基于光纖傳感技術(shù)的土工格柵變形及受力研究

劉倩萁，張孟喜，洪成雨,2

(1.上海大學(xué)土木工程系，上海 200444；2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060)

土工合成材料在公路、鐵路等路基工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。通過加入筋材使土體承載能力得到提高的方法稱為土工加筋技術(shù)[3-4]。近年來，對(duì)加筋方式及加筋邊坡穩(wěn)定性的研究比較廣泛[5-6]，加筋土邊坡中筋材的變形研究已取得一些進(jìn)展，顯示筋材的變形對(duì)邊坡承載力具有很大影響。

很多學(xué)者對(duì)土工格柵進(jìn)行了數(shù)值模擬，Wang等[7]通過二維離散元程序，得到了土工格柵/土界面間力的傳導(dǎo)機(jī)理。胡衛(wèi)國等[8]通過建立FLAC3D數(shù)值模型進(jìn)行模擬，結(jié)果表明雙向格柵效果優(yōu)于單向格柵。在數(shù)值模擬之外，對(duì)于筋材變形的試驗(yàn)研究主要通過應(yīng)變片等傳統(tǒng)測量工具進(jìn)行監(jiān)測，測量精度及準(zhǔn)確性仍無法提高。楊慶等[9]通過小比尺模型試驗(yàn)，運(yùn)用應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù),總結(jié)了土工格柵在土中的力學(xué)特性。張發(fā)春[10]通過土工格柵加筋土擋墻的現(xiàn)場試驗(yàn)，運(yùn)用位移計(jì)測量繪制出了筋材變形沿橫斷面的分布曲線。傳統(tǒng)測量工具的自身剛度較大，難以與被測物體協(xié)調(diào)變形，使得試驗(yàn)結(jié)果誤差較大。

近年來，以光為載體，集傳感與傳輸為一體的光纖傳感技術(shù)逐漸興起。顧春生等[11]將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在地裂縫的量測，為地裂縫研究提供了新的方法與手段。朱趙輝等[12]將光纖光柵應(yīng)用于圍巖變形的連續(xù)監(jiān)測中，實(shí)現(xiàn)了大尺度的位移分布監(jiān)測。劉永莉等[13]將光纖傳感技術(shù)用于巖溶土洞的監(jiān)測中。光纖傳感器相較于傳統(tǒng)傳感器, 具有質(zhì)輕和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，易與被測體協(xié)同變形，能夠安全地進(jìn)行遠(yuǎn)距離測試，應(yīng)用于邊坡工程具有獨(dú)特的優(yōu)勢。朱鴻鵠等[14]基于分布式光纖感測的邊坡模型試驗(yàn)研究，提出一種通過監(jiān)測坡體應(yīng)變分布來實(shí)現(xiàn)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的新方法；丁勇等[15]設(shè)計(jì)了一種光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，推算得出了邊坡的表面變形；李煥強(qiáng)等[16]運(yùn)用光纖光柵傳感技術(shù)有效解決了邊坡模型的坡體變形監(jiān)測困難的問題；張燕君等[17]基于光纖傳感原理，提出了一種邊坡監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)。光纖傳感技術(shù)在邊坡工程中的應(yīng)用主要集中于坡面或坡體的變形監(jiān)測，由于缺乏有效的封裝保護(hù)技術(shù)，運(yùn)用光纖傳感器對(duì)土工格柵變形及受力的直接測量研究較少。

本文結(jié)合光纖傳感技術(shù)的高靈敏度、高精度等優(yōu)點(diǎn)，提出了既能保證光纖傳感器與土工格柵協(xié)調(diào)變形，又能延長光纖傳感器使用壽命的封裝方法，適于推廣與應(yīng)用。基于此封裝方法，預(yù)先將光纖傳感器安裝于土工格柵之上，通過室內(nèi)土工格柵加筋邊坡模型試驗(yàn)，選取加筋層數(shù)和筋材布設(shè)方式作為變量，研究了土工格柵的變形和受力，提高了土工合成材料變形量測的精度與準(zhǔn)確性。

1 光纖傳感器

1.1 光纖傳感基本原理

本文所采用的布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)具有一定柵距，通過反射特定波長的光來實(shí)現(xiàn)測量。由于光纖的特定位置被制作成折射率周期分布的光柵，當(dāng)光束射入光柵時(shí)，只有特定波長的光能夠被反射，這個(gè)特定波長即為中心波長λb：

λb=2nΛ

(1)

式中：λb——中心波長，即布拉格波長；

n——光纖纖芯的有效折射率；

Λ——光柵之間的間隔長度，即光柵周期。

當(dāng)光柵受力產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，間隔長度的改變量為ΔΛ，帶入式(2)為：

Δλb=2nΔΛ

(2)

應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(3)

1.2 傳感器的封裝

光纖的主體是纖細(xì)的玻璃纖維材料，若將其直接置于土體中極易折損，導(dǎo)致傳感系統(tǒng)的失效，因此在投入使用前需進(jìn)行封裝保護(hù)。

圖1所示為經(jīng)本次設(shè)計(jì)封裝后的土工格柵，由于變形監(jiān)測部位的光柵區(qū)長度為10 mm，因此采用長10 mm、直徑1.5 mm的PVC套管進(jìn)行保護(hù)，并用環(huán)氧樹脂按一定的間距沿土工格柵纖維平行粘貼；由于光柵區(qū)外的光纖起到傳輸作用，為防止試驗(yàn)加載中發(fā)生破壞，用直徑2 mm的套管保護(hù)。本次試驗(yàn)測量的是筋材的單向變形及受力，實(shí)際工程中可同時(shí)封裝兩組相互正交的光纖群，形成縱橫交錯(cuò)的傳感網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而進(jìn)行立體監(jiān)測。此封裝技術(shù)不僅能保證光纖傳感器與土工格柵協(xié)調(diào)變形，同時(shí)也有效保護(hù)光纖傳感器，延長其使用壽命。

圖1 封裝后的土工格柵

1.3 傳感器的標(biāo)定

按照1.2節(jié)所述方式封裝完成后，在正式測量前還需對(duì)光纖傳感器進(jìn)行標(biāo)定，一方面是用于后續(xù)的變形和受力計(jì)算，另一方面是用于檢驗(yàn)傳感器受拉時(shí)的中心波長是否呈線性變化。本文的標(biāo)定試驗(yàn)分為裸纖傳感器標(biāo)定和封裝于土工格柵上的傳感器標(biāo)定。

對(duì)裸纖傳感器的標(biāo)定流程為：將光纖一端置于桌面上并用膠帶固定，另一端自然垂放在試驗(yàn)臺(tái)側(cè)面，待波形圖穩(wěn)定后加載20 g砝碼，共加載5次，每次靜置20 s，隨后按照同樣頻率進(jìn)行卸載，波長變化結(jié)果如圖2所示。運(yùn)用最小二乘法擬合得到波長變化與光纖伸長量間關(guān)系，光纖傳感器在受拉時(shí)的中心波長呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，擬合結(jié)果如圖3所示。

圖2 裸纖標(biāo)定結(jié)果

圖3 裸纖伸長量與波長關(guān)系曲線

對(duì)封裝于土工格柵上光纖的標(biāo)定過程為：通過萬能機(jī)對(duì)封裝后的土工格柵進(jìn)行拉伸，采集傳感器實(shí)測波長與拉力試驗(yàn)結(jié)果，關(guān)系曲線如圖4所示，此標(biāo)定結(jié)果將用于推算現(xiàn)場實(shí)測的格柵內(nèi)力。

圖4 拉力與波長關(guān)系曲線

光纖光柵解調(diào)儀能夠采集pm級(jí)的波長變化，因此光纖傳感器能夠識(shí)別微小應(yīng)變，本次模型試驗(yàn)中的格柵變形微小，采用光纖傳感器感測精度較高。光纖傳感器的性能參數(shù)[18]包括靈敏度、分辨率以及量程[19]。試驗(yàn)所用解調(diào)儀的采集精度為2～3 pm，同時(shí)根據(jù)圖3和圖4的線性結(jié)果，可得本次試驗(yàn)的變形與受力測量量程分別為1 mm、9 830 N；靈敏度分別為0.000 1 mm/pm、1.2 N/pm；最小分辨率分別為0.000 3～0.000 4 mm、2.5～3.7 N。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中的填料為福建標(biāo)準(zhǔn)砂，通過室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)，測得砂土的物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。

土工格柵因其強(qiáng)度高、整體性好等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于加筋路堤等結(jié)構(gòu)中。本次試驗(yàn)采用的雙向土工格柵，其材料為高強(qiáng)度滌綸工業(yè)長絲，經(jīng)編定向織造網(wǎng)格坯布，經(jīng)PVC涂覆，性能指標(biāo)見表2。

表1 砂土物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 土工格柵性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)裝置分為壓力裝置、模型箱以及數(shù)據(jù)采集裝置。壓力裝置采用的是CTM8050微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，通過壓縮速度控制壓力效果，并能直接采集力的變化數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所用模型箱的尺寸為600 mm×300 mm×400 mm，兩側(cè)為厚25 mm的透明高強(qiáng)鋼化玻璃側(cè)壁，便于在加載過程中觀察邊坡變形情況。試驗(yàn)采用的數(shù)據(jù)采集裝置為型號(hào)FT910的光纖解調(diào)儀及配套采集處理軟件。

2.3 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)以邊坡模型為對(duì)象，對(duì)用于加筋的土工格柵進(jìn)行光纖傳感器的封裝，改變加筋層數(shù)及筋材的布設(shè)方式，對(duì)邊坡施加法向應(yīng)力直至破壞。結(jié)合標(biāo)定公式計(jì)算得到本次試驗(yàn)中各測點(diǎn)的應(yīng)變及受力大小，通過進(jìn)一步分析格柵的應(yīng)變-荷載曲線、坡面變形與格柵變形的關(guān)系、承載力與格柵受力的關(guān)系研究土工格柵的加筋特性。

根據(jù)試驗(yàn)變量，共分為四組，具體工況見表3。圖5(a)所示為邊坡模型示意圖，每層土工格柵布設(shè)2個(gè)光纖傳感器(1#、2#)，圖5(b)為傳感器布設(shè)示意圖。

表3 試驗(yàn)方案

圖5 邊坡模型示意圖(以三層加筋為例，單位：mm)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土工格柵應(yīng)變特性

數(shù)據(jù)記錄自開始直至加載荷重到達(dá)邊坡極限承載力，隨后邊坡開始發(fā)生破壞，承載力不再增加。圖6所示為各工況下的土工格柵測點(diǎn)處應(yīng)變與加載荷重的關(guān)系曲線。

由圖6可知，土工格柵在上部荷載施加后即產(chǎn)生變形。垂直方向上，最大應(yīng)變位于頂層的1#位置，最小應(yīng)變位于底層的2#位置。由于邊坡在豎向荷載的作用下，上部土體有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，頂層格柵由于最接近于坡頂?shù)募虞d位置，在荷載作用下被張拉開，應(yīng)變較大；同時(shí)，土體在上層格柵的加筋作用下形成結(jié)構(gòu)層，上部荷載被重新分配，將上部荷載傳遞到主要加載區(qū)之外，避免基底應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得下部筋材的應(yīng)變較小。水平方向上，均有1#位置的格柵應(yīng)變大于2#位置的格柵應(yīng)變，即位于加載區(qū)域正下方范圍內(nèi)的筋材應(yīng)變大于靠近坡腳位置處的筋材應(yīng)變。但對(duì)于不同工況，同層測點(diǎn)間的應(yīng)變差異程度有所不同，說明加筋層數(shù)及筋材的布設(shè)位置對(duì)水平方向上的格柵應(yīng)變存在影響。

當(dāng)加筋層數(shù)不同時(shí)，對(duì)應(yīng)位置處，兩層加筋情況下的筋材應(yīng)變大于三層加筋情況下，說明三層筋材能更好地分擔(dān)土體的內(nèi)力，這與文獻(xiàn)[9]的結(jié)論一致。此外，各組中土工格柵最大應(yīng)變?yōu)?.2%，遠(yuǎn)小于土工格柵自身的延伸率，土工格柵未完全發(fā)揮作用；因此在實(shí)際工程中，考慮到材料的經(jīng)濟(jì)合理性，應(yīng)根據(jù)筋材材料的延伸率、加筋時(shí)的變形程度，合理選用、布置筋材。

當(dāng)筋材的布設(shè)間距較小時(shí)，筋材與其間土體所形成的局部區(qū)域剛度更大，因此邊坡的極限承載力更高。但是間距較小時(shí)，兩層筋材均位于邊坡內(nèi)中上部區(qū)域，第二層筋材下的中下部分土體無筋材加固，邊坡的整體性更低。而間距較大時(shí)的下層筋材位于邊坡內(nèi)中下部區(qū)域，邊坡的整體性更高，因此在加筋的過程中間距較小的筋材應(yīng)變變化更大。

3.2 坡面法向累計(jì)位移與格柵變形關(guān)系分析

圖7～8分別為兩層、三層、四層加筋下坡面法向累計(jì)位移和測點(diǎn)處格柵最大變形的情況。

圖6 土工格柵應(yīng)變與荷載關(guān)系曲線

圖7 坡面法向累計(jì)位移

由圖7所示的坡面法向位移結(jié)果可以看出，各組中坡面法向累計(jì)位移由上至下逐漸減小，中上部分的法向累計(jì)位移遠(yuǎn)大于邊坡下部。由圖8所示的格柵測點(diǎn)處最大變形結(jié)果可以看出，各組中位于相同層間位置的格柵，其變形隨著加筋層數(shù)的增加而減小。

分析圖7～8的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)：三層加筋時(shí)格柵的最大變形為0.085 mm，較兩層加筋減少了30.4%，坡面Ⅰ、Ⅱ號(hào)位置的側(cè)面法向位移分別為3.863 mm、1.352 mm，較兩層加筋分別減少了24.77%、24.81%。四層加筋時(shí)的筋材最大變形為0.08 mm，較兩層加筋減少了34.46%，坡面Ⅰ、Ⅱ號(hào)位置側(cè)面法向位移分別為3.511 mm、1.265 mm，較兩層加筋分別減少了31.62%、29.64%。各組中Ⅲ號(hào)位置處的法向位移相差不大。

上述說明加筋層數(shù)的增加使得各層格柵的變形得到分擔(dān)，同時(shí)也限制了坡面的法向位移。然而，通過分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)位置處坡面法向位移發(fā)現(xiàn)，加筋尤其可以減少邊坡中上部分的側(cè)面法向位移，而對(duì)邊坡下部的限制作用不明顯，四層加筋較三層加筋的效果更好。這是因?yàn)榧尤胨浇畈暮蠼畈呐c土體之間的摩阻力使得路堤的側(cè)向變形減小，即格柵的最大變形減?。淮送?，三層加筋較兩層加筋，增加的筋材位于邊坡中部位置，且下層筋材距坡頂較遠(yuǎn)，荷載引起的土體擴(kuò)散效應(yīng)逐漸減小，從而下層筋材變形及坡面位移更小。

3.3 邊坡極限承載力及筋材受力關(guān)系分析

表4為各工況的邊坡極限承載力。對(duì)三種不同加筋層數(shù)工況分析，四層加筋的邊坡極限承載力較兩層、三層分別增加94.4%、20.8%；對(duì)兩種不同加筋間距工況進(jìn)行分析，間距50 mm的邊坡極限承載力較100 mm的提高了12.5%。

圖9為各工況中每層筋材的受力大小，為了方便比較受力分布的差異，圖中的筋材受力大小均為豎向荷載為4 000 N時(shí)的所測值。

可以看出，上層筋材拉力大于下層筋材，靠近邊坡中心筋材的拉力大于靠近坡腳處拉力，這與本文3.1節(jié)中應(yīng)變的變化規(guī)律一致。此外，同一工況中，各層的1#與2#位置的筋材拉力差異相差不多；但比較不同工況能夠發(fā)現(xiàn)，改變筋材數(shù)量及布設(shè)，坡內(nèi)中上部分筋材的受力變化大于下層筋材。針對(duì)這種現(xiàn)象本文認(rèn)為由于荷載引起對(duì)周圍土體的擴(kuò)散效應(yīng)逐漸減小，從而下層筋材受力變小，分擔(dān)效果差，因此當(dāng)筋材的間距增大時(shí)，除頂層外的筋材位于邊坡下部，而下層筋材的加固效果較弱，因而邊坡的極限承載力也會(huì)下降。

表4 邊坡極限承載力結(jié)果

4 結(jié)論

(1)垂直方向上，越接近坡頂，格柵應(yīng)變?cè)酱螅凰椒较蛏?，加載點(diǎn)下方范圍內(nèi)的筋材應(yīng)變大于靠近邊坡坡腳位置處的筋材應(yīng)變。

(2)隨著加筋層數(shù)的增加，各層格柵的變形和受力得到分擔(dān)，同時(shí)限制了坡面的法向位移，尤其可以減少中上部分的坡面法向位移和筋材受力，而對(duì)邊坡下部的限制作用不是很明顯。

(3)加筋間距較小時(shí)，邊坡的極限承載力更大；加筋間距較大時(shí)，由于荷載引起對(duì)周圍土體的擴(kuò)散效應(yīng)逐漸減小，下層筋材受力變小，邊坡的極限承載力也較低。

(4)通過本文的封裝方式和標(biāo)定方法，光纖傳感器能夠與筋材協(xié)同變形，得到精確穩(wěn)定的監(jiān)測結(jié)果，證實(shí)了本文封裝、標(biāo)定以及光纖傳感器用于格柵變形量測的可行性。