桩体轴力、沉降位移进行自动监测，而且还可对桩周土体温 度数据实时采集，监测数据全面精确。 (4)整套试验系统自动化程度高，施工布线简单、操作简单快捷，测量精度高、漂移 小，工作环境适应性强，应用前景广泛。 附图说明 图1为能量桩试验系统示意图； 图2为能量桩光纤布设示意图； 图3为能量桩横截面光纤布设示意图； 图4为能量桩桩体循环导管布设示意图； 图5为能量桩桩周土体温度测试点布设示意图； 图6为能量桩桩周土体温度测试光纤布设示意图。 6 CN 111549832 A 说　明　书 4/7 页