光纖光柵自感知預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡加固中的應(yīng)用

徐輝華，李俊宏，覃荷瑛*

(1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007；2.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院)

預(yù)應(yīng)力錨索加固作為一種可靠的邊坡加固方法，能有效改善巖體不利的受力狀態(tài)，提高巖體的自身強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，被廣泛應(yīng)用于邊坡加固工程中。錨索的有效預(yù)應(yīng)力是影響加固工程成敗的重要因素，因此對錨索的受力狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，對邊坡加固工程的安全具有重要作用。目前，許多邊坡加固工程通過各種不同的方法對錨索的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。三峽永久船閘高邊坡使用了預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，并安裝了113臺錨索測力計(jì)對錨索的受力狀態(tài)進(jìn)行長期監(jiān)測；廣鄰高速公路4#邊坡在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固后，安裝了5個(gè)壓力傳感器對錨索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測，以確定錨索的受力和邊坡的變形情況；胡時(shí)友等設(shè)計(jì)了一種數(shù)字式智能化錨索預(yù)應(yīng)力傳感器，其具有精度高、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程長期監(jiān)測中都已成功運(yùn)用；姜德生等在從應(yīng)用現(xiàn)場取回的錨索鋼絞線表面粘貼光纖光柵傳感器，并進(jìn)行軸向受拉下的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，結(jié)果與工程實(shí)際應(yīng)用情況相近；王蓉川在大崗山拱壩抗力體邊坡加固的部分巖體預(yù)應(yīng)力錨索上使用光纖光柵傳感技術(shù)，將光纖光柵傳感器置于錨索測力計(jì)的高強(qiáng)度合金筒中，實(shí)現(xiàn)對錨索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測。

常規(guī)的錨索監(jiān)測主要采用測力環(huán)，電阻應(yīng)變片，差動電阻應(yīng)變計(jì)，鋼弦頻率式傳感器等。測力環(huán)安裝在錨索墊板和錨環(huán)之間，安裝簡便、使用簡單、測量效果直觀。但其易受施工安裝時(shí)偏載的影響，精度不高。電阻應(yīng)變片是將應(yīng)變片直接粘貼在彈性體上，其結(jié)構(gòu)簡單，測量精度高，但容易受損，耐久性較差。差動電阻式傳感器容易受環(huán)境溫度影響，測量精度偏低。電阻應(yīng)變式和差動電阻式傳感器輸出的都是模擬信號，無法進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，無法滿足遠(yuǎn)距離監(jiān)測的要求。鋼弦式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，信號傳輸距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度受制于壓力盒尺寸，且不能用于動態(tài)測試。光纖光柵以光為傳感媒介，具有傳感特性穩(wěn)定、精度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于錨索預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測。但光纖光柵體積纖細(xì)，直徑僅為125 μm，加上材質(zhì)的玻璃脆性，抗剪能力差，易折斷，為保證其在復(fù)雜工程環(huán)境中的存活率，須進(jìn)行封裝。該文通過在錨索的鋼絞線中心絲上設(shè)置凹槽封裝光纖光柵制成光纖光柵自感知錨索，并用于某廣場邊坡加固工程中，以實(shí)現(xiàn)對錨索預(yù)應(yīng)力施工張拉的監(jiān)測。

1 自感知錨索封裝設(shè)計(jì)及應(yīng)變傳遞

取預(yù)應(yīng)力錨索的鋼絞線中心絲，在其上設(shè)置凹槽，將光纖光柵傳感器用膠黏劑封裝在凹槽內(nèi)，待膠黏劑達(dá)到足夠的黏結(jié)強(qiáng)度后，將中心絲與邊絲扭絞成型并對端部進(jìn)行封裝保護(hù)如圖1、2所示。

圖1 自感知鋼絞線封裝設(shè)計(jì)

圖2 自感知鋼絞線端部封裝保護(hù)

采用此凹槽嵌入式封裝法，一方面可以避免施工過程中因拉拽擠壓造成光纖光柵斷裂，提高光纖光柵在惡劣施工環(huán)境下的布設(shè)存活率和使用壽命；另一方面，膠黏劑作為光纖光柵粘貼層的同時(shí)，也成為光纖光柵的保護(hù)層，起到吸收外界沖擊振動的作用。

光纖光柵應(yīng)變傳感原理：基體產(chǎn)生形變，通過中間層傳遞給裸光柵。由于中間層吸收微小變形，因此，光纖光柵與基體的應(yīng)變存在差異，二者的應(yīng)變之比即為傳感器的應(yīng)變傳遞能力，稱之為應(yīng)變傳遞率。根據(jù)剪滯理論，光纖光柵的平均應(yīng)變傳遞率見式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：εg和εm分別為光纖光柵傳感器的應(yīng)變和基體的應(yīng)變；2L為光纖傳感器粘貼長度；Gp和Eg分別為粘貼層的剪切彈性模量和光纖光柵的楊氏模量；rm和rg分別為粘貼層的外徑和光纖的外徑。

該文凹槽深度取0.6 mm，寬度取1 mm，光纖光柵傳感器的粘貼層厚度取0.5 mm，粘貼長度為50 mm，膠黏劑的彈性模量為2.5 GPa。根據(jù)式(1)計(jì)算可得，自感知鋼絞線的平均應(yīng)變傳遞率為β=96%，滿足應(yīng)變傳遞要求。

2 光纖光柵自感知錨索試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)概況

取長度為3 m的普通鋼絞線，鋼絞線為1×7標(biāo)準(zhǔn)型，公稱直徑為15.2 mm，公稱截面面積為140 mm2，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，屈服荷載為225 kN，極限承載力為260 kN；光纖布拉格光柵3 dB帶寬，反射率為99.64%，中心波長為1 540 nm；光纖光柵解調(diào)儀為Agilent86142B 光譜儀，采樣頻率為3 Hz，波長范圍為1 525～1 560 nm，波長精度為2 pm，分辨率為1 pm。將鋼絞線打散取出中心絲，在中心絲上設(shè)置0.6 mm深、1.0 mm寬的凹槽；張拉中心絲，在持荷狀態(tài)下將光纖光柵傳感器用膠黏劑封裝在凹槽內(nèi)，封裝長度需保證在光柵左右各20 mm均勻地覆蓋膠黏劑，待膠黏劑達(dá)到足夠黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，卸載中心絲，制成自感知中心絲，再將自感知中心絲與邊絲扭絞成型。

根據(jù)鋼絞線中心絲持荷值的不同，分別設(shè)計(jì)4組(每組3根)試樣進(jìn)行研究，把中心絲持荷值為0作為A組，中心絲持荷值分別為0.2Pb、0.3Pb、0.4Pb(Pb為中心絲的極限承載力，Pb=39.5 kN)作為B組、C組、D組。加載方案：① 首先記錄光纖光柵傳感器的原始波長；② 施加0.2Pn荷載(Pn為鋼絞線極限承載力，Pn=260 kN)進(jìn)行預(yù)張拉，檢測儀器和構(gòu)件狀態(tài)，確保鋼絞線與錨具無滑移；③ 以0.05Pn(取10 kN)逐級施加荷載，張拉速度不大于100 MPa/min，持荷5 min后同時(shí)記錄光柵解調(diào)儀、張拉力和千分表讀數(shù)；④ 當(dāng)光纖光柵傳感器失效時(shí)，記錄對應(yīng)的荷載、鋼絞線和波長的變化值；⑤ 張拉至鋼絞線斷裂，記錄極限荷載。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過對試驗(yàn)結(jié)果分析整理,對同組的3根試件數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到不同中心絲持荷值光纖光柵傳感器的受拉波長變化、最大波長變化、極限應(yīng)變，最大張拉力及鋼絞線的屈服應(yīng)變和極限張拉力等如表1所示。其中λ0為光纖光柵傳感器初始波長；λ0′為光纖光柵傳感器預(yù)壓后的波長；λ為光纖光柵傳感器極限受拉波長；Δλ′為光纖光柵傳感器預(yù)壓后的波長變化值，Δλ′=λ′0-λ0；Δλ為光纖光柵傳感器受拉總波長變化值，Δλ=λ-λ0；Δλ*為光纖光柵傳感器極限總波長變化值，Δλ*=λ-λ′0；ε*為光纖光柵傳感器達(dá)到極限受拉波長時(shí)，鋼絞線對應(yīng)的應(yīng)變；εy為鋼絞線屈服時(shí)的應(yīng)變；P*為光纖光柵傳感器達(dá)到極限受拉波長時(shí)，鋼絞線對應(yīng)的張拉力；Ps為鋼絞線的極限張拉力。

表1 光纖光柵自感知鋼絞線拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知：A組試件光纖光柵的應(yīng)變監(jiān)測量程為鋼絞線屈服應(yīng)變的70%，應(yīng)力監(jiān)測量程為極限張拉力的65%。通常，對鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，其張拉力為鋼絞線極限張拉力的70%，采用超張拉時(shí)，張拉力為極限張拉力的75%，這意味著光纖光柵傳感器在施加預(yù)應(yīng)力過程中，將因超過量程而斷裂；B組試件光纖光柵的應(yīng)變監(jiān)測量程為鋼絞線屈服應(yīng)變的85%，應(yīng)力監(jiān)測量程為極限張拉力的80%。相對于A組試件，量程提高不明顯；C組試件光纖光柵的應(yīng)變監(jiān)測量程超過鋼絞線屈服應(yīng)變，應(yīng)力監(jiān)測量程為鋼絞線極限張拉力的98%。相對于A組試件，量程提高十分明顯，基本可以實(shí)現(xiàn)對鋼絞線全生命周期應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測；D組試件光纖光柵應(yīng)變監(jiān)測量程超過鋼絞線屈服應(yīng)變，應(yīng)力監(jiān)測量程為鋼絞線極限張拉力的98%，相對于A組試件，量程提高同樣十分明顯，基本可以實(shí)現(xiàn)對鋼絞線全生命周期應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測。但相對于C組試件，量程提高優(yōu)勢不明顯，線性和重復(fù)性不如C組試件。

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：光纖光柵傳感器在中心絲持荷狀態(tài)下進(jìn)行封裝，卸載后會對光纖光柵傳感器形成預(yù)壓效果，經(jīng)預(yù)壓后的光纖光柵傳感器的量程會得到顯著提高。比較不同的預(yù)壓值發(fā)現(xiàn)，在光纖光柵傳感器封裝時(shí)進(jìn)行0.3Pb的預(yù)壓，能達(dá)到最佳效果。

3 自感知預(yù)應(yīng)力錨索工程應(yīng)用

為驗(yàn)證自感知預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡加固工程中的應(yīng)用效果，取3根應(yīng)用于某廣場深基坑排樁與錨索支護(hù)體系中。加固過程采用注漿錨索工藝，3根自感知預(yù)應(yīng)力錨索試件分別布置在3個(gè)不同的深孔中，自感知試件制作時(shí)中心絲持荷值均為0.3Pb，設(shè)計(jì)的張拉預(yù)應(yīng)力分別為：1號鋼絞線為120 kN；2號鋼絞線150 kN；3號鋼絞線170 kN，現(xiàn)場施工如圖3、4所示。

圖3 自感知鋼絞線埋設(shè)

圖4 自感知鋼絞線現(xiàn)場監(jiān)測

錨索張拉在注漿體強(qiáng)度達(dá)到5 MPa后進(jìn)行，使用穿心型千斤頂和電動油泵加載系統(tǒng)進(jìn)行張拉，達(dá)到設(shè)計(jì)張拉力時(shí)，記錄中心波長變化值，再通過式(3)、(4)計(jì)算出監(jiān)測應(yīng)力。

當(dāng)光纖光柵傳感器處于均勻應(yīng)變場時(shí)，其波長變化與應(yīng)變關(guān)系為：

(3)

式中：Δλ為波長變化值；n為光柵折射率；p11、p12為光彈效應(yīng)系數(shù)；υ為泊松比；εg為光柵應(yīng)變；h為光柵應(yīng)變靈敏度。

監(jiān)測應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：

(4)

式中：F為監(jiān)測應(yīng)力；E為彈性模量；β為光纖光柵平均應(yīng)變傳遞率；εm為基體應(yīng)變；A為基體截面面積。

將計(jì)算出的監(jiān)測應(yīng)力與現(xiàn)場油表顯示的實(shí)際張拉應(yīng)力進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示。其中λ0為光纖光柵傳感器初始波長；λFBG為鋼絞線達(dá)到張拉應(yīng)力值時(shí)的監(jiān)測波長；ΔλFBG為鋼絞線達(dá)到張拉應(yīng)力值時(shí)的波長變化；εFBG為鋼絞線達(dá)到張拉應(yīng)力值時(shí)的應(yīng)變；FFBG為監(jiān)測應(yīng)力；FCON為實(shí)際張拉應(yīng)力。

表2 鋼絞線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實(shí)際張拉力值對比

從表2可知：1號試件的中心波長變化為5.244 nm，光柵應(yīng)變?yōu)? 396 με，監(jiān)測應(yīng)力為123.722 kN，與實(shí)際張拉值120 kN的絕對誤差值為3%；2號試件的中心波長變化為6.101 nm，光柵應(yīng)變?yōu)? 495 με，監(jiān)測應(yīng)力為154.653 kN,與實(shí)際張拉值150 kN的絕對誤差值為3.1%；3號試件的中心波長變化為6.944 nm，光柵應(yīng)變?yōu)? 227 με，監(jiān)測應(yīng)力為175.254 kN，與實(shí)際張拉值170 kN的絕對誤差值為3.1%。3根自感知錨索預(yù)應(yīng)力施加結(jié)束后均存活，存活率為100%，其監(jiān)測應(yīng)力與實(shí)際張拉應(yīng)力相比，誤差均比較小，能夠滿足對整個(gè)預(yù)應(yīng)力施加過程的監(jiān)測。

4 結(jié)論

通過在鋼絞線中心絲上設(shè)置凹槽，設(shè)計(jì)了可將光纖光柵傳感器封裝在凹槽內(nèi)部的自感知錨索，理論分析了光纖光柵傳感器與基體的應(yīng)變傳遞率；以中心絲持荷值為變化參數(shù)，對自感知試件進(jìn)行了張拉試驗(yàn)；依據(jù)理論推導(dǎo)及試驗(yàn)結(jié)果對自感知錨索進(jìn)行了邊坡加固工程試點(diǎn)應(yīng)用，結(jié)果表明：

(1)內(nèi)嵌式凹槽封裝工藝能夠提高光纖光柵傳感器在復(fù)雜環(huán)境和惡劣施工狀況下的存活率，在拉伸試驗(yàn)與邊坡加固工程試點(diǎn)應(yīng)用中，光纖光柵傳感器存活率為100%。

(2)采用預(yù)壓方法封裝光纖光柵傳感器，解決了光纖光柵傳感器監(jiān)測量程過小的問題。試驗(yàn)中，在光纖光柵封裝時(shí)進(jìn)行0.3Pb的預(yù)壓，量程提高效果十分明顯且線性度和重復(fù)性良好。

(3)在邊坡加固工程試點(diǎn)應(yīng)用中，光纖光柵自感知預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測應(yīng)力與實(shí)際張拉力值誤差約為3%，誤差較小，驗(yàn)證了自感知預(yù)應(yīng)力錨索監(jiān)測量程的有效性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。