FBG 傳感器在重力墻位移監(jiān)測中的應(yīng)用*

田素輝，熊 新，李英娜，趙振剛，謝 濤，李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明650500)

0 引 言

重力墻是支擋路基填土或山坡土體，防止填土或山坡土體變形失穩(wěn)，而承受側(cè)向土壓力的構(gòu)筑物［1］。近年來，山區(qū)公路因擋土墻失穩(wěn)造成的路基滑坡、坍塌破壞公路的事件頻繁發(fā)生。對公路重力墻的監(jiān)測以保證了解山區(qū)公路的健康狀況是非常有必要的。傳統(tǒng)的重力墻變形常用的監(jiān)測方法主要有測角法、水準法，但這樣的方法都存在工作量大、自動化程度不高等不足［2］。在現(xiàn)代的監(jiān)測中，吳豪偉采用KLA—1 型光纖Bragg 光柵(FBG)位移傳感器對重力式擋土墻的側(cè)向的位移進行監(jiān)測。阮廣招通過在施工時埋設(shè)的6 只位移傳感器來監(jiān)測重力墻的位移，實現(xiàn)了對重力墻的全天候監(jiān)測，確保了施工安全。贠英偉應(yīng)用FBG 溫度傳感器和應(yīng)變傳感器實現(xiàn)監(jiān)測混凝土擋土墻澆注早期的變形和溫度變化情況。楊健采用固定式測斜儀和位移計來監(jiān)測重力式擋土墻的位移評定重力墻的穩(wěn)定性［3～6］。

根據(jù)山區(qū)重力墻地處偏遠山區(qū)且要長期運營的特點，本文選用FBG 傳感器監(jiān)測系統(tǒng)對混凝土結(jié)構(gòu)的重力墻的健康狀況進行中長期的監(jiān)測［7］。

1 重力墻的監(jiān)測原理

元綠春公路K77+120 ～K77+215 段左側(cè)是高65 m，且土質(zhì)疏松的邊坡，右側(cè)是為了防止路基滑坡、坍塌修筑的重力墻。在元綠公路的修筑過程中有些路段曾有路基滑坡現(xiàn)象的發(fā)生，為了保障公路的安全運營，必須及時地掌握重力墻的安全狀態(tài)。重力墻在公路安全的運營中受到山體邊坡的側(cè)向壓力、公路修筑時路基填土的自身重力以及公路載荷的作用力和經(jīng)過雨季降雨后，導致雨水下滲，基底粘土浸水濕軟，靠近墻趾部分尤為嚴重［8］。在正常的情況下，當側(cè)向的壓力超過一定范圍重力墻就會垂直的發(fā)生形變，且其形變量與所受的側(cè)向的壓力呈正比。當位移超出一定的范圍就會發(fā)現(xiàn)重力墻的裂縫甚至倒塌，同時引起路面的斷裂塌陷。

元綠春公路K77+120 ～K77+215 段的重力式擋土墻是長20 m、高5.5 m、厚度為0.5 m 的混凝土澆筑的墻體。重力墻上方與公路相連左右與山體相連下側(cè)的地基也打在山體的邊坡上。其在側(cè)向壓力的作用下重力墻受力和變形的趨勢如圖1 所示。

圖1 重力墻受側(cè)向壓力剖面變化圖Fig 1 Profile change map of gravity wall forced by lateral pressure

由于重力墻的上側(cè)與公路相連，其下側(cè)、左側(cè)、右側(cè)均與山體相連，在側(cè)面受到側(cè)壓力時，其豎直方向中間線上的位移變化是最為明顯的，因此，中間線的位移能更加精確地顯示出重力墻的位移和安全的狀態(tài)。在中間線上布設(shè)FBG傳感器，當重力墻在側(cè)向壓力的作用下產(chǎn)生變形時帶動傳感器的等強度懸臂梁產(chǎn)生變形，則粘貼在等強度懸臂梁上的光柵會發(fā)生波長的移位，使得FBG 傳感器的中心波長發(fā)生變化，通過解調(diào)儀解調(diào)FBG 傳感器反射的光波長信號得到FBG 波長移位的大小［9］，實現(xiàn)對重力墻位移的監(jiān)測。

2 FBG 傳感器的布設(shè)和數(shù)據(jù)的分析

重力墻長20 m，高5.5 m，寬0.5 m，其上側(cè)與公路相接，左右與邊坡相連，下端建設(shè)在邊坡上，在側(cè)向壓力的作用下發(fā)生形變。對重力墻進行有限元的分析，選擇出重力墻位移變化最明顯的位置，使得傳感器對重力墻的安全狀態(tài)監(jiān)測更加靈敏。大型有限元軟件ANSYS 的前、后處理以及各種非線性計算功能處于國際領(lǐng)先水平，可以為本文的擋土墻整體穩(wěn)定性有限元數(shù)值計算分析的可靠性提供有力的保證［10，11］，采用有限元分析軟件ANSYS 對重力墻進行仿真，根據(jù)重力墻受到邊坡側(cè)向壓力的特點，在重力墻內(nèi)側(cè)的平面上加力，仿真得出重力墻結(jié)構(gòu)受力的分布和位移變化分布云圖，從而確定FBG 位移傳感器安放的位置。有限元分析軟件將重力墻的運動方向和受力大小通過ANSYS 進行仿真，可以直觀地得出邊坡的四條邊和中間線的受力最大，中間線上的位移變化最明顯。根據(jù)重力墻的實際尺寸建立仿真模型如圖2 所示，仿真重力墻的位移變化云圖如圖3所示。

圖2 建立重力墻的有限元仿真的模型Fig 2 Established finite element simulation model for gravity wall

圖3 有限元分析重力墻的位移變化Fig 3 Finite element analysis on gravity wall displacement change

根據(jù)ANSYS 仿真結(jié)果顯示，在重力墻豎直方向的中間線上的位移最為明顯，能夠更加精確地顯示整個重力墻的位移情況，更準確地判定重力墻的安全狀態(tài)。因此，選擇在重力墻的豎直方向的中間線上安裝10 只FBG 位移傳感器，橫向每隔2 m 安裝1 只，設(shè)置2 個監(jiān)測段，每段安裝5 只FBG位移傳感器，對安裝的位移傳感器進行編號，從大橋端開始，依次為:第一監(jiān)測段編號依次1#，2#，3#，4#，5#;大橋第二監(jiān)測段編號依次為6#，7#，8#，9#，10#。在重力墻的位移最為明顯的位置選擇10 個監(jiān)測點，鉆20 個直徑為27 ～29 mm的小孔，將位移傳感器的兩側(cè)固定在重力墻的內(nèi)部，安裝深度為30 cm，實現(xiàn)對重力墻位移的實時監(jiān)測。

FBG 位移傳感器采用分布式安裝，通過關(guān)光纖耦合器使得一根光纖上串聯(lián)多只傳感器，實現(xiàn)對多點的分布式測量，具有重復性好，線性度高等特點。當重力墻發(fā)生變形時，F(xiàn)BG 位移傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)對重力墻位移變化的監(jiān)測。傳感器的布設(shè)圖如圖4 所示。

圖4 傳感器的布設(shè)圖Fig 4 Sensor layout diagram

根據(jù)FBG 位移傳感器所受到的重力墻發(fā)生位移時的作用力與FBG 位移傳感器上的FBG 的波長移位之間的精度關(guān)系，通過光纖分析儀解調(diào)FBG 的波長移位量，計算出對應(yīng)監(jiān)測點的重力墻移位的大小。

由于重力墻的變形給傳感器兩端施加拉力，帶動重力墻表面的位移傳感器彈簧發(fā)生彈性形變，使傳感器內(nèi)部的等強度懸臂梁發(fā)生變形，粘貼于等強度懸臂梁上的光柵發(fā)生波長移位，實現(xiàn)對重力墻位移的監(jiān)測，傳感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 FBG 位移傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of FBG displacement sensor

2014 年1 月17 日～4 月5 日，元綠公路K77+120 ～K77+215 邊坡重力墻監(jiān)測段1 位移變化曲線如圖6 所示，重力墻監(jiān)測段2 位移變化曲線如圖7 所示，重力墻位移變化較大的位移分布圖如圖8 所示。

圖6 大橋重力墻監(jiān)測段1 的位移變化曲線圖Fig 6 Gravity wall displacement change curve of bridge in monitoring segment 1

圖7 大橋重力墻監(jiān)測段2 的位移變化曲線圖Fig 7 Gravity wall displacement change curve of bridge in monitoring segment 2

圖8 大橋重力墻位移變化較大的位移分布圖Fig 8 Large changes of displacement distribution of gravity wall

在此段監(jiān)測時間內(nèi)，重力墻各個部分的位移都處在動態(tài)變化中，在2 月10 日與2 月23 日在距離0，8，18 m 處的傳感器監(jiān)測到的位移稍大，其監(jiān)測到的最大位移分別為0.86，0.99，0.69 mm。重力墻所處的環(huán)境、降雨以及公路載荷的變化都會對重力墻的位移產(chǎn)生一定的影響［12］，使得重力墻的位移在一定范圍內(nèi)波動。該系統(tǒng)能夠反映重力墻的位移變化，并能對其位移的變化趨勢進行監(jiān)測。

3 結(jié) 論

本文對重力墻基于ANSYS 的有限元分析，獲得重力墻的應(yīng)力與位移變化的分布場，確定重力墻位移傳感器的布設(shè)點。當重力墻發(fā)生變形時，帶動FBG 位移傳感器的等強度懸臂梁發(fā)生變形，F(xiàn)BG 位移傳感器應(yīng)用在元綠春公路K77+120 ～K77+215 段的重力墻的位移監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:FBG 監(jiān)測到的數(shù)據(jù)在2 月10 日和2 月23 日有小幅度的波動，最大位移變化為0.99 mm，針對重力墻位移的特點設(shè)計的該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對重力墻位移的監(jiān)測。

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