光纖測(cè)試技術(shù)在護(hù)坡樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

趙新 姜泉 馬宏毓

摘 要：與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)串聯(lián)甚至全分布式連續(xù)測(cè)點(diǎn)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、無(wú)零漂、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足。結(jié)合實(shí)際基坑變形監(jiān)測(cè)工程，通過(guò)與傳統(tǒng)的觀測(cè)方法獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，證明了該技術(shù)在基坑變形監(jiān)測(cè)中的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：光纖測(cè)試技術(shù);建筑基坑;變形監(jiān)測(cè)

1 概述

在傳統(tǒng)的建筑基坑變形監(jiān)測(cè)工程中，各種埋入式的巖土監(jiān)測(cè)儀器，如測(cè)斜儀、伸長(zhǎng)儀、沉降儀、傾斜儀等，通常采用的振弦式、電阻式、電感式等形式的傳感器，存在著精度低、耐久性差、易受環(huán)境影響、易受電磁干擾、成活率低等缺陷。與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，光纖傳感可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)串聯(lián)甚至全分布式連續(xù)測(cè)點(diǎn)，具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、無(wú)零漂、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此在很大程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的不足，從而在地基基礎(chǔ)工程檢測(cè)和監(jiān)測(cè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，作用越來(lái)越重要。因光纖光柵傳感器具有尺寸小、質(zhì)量小、抗電磁干擾、防水防潮、耐腐蝕、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、靈敏度高、易實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)化傳感等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和實(shí)際工程中，尤其是在應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域得到了更為廣泛的應(yīng)用。

2 分布式光纖感測(cè)技術(shù)在護(hù)坡樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用工作原理

在護(hù)坡樁鋼筋籠主筋上對(duì)稱綁扎固定一組對(duì)稱的應(yīng)變感測(cè)光纜，并將光纜布設(shè)的截面方面垂直于基坑走向。通過(guò)分布式光纖應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)（BOTDR）即可探測(cè)到樁身不同方位的樁身應(yīng)變分布，當(dāng)樁身受側(cè)向土壓力作用而發(fā)生彎曲變形后，樁身的迎土面和背土面發(fā)生拉、壓應(yīng)變，其拉壓應(yīng)變可以通過(guò)預(yù)埋在其中的傳感光纖測(cè)得。

圖1 ?樁體水平變形受力示意圖

設(shè)ε1（z）和ε2（z）分別為對(duì)稱分布的兩條傳感光纖在深度z處的應(yīng)變測(cè)試值，則軸向壓縮應(yīng)變?chǔ)牛▃）和彎曲應(yīng)變?chǔ)舖（z）值分別為：

εm（z）= （1）

ε（z）= （2）

樁身的彎曲應(yīng)變大小與局部彎曲曲率成正比關(guān)系，根據(jù)彎曲應(yīng)變及樁身形態(tài)參數(shù)可推算出樁身彎曲曲率：

εm（z）= ? ? ? ? ?（3）

樁在發(fā)生水平撓曲后，假設(shè)深埋的樁端不發(fā)生位移，樁身各埋深點(diǎn)水平向位移v（z）可表示為：

v（z）=dzdz+mz+n（4）

其中m、n為待定系數(shù)，根據(jù)樁體變形的邊界條件確定。在本次監(jiān)測(cè)中邊界條件為：

v（z）z=0=0

v（z）z=26=0 ? ? ? ? ?（5）

對(duì)于護(hù)坡樁，H為樁長(zhǎng)，εm（z）為對(duì)稱的兩條光纖在同一深度光纖應(yīng)變測(cè)試之差，y（z）即為感測(cè)光纜到中性面的距離。從式（4）中將差異應(yīng)變沿著樁身路徑兩次積分，再根據(jù)（5）式中的邊界條件，即可得到樁身的每一點(diǎn)水平變形位移量。

3 工程試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1 工程概況

試驗(yàn)基坑等級(jí)為一級(jí)，基坑支護(hù)采用護(hù)坡樁加錨桿的支護(hù)方式，開(kāi)挖深度約21m，選擇了基坑南北側(cè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)采用測(cè)斜法與全分布式光纖感測(cè)技術(shù)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)選用了鋼繩式應(yīng)變感測(cè)光纜（NZS-C05）。該光纜直徑為5.0mm，抗拉強(qiáng)度大于1400N，順直性好。試驗(yàn)利用光纖應(yīng)變分析儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植入到護(hù)坡樁內(nèi)光纖的應(yīng)變解調(diào)，進(jìn)而反向計(jì)算出護(hù)坡樁內(nèi)部不同深度位置的變形位移、內(nèi)力變化等大小。

3.2 數(shù)據(jù)處理

用EXCEL軟件打開(kāi)各期對(duì)應(yīng)光纜測(cè)線的應(yīng)變數(shù)據(jù)文件，統(tǒng)一整合到一個(gè)EXCEL表格中。將整合的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ORIGIN軟件中，平通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)齊、有效測(cè)試數(shù)據(jù)截取、截取數(shù)據(jù)濾波平滑處理和光纖數(shù)據(jù)溫度補(bǔ)償處理4個(gè)步驟的處理后，根據(jù)上述理論方法，利用公式（1）～（5），先對(duì)平移后的光纜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)稱處理，一一對(duì)應(yīng)上樁身兩側(cè)，將對(duì)應(yīng)的樁身數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩做差處理。將處理好的數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到ORIGIN中，結(jié)合ORIGIN軟件的特點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算即可得到，樁體深層水平位移量變化曲線（如下圖所示）。

圖2

4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果對(duì)比與綜合分析

4.1絕對(duì)位移量對(duì)比分析

①B1#點(diǎn)的各期次絕對(duì)位移量較差最大值分別為4.27mm、4.92mm、3.19mm、7.12mm，B2#點(diǎn)的各期次絕對(duì)位移量較差最大值分別為3.08mm、3.00mm、6.87mm、8.85mm，兩點(diǎn)的位移量最大較差均發(fā)生在最后一次，對(duì)應(yīng)觀測(cè)日期2月25日，相對(duì)應(yīng)的樁體位置為樁的頂部，時(shí)值春節(jié)后氣溫逐漸變暖、地表開(kāi)始融化解凍，說(shuō)明外界氣溫變化對(duì)分布式光纖（BOTDR）監(jiān)測(cè)法采集的數(shù)據(jù)有較大影響，溫度應(yīng)變引起的誤差較大，溫度補(bǔ)償計(jì)算模型還不夠準(zhǔn)確。

②在兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共8次觀測(cè)成果中，各期次絕對(duì)位移量較差最大值≥5mm的有3次，占38%，較差最大值為3～5mm的有4次，占50%，較差最大值≤3mm的有1次，占12%;B1#點(diǎn)的各期次絕對(duì)位移量較差平均值分別為6.16mm、1.88mm、0.02mm、-0.60mm，B2#點(diǎn)的各期次絕對(duì)位移量較差平均值分別為1.03mm、-0.45mm、1.85mm、3.06mm，較差平均值≥5mm的有1次，占12%，較差平均值為3～5mm的有1次，占12%，較差平均值≤3mm的有6次，占76%，說(shuō)明采用分布式光纖（BOTDR）法監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)多數(shù)較為穩(wěn)定，無(wú)異常跳動(dòng)現(xiàn)象，大部分已接近于測(cè)斜法得到的單期次絕對(duì)位移量。

③按照誤差傳播定律理論，樁體深層水平位移監(jiān)測(cè)得出的位移量均以護(hù)坡樁最底部端點(diǎn)作為穩(wěn)定的基點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算得到，測(cè)斜法是以各期次每隔0.5m觀測(cè)讀取對(duì)應(yīng)深度相對(duì)基點(diǎn)的偏移量并將相鄰期次偏移量求差值而得到每期次的位移量，因而相對(duì)樁底基點(diǎn)，樁頂部即測(cè)斜管管口位置應(yīng)是測(cè)量最弱點(diǎn)，以測(cè)斜儀的標(biāo)稱精度0.25mm/0.5m作為標(biāo)準(zhǔn)中誤差、樁長(zhǎng)22.5m進(jìn)行推算，樁頂部相對(duì)基點(diǎn)的偏移量測(cè)量中誤差為1.68mm，若以2倍測(cè)量中誤差（3.36mm）作為極限誤差，即可認(rèn)為采用光纖（BOTDR）法得到的監(jiān)測(cè)成果與測(cè)斜法較差≤3mm時(shí)，則可以接受。

4.2 相對(duì)位移量對(duì)比分析

對(duì)相對(duì)位移量較差數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)分析，同樣可以得出：B1#點(diǎn)的相鄰兩期次間的相對(duì)位移量較差最大值分別為5.10mm、4.28mm、3.93mm，較差平均值分別為-1.72mm、1.86mm、0.63mm;B2#點(diǎn)的相鄰兩期次間的相對(duì)位移量較差最大值分別為3.62mm、6.36mm、3.78mm，較差平均值分別為-1.49mm、2.30mm、1.21mm;兩點(diǎn)相對(duì)位移量較差最大值分別為5.10mm、6.36mm，較差平均值均已<3mm，由相對(duì)位移量的較差平均值再次驗(yàn)證了分布式光纖（BOTDR）法監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)大部分與測(cè)斜法相接近。

5 結(jié)語(yǔ)

由以上兩點(diǎn)采用不同監(jiān)測(cè)方法得到的不同深度的絕對(duì)位移量和相鄰兩期次間的相對(duì)位移量比較結(jié)果可看出：少部分監(jiān)測(cè)成果相差較大，測(cè)斜儀方法數(shù)據(jù)與光纖法測(cè)試數(shù)據(jù)存在一定偏差。原因主要有兩方面：兩種不同監(jiān)測(cè)儀器測(cè)試得到數(shù)據(jù)本身具有系統(tǒng)性誤差，該誤差暫時(shí)無(wú)法消除，對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響;光纖法中光纖傳感器同時(shí)對(duì)樁身彎曲變形和環(huán)境溫度同時(shí)感應(yīng)敏感，而布設(shè)安裝的溫度補(bǔ)償光纖同時(shí)受到溫度和較小的彎曲應(yīng)變影響，并未能發(fā)揮良好的溫度補(bǔ)償效應(yīng)。在對(duì)光纖數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，以上兩部分誤差無(wú)法消除，造成了計(jì)算得到的樁身位移曲線與測(cè)斜儀方法測(cè)試得到位移數(shù)據(jù)存在較大偏差。

盡管溫度變化對(duì)光纖BOTDR法監(jiān)測(cè)有較大的影響，但也有測(cè)斜法所不具備的優(yōu)勢(shì)，如光纖BOTDR法監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù)密度大、不受光纖長(zhǎng)度限制、易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)等，在許多監(jiān)測(cè)領(lǐng)域都值得探索運(yùn)用，特別是超高層建筑結(jié)構(gòu)的后期健康安全監(jiān)測(cè)、大型水利設(shè)施安全監(jiān)測(cè)、山體滑坡、大面積沉陷區(qū)域變形等工程中進(jìn)行嘗試，同時(shí)采用多種監(jiān)測(cè)手段互相進(jìn)行驗(yàn)證。

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作者簡(jiǎn)介：趙新，1981年生于遼寧大連，工程師，從事測(cè)繪工程工作。