光纖監(jiān)測技術(shù)在垂直護岸工程中的應(yīng)用研究

李國良，王超慧，沈 政

（1.杭州大江東新城開發(fā)有限公司，浙江 杭州 311200；2.溫州市甌江口新區(qū)水務(wù)有限公司，浙江 溫州 325000；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

1 問題的提出

多重防護布置情況下護岸受力結(jié)構(gòu)與基坑工程、板樁碼頭工程存在較大區(qū)別，該類結(jié)構(gòu)形式具有較強的抗側(cè)向變形剛度，受力變形復(fù)雜，且在水利河道治理工程中幾乎沒有規(guī)范可參考，因此垂直護岸在工作狀態(tài)下的基本受力特性亟需進行深入研究。傳統(tǒng)的監(jiān)測儀器如伸長儀、沉降儀、測斜儀等，通常采用振弦式、電阻式等形式的傳感器，測量精度差，易受電磁干擾及環(huán)境影響，已經(jīng)很難適應(yīng)逐漸復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式。而光纖監(jiān)測作為一種新的監(jiān)測技術(shù)，憑借其良好的傳感性能，能夠很好地彌補傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的不足，已廣泛應(yīng)用于各種實際工程中。

目前，針對光纖監(jiān)測技術(shù)在各類工程中應(yīng)用的研究已有不少。趙新等[1]研究光纖測試技術(shù)在護坡樁體深層水平位移監(jiān)測中的應(yīng)用，實際監(jiān)測中光纖法采集的數(shù)據(jù)密度大、不受光纖長度限制、能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)在線自動化監(jiān)測，體現(xiàn)光纖監(jiān)測對該類工程很好的適用性；張?zhí)媒艿萚2]研究太湖隧道試樁測試中的分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)灌注樁樁身應(yīng)變的分布式測量，能相對準確地得出樁身軸力與側(cè)摩阻力隨地層變化的規(guī)律；羅勇等[3]通過分布式光纖測試技術(shù)研究大直徑嵌巖樁承載性能，認為光纖測試技術(shù)可靠度極高，是目前復(fù)雜施工環(huán)境下大直徑嵌巖樁可靠的應(yīng)變測試技術(shù)手段之一。劉杰等[4]將光纖應(yīng)用于基坑變形監(jiān)測中，孫安等[5]將其用于溫度方面的監(jiān)測。以上表明光纖監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在許多工程結(jié)構(gòu)中得到應(yīng)用，但關(guān)于光纖監(jiān)測技術(shù)在垂直護岸工程中的應(yīng)用還少有研究，本文借助FBG光纖光柵監(jiān)測技術(shù)對樁身進行監(jiān)測，論證該技術(shù)在垂直護岸工程中的適用性。

2 光纖監(jiān)測技術(shù)

2.1 監(jiān)測設(shè)備

現(xiàn)場試驗采用FBG調(diào)制解調(diào)儀，是Micron Optics（簡稱MOI）公司生產(chǎn)的SM125型光纖光柵解調(diào)儀。該儀器采用大功率低噪聲掃描激光光源，對傳感器的掃描頻率范圍為1～10 Hz，1 Hz掃描頻率下每通道允許同時監(jiān)測大于40個FBG傳感器，同時SM125通道數(shù)可隨時擴展到16個，可實現(xiàn)批量數(shù)據(jù)監(jiān)測。傳感器為蘇州南智傳感科技有限公司生產(chǎn)的NZS-FBG傳感器，由單模裸纖刻制而成。相比傳統(tǒng)的傳感器，F(xiàn)BG傳感器有體積小、重量輕、制作簡單、柔韌易彎曲、絕緣、無電磁噪聲且耐水、耐高溫、耐腐蝕等特點，被廣泛用于公路、鐵路、橋梁和一些重要建筑物結(jié)構(gòu)等的健康監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測設(shè)備操作流程

使用SM125型光纖光柵調(diào)制解調(diào)儀進行數(shù)據(jù)采集時，具體操作步驟：1在電腦中安裝軟件ENLIGHT；2打開軟件為應(yīng)用波長尋峰法則設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并查看儀器所連接的FBG傳感器的波譜信息，確定波譜上波峰的數(shù)量，通過調(diào)節(jié)參數(shù)去除多余的波峰，避免多檢數(shù)據(jù)干擾后期處理，確保波長采集個數(shù)與波峰數(shù)量、FBG傳感器的數(shù)量一致，避免漏檢；3對軟件中的公式進行編輯，以便連續(xù)不斷地直接得到樁身的應(yīng)變數(shù)據(jù)，避免人工計算誤差；4確定所有FBG傳感器的反射信號都被采集，記錄每個傳感器所在位置的波長信息，即可完成一條線路上的光纖數(shù)據(jù)采集工作。

3 工程概況和儀器埋設(shè)情況

3.1 工程概況

現(xiàn)場試驗依托蕭圍東線標準海塘建設(shè)工程，海堤堤身主要由粉土素填土和壓實填土組成。板樁處理范圍內(nèi)工程區(qū)地質(zhì)主要劃分為2、3兩個大層，具體分布見表1。

表1 工程地質(zhì)情況分布表

現(xiàn)場試樁見圖1。采用雙排樁圍護形式，后排采用10.0 m長的30 cm×30 cm方樁，前排為15.0 m長的矩形板樁，橫截面尺寸為30 cm×50 cm。

圖1 現(xiàn)場試樁位置示意圖 單位：m

3.2 護岸板樁光纖的布設(shè)

為避免在試驗過程中損傷光纖光柵傳感器，確保傳感器的存活率，減小試驗誤差，需要在樁身表面預(yù)設(shè)部位開槽，開槽深度為2～3 mm，保證光纖能夠完全被包裹在樁身的凹槽內(nèi)。開槽時應(yīng)保持沿著樁身軸力方向，避免彎曲，同時凹槽內(nèi)應(yīng)保證平緩，防止由于開槽過深或過淺，導(dǎo)致其后光纖布設(shè)時緊貼槽線底部的光纖局部轉(zhuǎn)彎半徑過小，從而使得光波在光纖中傳播的光損過大，影響測量結(jié)果。

為更準確地監(jiān)測護岸板樁的整體變形，設(shè)計采用U型布設(shè)[6]，U型光纖底部圓弧靠近板樁底端，U型光線的一條豎線與板樁的凹槽豎直邊對齊，另外一條豎線對齊板樁的柱狀空腔和凸榫豎直邊之間，板樁光纖布設(shè)示意見圖2。光纖呈U型布設(shè)可以在一次測量中獲得左右兩邊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，兩者取平均值能降低測量誤差。

本次現(xiàn)場試驗在板樁上布設(shè)傳感光纖，分別在距1號樁樁頂70，185，337，525，726，927，1 100，1 310，1 450 cm等處布設(shè)光纖光柵點（見圖3）。為與光纖測試結(jié)果進行對比，在板樁內(nèi)部中心位置同時埋設(shè)傳統(tǒng)的鋼筋應(yīng)力計。

3.3 護岸板樁光纖的封裝

光線傳感器為柔性構(gòu)造而板樁為剛性結(jié)構(gòu)，要準確獲得樁身變形數(shù)據(jù)，必須使光纖與板樁表面緊密貼合，達到變形協(xié)調(diào)，才能使光纖的測試結(jié)果更加準確。目前，光纖光柵封裝技術(shù)有：聚合物封裝法[7]、半金屬管封裝法[8]、鋼片封裝法[9]、金屬管封裝法[10]等。其中，后3種方式不適用于潮濕環(huán)境，長期監(jiān)測會引起金屬銹蝕，性能降低，且價格昂貴，第一種方法更經(jīng)濟且工藝簡單。本試驗采用聚合物封裝法進行封裝，聚合物是環(huán)氧樹脂，粘結(jié)劑為AB膠。

將露出樁頭部的光纖用鎧裝護套進行保護，并將鎧裝護套一端埋入樁體槽口一定長度，用調(diào)配攪拌好的環(huán)氧樹脂封口。在刷環(huán)氧樹脂前，用熱吹風(fēng)對環(huán)氧樹脂進行加熱，使其成為流體，再用刷子涂抹，以便環(huán)氧樹脂能充分流進凹槽以及光纖與凹槽之間的縫隙，使兩者充分粘貼；同時，應(yīng)注意在封裝前，對于樁身頂部出口處的傳感光纖應(yīng)預(yù)留2 m左右，用于后期與跳線熔接，熔接后即可將跳線端口接入光纖光柵調(diào)解儀中，進行數(shù)據(jù)測量。

圖2 光纖布設(shè)示意圖

圖3 光纖光柵點位布設(shè)圖 單位：cm

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

4.1 樁身應(yīng)變

圖4為1號樁靠近江面?zhèn)扰c遠離江面?zhèn)葮渡響?yīng)變分布結(jié)果。從圖4（a）可知，近江面樁頂處應(yīng)變較小，隨著板樁入土深度增加，應(yīng)變逐漸增加，且在深度11.00 m處達到最大值，從深度11.00 m處到樁底范圍內(nèi)應(yīng)變又逐漸減小。隨著時間推移，從深度為5.00 m到樁底范圍內(nèi)，樁身相同位置處應(yīng)變有所增大。從圖4（b）可知，從樁頂?shù)缴疃燃s3.50 m范圍內(nèi)，光纖監(jiān)測得到的應(yīng)變數(shù)值為正值，且應(yīng)變較小。隨著板樁入土深度增加，應(yīng)變先增大后減小，在樁底處應(yīng)變增大。隨著時間推移，從深度5.00 m到樁底范圍內(nèi)，樁身相同位置處的應(yīng)變有所減小。

圖4 1號樁樁身應(yīng)變分布圖

結(jié)合1號樁近江側(cè)和遠江側(cè)的應(yīng)變分布規(guī)律來看，樁身除了受負摩阻力作用外，還受到水平荷載作用而發(fā)生彎曲變形。這是由于板樁兩側(cè)的圍堰土方和一階段填土土方重量不同，與板樁相隔的距離也不同，從而使板樁近江側(cè)和遠江側(cè)受到大小不同的土壓力作用，樁身產(chǎn)生撓曲變形。由于圍堰土方比一階段填土土方重量大且與板樁距離更近，所以板樁近江側(cè)受到的土壓力大于遠江側(cè)受到的土壓力，從而使板樁向遠江側(cè)發(fā)生彎曲變形。由圖4可知，板樁遠江側(cè)在深度為9.27～13.10 m范圍內(nèi)的壓縮應(yīng)變一直持續(xù)減小，是因為樁具有朝江移動的趨勢，遠江側(cè)在該深度范圍內(nèi)的拉伸變形較大。

4.2 軸向軸力對比

為了與傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計測試讀數(shù)進行對比，將近江側(cè)與遠江側(cè)的樁身應(yīng)變進行平均計算得到樁身的平均應(yīng)力。板樁打設(shè)后主要承擔(dān)豎向和水平荷載，但整體仍是一種受壓構(gòu)件，樁身的界面均處于受壓狀態(tài)。傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計埋設(shè)于樁中心位置，可將光纖在近江側(cè)與遠江側(cè)的測試結(jié)果進行平均計算，得到中心位置的應(yīng)變值，從而與傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計測試結(jié)果進行對比。

設(shè)ε1（z）為光纖在板樁近江側(cè)深度為z處的應(yīng)變監(jiān)測值（μξ），而ε2（z）為光纖在板樁遠江側(cè)深度為z處的應(yīng)變監(jiān)測值（μξ），則板樁的平均軸向應(yīng)變ε（z）為：

由樁身的軸向應(yīng)變及板樁的彈性模量和橫截面積可以反推樁身軸力，計算公式為：

式中：Q（z）為樁身深度為z處的軸力（kN）；E為板樁彈性模量（kPa）；A為板樁截面面積（m2）。

根據(jù)公式（2）計算得出的板樁軸力隨深度的分布結(jié)果見圖5。由圖5（a）可知，由于假定板樁為線彈性體，其軸力分布規(guī)律與樁身軸向應(yīng)變分布規(guī)律相同。板樁樁身軸力隨深度增加呈現(xiàn)非線性遞增的趨勢，樁身上部軸力變化較大，而中下部軸力不僅變化較小且軸力較大；軸力曲線傾斜程度越大，摩阻力越大，隨著時間的推移，曲線略微變緩。

從圖5（b）可以看出，傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計測試得到的軸力存在一定突變。主要原因是傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計主要埋設(shè)于板樁中心，對于承受豎向和水平向作用的板樁，軸向受力非常復(fù)雜。特別當水平向作用力發(fā)生變化時，軸力變化更加明顯，不易獲得穩(wěn)定的軸力數(shù)據(jù)。對比圖5（a）和圖5（b）可以發(fā)現(xiàn)，采用光纖監(jiān)測測試獲得的樁身軸力較為穩(wěn)定，主要由于光纖測試板樁2個面上的應(yīng)變值相對更加穩(wěn)定。兩者測試得到的樁身最大軸力均發(fā)生于樁中心10 m左右位置，均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。光纖測試的樁身最大軸力為14 kN，傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計測試結(jié)果為13 kN，兩者較為接近，說明測試結(jié)果具有一致性。

圖5 樁身軸力分布圖

5 結(jié) 論

（1）通過FBG傳感監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測樁身變形，發(fā)現(xiàn)隨著時間的推移，樁身相同位置處的負應(yīng)變值先增大后趨于不變，最大應(yīng)變所處的板樁入土深度也先增大后不變，說明板樁的變形逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）板樁樁身軸力隨深度的增加呈非線性遞增。由于樁土下沉量不同，樁側(cè)表面產(chǎn)生負摩阻力。隨著時間的推移，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮趨于 穩(wěn)定。

（3）光纖監(jiān)測技術(shù)實用性較高，與傳統(tǒng)鋼筋應(yīng)力計相比，在測試壓彎受力原件時更具有優(yōu)勢?，F(xiàn)場試驗時，由于施工條件惡劣以及突發(fā)情況的產(chǎn)生，要妥善考慮光纖傳感器的布設(shè)和保護。