基于OFDR技术的灌注桩三维形状重建与完整性检测试验研究

一.概述

灌注桩作为高层建筑、桥梁及海上风电基础的核心承载结构，浇筑过程中易因地层失稳等产生缺陷，严重影响桩基承载力与工程安全，因此其完整性检测至关重要。传统检测方法存在破坏性、成本高、分辨率低等问题，热完整性剖面法（TIP）凭借高准确性成为主流，但常规测温手段的空间分辨率限制导致缺陷检测存在误差与漏检；拉曼光时域反射（ROTDR）虽为分布式光纤测温技术，却仅能实现1m空间分辨率，无法捕捉桩基局部温度特征。光学频域反射（OFDR）具备毫米级空间分辨率，是桩基高精度测温的理想技术，但易受混凝土水化应变干扰，且常规松套管光缆应变隔离效果差。为此，本研究研发新型应变隔离光缆（SIFOC）并与OFDR技术结合，实现桩基毫米级空间分辨率测温，基于温度数据与有效半径计算模型完成桩基三维形状精细化重建，通过室内模型试验与现场试验验证该方法的有效性，为灌注桩完整性评估提供高精度技术手段。

图1.光缆结构：(a)结构示意图；(b)截面示意图。

二.测试方案

室内模型试验：制作2根直径0.15m、长度分别为6m（P1）和5m（P2）的模型桩，预埋5个不同体积的砂袋模拟缺陷（D1~D5，体积440~2904cm³）；在桩体中布设应变隔离光缆、应变光缆、松套管光缆，分别采用OFDR（空间分辨率1cm）、ROTDR（空间分辨率1m）进行测温，同时布设温度计做真值对照；浇筑完成后每0.5h采集一次数据，连续监测24h，实验室标定应变隔离光缆温度系数为1.5204GHz/℃。

现场实桩试验：选取41m长、1m直径的灌注桩，钢筋笼直径0.8m，在桩内布设3根应变隔离光缆（FO1~FO3），光缆垂直绑/扎于钢筋笼并密封底端，随钢筋笼下放后浇筑混凝土，浇筑完成后每1h采集一次数据，连续监测20h。

图2.模型桩试验布置图

图3.桩基信息、应变隔离光缆布置及地层分布：(a)桩基与SIFOC布置

图4.现场测试流程：(a)应变隔离光缆绑扎；(b)钢筋笼安装；(c)混凝土浇筑；(d)测量

三.测试结果

1.应变隔离光缆抗应变干扰效果验证

OFDR检测结果显示，应变隔离光缆测温值与温度计峰值偏差仅0.35℃（相对误差2.0%），与ROTDR峰值偏差0.9℃（相对误差5.9%）；而应变光缆受水化应变影响峰值测温达55.0℃，与应变隔离光缆偏差38.0℃，松套管光缆峰值测温24.2℃，与应变隔离光缆偏差7.0℃，证明应变隔离光缆可有效隔离应变，消除其对OFDR测温的干扰。

图5.应变隔离光缆有效性验证：(a)与传统光缆对比；(b)OFDR与ROTDR结果对比（含应变隔离光缆）；(c)OFDR、ROTDR及温度计结果对比；(d)传统光缆误差；(e)OFDR与ROTDR结果误差（含应变隔离光缆）；(f)OFDR、ROTDR及温度计结果误差。

2.OFDR高精度测温与缺陷检测能力

OFDR可捕捉桩基局部温度特征，缺陷位置温度显著低于完整区域，且温度差值与缺陷体积正相关，成功识别所有5个模型桩缺陷，检测灵敏度较ROTDR提升6.6倍；缺陷定位方面，OFDR检测缺陷长度与实际偏差0.10~0.31m，ROTDR对D5的定位偏差达1.31m，OFDR定位精度较ROTDR提升2.6倍；缺陷严重程度表征上，ROTDR因空间分辨率低存在温度平均效应，对D5的测温值较OFDR偏高7.09℃，易低估缺陷严重程度，而OFDR可精准获取缺陷真实温度。

图6.缺陷检测能力：(a)P1-OFDR；(b)P2-OFDR；(c)P1-ROTDR；(d)P2-ROTDR

图7.缺陷位置：(a)P1；(b)P2。

图8.D5处OFDR与ROTDR测量结果及误差。

3.现场实桩OFDR测温与三维形状重建

OFDR与ROTDR测得的桩基水化温度变化趋势一致，峰值出现在13~14h，二者测温误差全程小于2.2℃，再次验证应变隔离光缆的实用性；OFDR可识别ROTDR无法捕捉的局部低温区（温差4~6℃），更精准反映桩基浇筑的非均匀性。基于OFDR测温数据计算的桩基有效半径范围为54.2~63.5cm，平均有效半径58.6cm，通过样条插值完成的三维形状重建直观显示：桩体在24.1~24.3m、28.6~29.3m、32.27~32.4m存在轻微缺陷，39.4~40.8m存在较严重缺陷；缺陷区域有效面积0.92~1.04m²，完整性85.4%~96.5%，承载力损失3.5%~14.6%，均满足工程81%的完整性要求。

图9.堆温时间序列

图10.纵向温度分布曲线：(a)FO1；(b)FO2；及(c)FO3

图11.3D等效形状重建结果

四.结论

应变隔离光缆结合OFDR技术可有效规避混凝土水化应变干扰，实现灌注桩毫米级高精度测温；相比传统ROTDR技术，其缺陷检测灵敏度、定位精度大幅提升，能真实表征缺陷严重程度，为桩基三维形状重建提供高精度温度数据。同时现场实桩测试验证了该技术的工程实用性，可精准识别桩基不同程度缺陷，实现完整性与承载力损失的定量评价，是灌注桩高精度、非破坏性检测的有效技术手段。

原文来自：

标题：《Three-dimensionalshaperefinedreconstructionandintegrityassessmentofcast-in-situpilesusingOFDRtechnology》

作者：QingnanLou,BinShi,HemingHan,GuangqingWei,ManzhangNi

期刊：Structures82(2025)110678