光纖Bragg光柵在公路軟基沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

黎劍華，張鴻，劉優(yōu)平，周院芳，熊茂東

（1. 南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌，330099；2. 江西公路開發(fā)總公司，江西 南昌，330038）

光纖Bragg光柵在公路軟基沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

黎劍華1，張鴻1，劉優(yōu)平1，周院芳2，熊茂東2

（1. 南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌，330099；2. 江西公路開發(fā)總公司，江西 南昌，330038）

針對目前我國高速公路軟基沉降監(jiān)測中的自動化程度及儀器可靠性低、數(shù)據(jù)傳輸不及時、測量誤差大等現(xiàn)狀，將光纖傳感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于該領(lǐng)域，探討大量程光纖位移計(jì)的開發(fā)以及適合軟基沉降監(jiān)測的光纖傳感器埋設(shè)工藝，并應(yīng)用于德昌（江西德興—南昌）高速公路D10標(biāo)的軟基沉降監(jiān)測。研究結(jié)果表明：開發(fā)的大量程光纖位移計(jì)能滿足軟基沉降監(jiān)測要求，與常規(guī)監(jiān)測結(jié)果相比可靠性高，并能實(shí)現(xiàn)軟基沉降數(shù)據(jù)的實(shí)時、在線、連續(xù)監(jiān)測。

Bragg光柵；軟基監(jiān)測；大量程位移計(jì)；埋設(shè)工藝

為了確保軟土路基在施工過程中的安全穩(wěn)定及準(zhǔn)確預(yù)測工后沉降，應(yīng)在工程全線選定具有代表性的特殊斷面和一般斷面進(jìn)行軟基監(jiān)測，以便動態(tài)地控制加載速率，監(jiān)控并指導(dǎo)全線路堤填筑的施工。目前，我國高速公路軟基沉降監(jiān)測中的自動化程度及儀器可靠性低，數(shù)據(jù)傳輸不及時，測量精度低，影響軟基監(jiān)測的效果和工后沉降的預(yù)測，不利于信息化施工。近年來，光纖傳感技術(shù)的興起給工程監(jiān)測領(lǐng)域提供了一類新的技術(shù)和手段，以其抗靜電干擾、靈敏度高、能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)葍?yōu)勢被日益廣泛應(yīng)用于隧道、邊坡、大壩、橋梁等領(lǐng)域的監(jiān)測[1?11]，但該技術(shù)應(yīng)用于軟基沉降監(jiān)測鮮有報道。在此，本文作者就FBG （Fiber Bragg grating）在軟基沉降監(jiān)測中的技術(shù)難題如光纖位移傳感器的改進(jìn)、光纖位移傳感器在軟基中的埋設(shè)安裝工藝等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討。

1 軟基沉降監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

1.1 FBG監(jiān)測基本原理

光纖光柵傳感技術(shù)是利用紫外光在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射布喇格波長光譜，測量被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度的變化[12?15]。光纖光柵的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期T和反向耦合模的有效折射率neff，這2個參量發(fā)生改變的任何物理過程都將引起光柵Bragg光柵波長漂移，如下式所示：

式中：ΔBλ為光柵Bragg中心波長的漂移量；neff為纖芯的有效折射率；ΔT為光柵周期的變化。

所有引起光柵Bragg波長漂移的外界因素中，最直接的為應(yīng)變、溫度參量，這兩者的變化都會導(dǎo)致光柵周期T發(fā)生變化，并且光纖本身具有彈光效應(yīng)，使得有效折射率neff也隨外界應(yīng)變的變化而變化，也就是說，光纖光柵反射中心波長的變化反映了外界被測信號的變化。應(yīng)變引起光柵Bragg波長漂移量可以由下式予以描述：

式中：Pe為光纖的彈光系數(shù)；Δε為應(yīng)變變化量。

由于溫度變化也會引起B(yǎng)ragg光柵波長發(fā)生變化，其兩者關(guān)系如下式所示：

式中：α為Bragg的熱膨脹系數(shù)；ξ為Bragg的熱光系數(shù)；Δt為溫度變化。

光柵Bragg波長的漂移量可以通過光纖光柵解調(diào)裝置來監(jiān)測，這樣就可以推導(dǎo)外界應(yīng)變、溫度參數(shù)的變化。

1.2 FBG位移計(jì)的改進(jìn)

FBG位移計(jì)具有監(jiān)測靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但目前其監(jiān)測的量程很有限，國內(nèi)如北京基康公司生產(chǎn)的FBG位移計(jì)量程在20 cm以內(nèi)，能滿足橋梁、隧道、大壩等領(lǐng)域的位移監(jiān)測，而高等級公路軟基沉降值遠(yuǎn)超出此量程，所以，必須開發(fā)適合軟基沉降監(jiān)測的大量程位移計(jì)以滿足監(jiān)測要求。

圖1所示為大量程位移傳感器的原理圖，金屬管內(nèi)的2個FBG的彈性系數(shù)分別為K1和K2。前部金屬桿與1個彈性系數(shù)為K3的彈簧相連，后部金屬桿與1個彈性系數(shù)為K4的彈簧相連。這種位移傳感器的本質(zhì)是將外界被測物發(fā)生的位移通過彈簧轉(zhuǎn)化為FBG的應(yīng)變變化。

圖1 大量程位移傳感器的原理圖Fig.1 Principle of long-range displacement sensor

FBG1和彈簧1組成的彈性系數(shù)K為：

同樣，F(xiàn)BG2和彈簧2組成的彈性系數(shù)K′為：

當(dāng)該位移傳感器左端圓盤受到的壓縮位移為ΔL時，圓盤可以通過彈簧將位移變化轉(zhuǎn)變成為FBG1的應(yīng)變改變量。其中FBG1發(fā)生的應(yīng)變Δ1ε為：當(dāng)位移傳感器右端圓盤受到壓縮位移為L′Δ時，圓盤可以通過彈簧將位移變化轉(zhuǎn)變成為FBG2的應(yīng)變改變量。其中，F(xiàn)BG2發(fā)生的應(yīng)變Δ2ε為：

反過來，通過檢測2個FBG的波長變化，即可求得傳感器各自發(fā)生的應(yīng)變，而通過傳感器發(fā)生的應(yīng)變可以計(jì)算出2個圓盤的壓縮量。這種位移計(jì)所測得的位移為左、右圓盤發(fā)生的壓縮位移之和，其量程可以達(dá)到40 cm以上，經(jīng)過精心封裝加工能基本滿足軟基沉降監(jiān)測要求。

1.3 軟基中FBG位移計(jì)的安裝工藝

FBG位移計(jì)的安裝大致可以分為表面粘貼式和埋入式安裝。軟基與橋梁、隧道、大壩監(jiān)測的固體材料不同，軟基土體是松散顆粒，如何保證散體顆粒的位移和應(yīng)變傳遞到與之彈性模量較大的FBG位移計(jì)上是目前的一大難題，這里采取的措施是在土層中放置大直徑圓盤，土層沉降帶動圓盤沉降，使FBG位移計(jì)感應(yīng)到土層的位移變化。

將位移傳感器在現(xiàn)場埋設(shè)安裝時，先在軟基沉降監(jiān)測點(diǎn)鉆孔，鉆孔的深度應(yīng)穿過整個監(jiān)測的軟基地層。鉆孔后將注漿錨頭下放，與注漿錨頭連接的測桿可以不斷連接加長，注漿錨頭下放到孔底后，進(jìn)行注漿固定。

光纖位移計(jì)安裝示意圖見圖2。位移傳感器基座安裝在離孔口2～3 m處，其下端與測桿連接，上部與傳感器保護(hù)罩相連，傳感器保護(hù)罩里面是封裝好的位移傳感器，傳感器保護(hù)罩上部通過連接測桿與1個大直徑的圓盤連接。為保證軟基沉降位移全部傳遞到位移計(jì)上，圓盤直徑不小于20 cm。

圖2 光纖位移計(jì)安裝示意圖Fig.2 Installation of FBG displacement sensor

軟基發(fā)生沉降時，將帶動圓盤下沉。由于傳感器底端最終連接的是相對不動的注漿錨頭，因此，圓盤的下沉量即為軟基沉降量，該沉降量全部作用在光纖位移計(jì)上而被監(jiān)測。

2 軟基監(jiān)測與分析

2.1 工程概況

德昌高速為江西德興至南昌高速公路是規(guī)劃的江西省高速公路網(wǎng)的重要組成部分，也是國家高速公路杭州至瑞麗和上海至昆明高速公路之間的橫向地方加密高速公路。本次監(jiān)測范圍為軟基施工現(xiàn)場D10標(biāo)段；該標(biāo)段0～3.5 m深度范圍內(nèi)為粉質(zhì)黏土，3.5～5.0 m深度內(nèi)為淤泥質(zhì)土，5.0～8.0 m深度內(nèi)為粉質(zhì)黏土，8.0 m深度以下為細(xì)砂、圓礫。軟基采用CFG樁處理。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

本次軟基沉降監(jiān)測在研究斷面上共布置4個監(jiān)測孔，分別監(jiān)測路基總沉降以及3.5，5.0和8.0 m分層沉降，解調(diào)儀器選用美國MOI公司產(chǎn)的SI425?500型解調(diào)儀。該解調(diào)設(shè)備解調(diào)精度高，性能穩(wěn)定，具有一定防潮、防塵能力，適合在惡劣環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)測，解調(diào)波長范圍為1.52～1.57 μm，足以滿足本次WMD系統(tǒng)測試要求[16]。光纖傳感監(jiān)測現(xiàn)場埋設(shè)示意圖見圖3，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1。

根據(jù)《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF 10—2006）要求，本次監(jiān)測頻率原則是每填筑1層至少觀測1次；若2次填筑間隔時間較長，則每3 d至少觀測1次；路堤填筑完成后，半月觀測1次；由于光纖監(jiān)測自動化程度高、現(xiàn)場取數(shù)容易，則在整個軟基填筑施工期（2010?01～2010?05）內(nèi)，堅(jiān)持每天讀取存儲數(shù)據(jù)1次。

圖3 軟基光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)Fig.3 Monitoring system of soft soil foundation

表1 位移計(jì)參數(shù)Table 1 Parameters of displacement sensors

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與分析

路基總沉降監(jiān)測結(jié)果見圖4。從圖4可以看出：在整個路堤填筑施工期內(nèi)，軟基沉降速率控制較好，不過在2010?01?19累計(jì)沉降較前一天增加13.86 mm，2010?03?13累計(jì)沉降較前一天增加10.86 mm，超出了路堤中心線地面沉降速率每晝夜不大于10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，引起設(shè)計(jì)單位、建設(shè)單位和施工單位的高度重視，及時調(diào)整填土速度，使沉降速率得到控制，保證了地基穩(wěn)定。

圖4 路基沉降監(jiān)測成果Fig.4 Monitored results of soft ground settlement

圖5 路基分層沉降曲線Fig.5 Curves of layer soft ground settlement

圖5所示為各分層沉降和路基總沉降曲線。從圖5可以看出：分層沉降變化趨勢與路基總沉降變化趨勢基本一致，淤泥分層的沉降相對不大，表明采用CFG樁處理軟基效果較好。圖6所示為常規(guī)沉降板監(jiān)測的沉降與光纖監(jiān)測沉降的比較。從圖6可見：2種監(jiān)測方式的沉降變化趨勢基本一致；但常規(guī)監(jiān)測的沉降漂移較大。這可能是監(jiān)測過程中人為及儀器誤差所致，而光纖監(jiān)測的沉降沒有出現(xiàn)上、下反復(fù)漂移，誤差較少。

圖6 常規(guī)監(jiān)測與光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較Fig.6 Comparison of settlement between conventional and FBG monitoring

3 結(jié)論

（1） 本工程對路基的地表沉降進(jìn)行了較完整的監(jiān)測，掌握軟基在路堤填筑過程中的沉降變形情況，對指導(dǎo)施工、合理控制路堤填土速率、確保工程質(zhì)量、實(shí)行信息化管理具有重要作用。

（2） 開發(fā)的大量程光纖位移計(jì)能滿足軟基沉降監(jiān)測要求，與常規(guī)監(jiān)測沉降相比可靠性高，并能實(shí)現(xiàn)軟基沉降的實(shí)時、在線、連續(xù)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)在軟基沉降監(jiān)測領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。

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（編輯 陳燦華）

Fiber Bragg grating monitoring technology applied in soft ground settlement of highway

LI Jian-hua1, ZHANG Hong1, LIU You-ping1, ZHOU Yuan-fang2, XIONG Mao-dong2
（1. Department of Civil Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2. Jiangxi Highway Exploitation General Company, Nanchang 330038, China）

The fiber Bragg grating （FBG） technology was studied based on the current monitoring status of the highway soft ground settlement, such as the low degree of automation, the unsatisfied accuracy of the device, the slow data transmission and the greater measurement errors. The development of the long range optical fiber displacement sensor as well as its burying techniques which are suitable for soft ground settlement monitoring was analyzed. Both of them were applied in Dechang Highway D10 subject. The results show that the long-range optical fiber displacement sensor is able to meet the requirements of the soft ground monitoring. And data can be accurately monitored by means of real-time or on-line continuously.

fiber Bragg grating; monitoring of soft soil foundation; long-range optical fiber displacement sensor; burying technology

TU443

A

1672?7207（2011）05?1442?05

2010?08?10；

2010?10?28

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50969007）；江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010BGB01302）；江西省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目（2010C00013，2010C00014）

黎劍華（1967?），男，江西南康人，博士，教授，從事巖土工程及光纖傳感監(jiān)測技術(shù)等研究；電話：13979123448；E-mail： gdwjljh@163.com