基樁變形監(jiān)測分布式光纖傳感器選型研究

郭章輝

(中鐵八局集團(tuán)昆明鐵路建設(shè)有限公司 云南 昆明 650200)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長及城市現(xiàn)代化快速推進(jìn)，我國交通設(shè)施和城市建設(shè)快速發(fā)展，西部地區(qū)交通設(shè)施建設(shè)任務(wù)日益繁重，但是我國幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，貴南線、川藏線、云桂線等運(yùn)營線路易遭受滑坡災(zāi)害，造成運(yùn)營安全受到影響。施工過程中，通常通過構(gòu)建抗滑樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定邊坡。為緩解城市土地資源緊張及交通擁堵問題，高層建筑和地下空間結(jié)構(gòu)日益增多，結(jié)構(gòu)施工過程中基坑開挖深度大，可達(dá)到上百米，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是確?；臃€(wěn)定性和臨近構(gòu)筑物安全的重要設(shè)施。在結(jié)構(gòu)長期服役或周邊環(huán)境干擾下，抗滑樁和基樁變形是引發(fā)結(jié)構(gòu)事故最為主要的原因。因此，在抗滑樁或基樁上布設(shè)傳感器開展變形監(jiān)測，對于提升交通運(yùn)營和施工安全具有重要的工程意義。

分布式光纖傳感技術(shù)是近幾十年發(fā)展起來的一種可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變連續(xù)測試的傳感技術(shù)，目前已經(jīng)在高鐵、公路、管道、橋梁等結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域得到了較為成功的應(yīng)用[1-5]。在抗滑樁或基樁監(jiān)測方面，最早是南京大學(xué)施斌等人通過在抗滑樁受力主筋上開槽布設(shè)裸光纖開展基樁受力或變形監(jiān)測，裸光纖十分纖細(xì)，實(shí)際工程中光纖布設(shè)比較困難且容易破壞。鑒于此，施斌等人將自行研制的應(yīng)變光纜布設(shè)到馬家溝滑坡抗滑樁中，基于BOTDR技術(shù)開展相應(yīng)的變形監(jiān)測，極大提升了分布式光纖的工程化，并取得了較好的變形測試效果[6]。劉杰等人將光纖粘帖在測斜管表面開展基坑變形分布式監(jiān)測，實(shí)際工程中，由于測斜管是一段一段拼接而成，影響了粘帖光纖的連續(xù)性[7]。崔詠軍等人采用鋼絞線加強(qiáng)光纖開展基坑工程監(jiān)測，鋼絞線加強(qiáng)光纖通過扎帶固定在測斜管外側(cè)[8]?；踊蚩够瑯兜谋O(jiān)測效果與傳感器自身的感知特性以及傳感器與結(jié)構(gòu)協(xié)同變形密切相關(guān)，為此王花平、李宏男等人分別開展光纖應(yīng)變傳遞的方法及理論研究，為封裝傳感器的研發(fā)和傳感器測試提供了一定的指導(dǎo)意義[9，10]。

本文通過靜載拉伸試驗(yàn)對普通康寧光纖、玻璃鋼封裝光纖和鋼絞線加強(qiáng)光纖進(jìn)行感知性能試驗(yàn)，優(yōu)選適合基樁施工和變形監(jiān)測需求的分布式光纖傳感器，并將優(yōu)選的分布式光纖傳感器用于基樁長期變形監(jiān)測，驗(yàn)證該傳感器在基樁監(jiān)測中的有效性。

1 分布式光纖布里淵傳感原理

布里淵散射過程可經(jīng)典地描述為泵浦波、斯托克斯波通過聲波進(jìn)行的非線性相互作用，泵浦波通過電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生聲波，引起介質(zhì)折射率的周期性調(diào)制，同時(shí)由于多普勒效應(yīng)，散射光產(chǎn)生了頻率下移，入射光與散射光頻率差即為布里淵頻移，基于布里淵散射譜分析，布里淵散射頻移與溫度和應(yīng)變成線性關(guān)系，如式(1)所示

ΔvB=CεΔε+CTΔT

(1)

式中：Cε、CT表示應(yīng)變和溫度靈敏度系數(shù)；Δε、ΔT表示施加在光纖上應(yīng)變和溫度增量[11，12]。

由式(1)可知布里淵頻移同時(shí)與溫度和應(yīng)變有關(guān)，當(dāng)溫度或應(yīng)變恒定時(shí)，由布里淵頻移變化量可以求出溫度或應(yīng)變變化，同時(shí)根據(jù)光功率的變化，即OTDR光時(shí)域定位技術(shù)，可以得到任何點(diǎn)距探測光源的距離z：

(2)

式中c表示光波在光纖中測傳播速度；n表示光纖折射率。

2 抗滑樁變形監(jiān)測分布式光纖傳感器選型試驗(yàn)

圖1為普通康寧單模光纖、玻璃鋼封裝光纖和鋼絞線加強(qiáng)光纖。其中普通康寧光纖封裝材料為丙烯酸酯(Acrylics)，直徑為0.125 mm，直接作為分布式光纖傳感器使用容易被破壞，目前常用于小尺度構(gòu)件表面變形臨時(shí)測量；鋼絞線加強(qiáng)光纖從外到內(nèi)分別為PE橡膠層、細(xì)直徑鋼絞線和緊抱單模光纖，直徑6.00 mm；玻璃鋼封裝光纖是在環(huán)氧樹脂和玻璃纖維拉擠成型過程中將光纖植入，直徑5.00 mm，具有較高抗拉強(qiáng)度和抗腐蝕性。

圖1 3種選型分布式光纖傳感器

鋼絞線加強(qiáng)光纖中鋼絞線不會對緊抱光纖產(chǎn)生側(cè)向壓力，因此其布里淵增益譜曲線和普通康寧光纖的布里淵增益譜曲線均為洛倫茨型；玻璃鋼封裝光纖因其特殊的拉擠成型工藝使得光纖植入過程中承受不均勻應(yīng)力，其布里淵增益譜曲線較為復(fù)雜，某些特殊情況下會偏離洛倫茨型。圖2為玻璃鋼封裝光纖和普通康寧光纖的布里淵增益譜曲線，可以看到普通康寧光纖各個(gè)位置的布里淵增益譜曲線一致性好，均為洛倫茨型；玻璃鋼封裝光纖的布里淵增益譜曲線較為復(fù)雜，而FBG位置處的布里淵增益譜曲線明顯偏離洛倫茨型。為進(jìn)一步研究各光纖的感知特性，通過靜載拉伸試驗(yàn)獲取相應(yīng)的布里淵頻移-應(yīng)變感知系數(shù)，如圖3所示。圖3a至圖3c分別為康寧光纖、玻璃鋼封裝光纖和鋼絞線加強(qiáng)光纖的布里淵頻移-應(yīng)變感知標(biāo)定結(jié)果，標(biāo)定系數(shù)分別為0.0493 MHz/με、0.0495 MHz/με和0.0488 MHz/με。標(biāo)定結(jié)果表明3種傳感器感知系數(shù)接近0.05 MHz/με，其中康寧光纖和玻璃鋼封裝光纖的極限應(yīng)變均超過16000 με，且全程為線性，鋼絞線加強(qiáng)光纖在拉伸應(yīng)變達(dá)到14900 με時(shí)，因外層橡膠PE被夾持破壞，導(dǎo)致其不能繼續(xù)承擔(dān)更大的拉伸應(yīng)變。

圖2 玻璃鋼封裝光纖和普通康寧光纖的布里淵增益譜曲線

圖3 3種光纖的應(yīng)變感知標(biāo)定結(jié)果

分布式光纖傳感器用于基坑變形監(jiān)測需要滿足3個(gè)基本條件：(1)滿足基坑施工條件，易于成活；(2)使用壽命長，變形量程匹配基樁監(jiān)測需求；(3)良好的感知特性。對比3種光纖，可以看到普通康寧光纖直徑細(xì)、抗剪性能差，在基樁澆筑混凝土等施工過程中容易破壞；鋼絞線加強(qiáng)光纖因各組成成分模量相差較大，導(dǎo)致在大應(yīng)變時(shí)，內(nèi)層緊抱光纖與外層PE不協(xié)同變形；玻璃鋼封裝光纖因光纖和玻璃鋼一體化拉擠成型，光纖被直接封裝在玻璃鋼中，光纖變形能發(fā)揮到極致，且玻璃鋼材質(zhì)完全可以抵御基樁注漿施工、振搗等惡劣工況。因此，玻璃鋼封裝光纖更適合基樁變形監(jiān)測。

圖4 傳感器布設(shè)及現(xiàn)場測試

3 基于玻璃鋼封裝光纖的抗滑樁變形監(jiān)測試驗(yàn)

為驗(yàn)證玻璃鋼封裝光纖傳感器在抗滑樁變形監(jiān)測中的有效性，將直徑5 mm的玻璃鋼封裝光纖傳感器沿著某邊坡抗滑樁主受力筋布設(shè)，如圖4所示。圖4c為采用BOTDR設(shè)備采集相應(yīng)的玻璃鋼封裝光纖的分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)，空間分辨率為1000 mm，應(yīng)變測量精度±50 με。

本監(jiān)測項(xiàng)目在兩個(gè)抗滑樁上布設(shè)了玻璃鋼封裝光纖傳感器，抗滑樁長度分別為12.5 m和20.5 m。圖5為抗滑樁中玻璃封裝光纖傳感器的應(yīng)變測試數(shù)據(jù)。圖5a為20.5 m長抗滑樁的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測試期為抗滑樁混凝土澆筑后第7、14、21和42 d，可以看到抗滑樁在混凝土澆筑后前期從樁底(0 m)到樁頂(20.5 m)有一定的應(yīng)變遞增，最大應(yīng)變增量33 με。圖5b為12.5 m長抗滑樁的監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測試期為抗滑樁混凝土澆筑后第7、14、21、28和42 d，可以看到抗滑樁在混凝土澆筑后前期從樁底(0 m)到樁頂(12.5 m)有一定的應(yīng)變遞增，樁頂最大應(yīng)變增量85 με，在9.8 m的位置最大應(yīng)變達(dá)到118 με。12.5 m長抗滑樁監(jiān)測應(yīng)變較大的原因是當(dāng)時(shí)為雨水季節(jié)，抗滑樁上部出現(xiàn)了一條裂縫，后面經(jīng)現(xiàn)場施工人員及時(shí)處理?？紤]到BOTDR設(shè)備本身應(yīng)變波動性，各個(gè)監(jiān)測數(shù)據(jù)在刻畫之前先與傳感器布設(shè)之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理。本文監(jiān)測設(shè)備及傳感器選用大連博瑞鑫科技有限公司研發(fā)的產(chǎn)品。

4 結(jié)論

本文針對基樁或抗滑樁施工及監(jiān)測需求，選擇普通康寧光纖、玻璃鋼封裝光纖和鋼絞線加強(qiáng)光纖進(jìn)行感知性能研究，優(yōu)選適合基樁或抗滑樁監(jiān)測的傳感器，并通過抗滑樁變形監(jiān)測驗(yàn)證優(yōu)選傳感器的有效性，取得如下結(jié)論。

(1)普通康寧光纖、玻璃鋼封裝光纖和鋼絞線加強(qiáng)光纖的布里淵應(yīng)變感知系數(shù)基本為0.05 MHz/με，其中普通康寧光纖和鋼絞線加強(qiáng)光纖的布里淵增益譜曲線為洛倫茨型，而玻璃鋼封裝光纖因特殊的垃擠成型工藝導(dǎo)致其受力不均，布里淵增益譜曲線較為復(fù)雜。

圖5 抗滑樁玻璃鋼封裝光纖傳感器應(yīng)變測量數(shù)據(jù)

(2)普通康寧光纖纖細(xì)易斷；鋼絞線加強(qiáng)光纖在承受較大應(yīng)力時(shí)，外層PE和內(nèi)層緊抱光纖變形不一致，不適合較大變形監(jiān)測；玻璃鋼封裝光纖具有抗拉強(qiáng)度高和耐久性好的優(yōu)點(diǎn)，適合基樁或抗滑樁變形監(jiān)測。

(3)玻璃鋼封裝光纖用于抗滑樁變形監(jiān)測，可以有效監(jiān)測抗滑樁服役期的應(yīng)變，為施工提供了一定的監(jiān)測指導(dǎo)。