基于光纖傳感技術(shù)的樁體位移監(jiān)測(cè)方法研究

朱棟梁 林偉寧 程貴海 陳秋平 趙偉來(lái) 陳國(guó)良

摘要：現(xiàn)有光纖傳感器的布設(shè)方法單一，無(wú)法完全適應(yīng)各類工程的監(jiān)測(cè)要求。為此，從實(shí)際工程樁體水平位移監(jiān)測(cè)的需求出發(fā)，針對(duì)工程施工特點(diǎn)，設(shè)計(jì)單U型和多U型布設(shè)方法，并于室內(nèi)構(gòu)建PVC管簡(jiǎn)支梁模型，利用分布式光纖傳感器對(duì)PVC管彎曲變形應(yīng)變進(jìn)行測(cè)量。采用各類應(yīng)變組合進(jìn)行撓度計(jì)算，分析了各應(yīng)變組合撓度的試驗(yàn)誤差。將上述兩種光纖布設(shè)方法分別運(yùn)用于實(shí)際工程的樁體水平位移監(jiān)測(cè)中，并對(duì)比分析光纖傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)效果。試驗(yàn)與實(shí)際工程分析結(jié)果表明：利用分布式光纖計(jì)算樁體位移時(shí)，應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用垂直基坑開(kāi)挖面的雙軸線應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，其次可利用其他軸線應(yīng)變換算成基坑側(cè)應(yīng)變，進(jìn)而用雙軸線應(yīng)變計(jì)算，而多軸線應(yīng)變計(jì)算會(huì)造成多余誤差;在實(shí)際工程運(yùn)用時(shí)，分布式光纖傳感器監(jiān)測(cè)效果優(yōu)于側(cè)斜管監(jiān)測(cè)效果。

關(guān) 鍵 詞：基坑監(jiān)測(cè); 圍護(hù)結(jié)構(gòu); 光纖傳感器; 光纖布設(shè)方法; 位移計(jì)算

中圖法分類號(hào)： TP212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.027

0 引 言

隨著地下工程的發(fā)展，地鐵建設(shè)進(jìn)程逐步加快，地鐵基坑工程事故頻發(fā)，使得基坑工程的安全問(wèn)題越來(lái)越得到重視?；庸こ淌┕ぐ踩饕苫訃o(hù)結(jié)構(gòu)變形情況來(lái)表征，因此，基坑圍護(hù)體系的結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)在保障基坑工程安全方面起到至關(guān)重要的作用[1-2]。鉆孔灌注樁作為一種典型且十分重要的基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其形變大小可直接反映基坑的安全狀況。目前，針對(duì)鉆孔灌注樁結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測(cè)通常采用預(yù)埋側(cè)斜管，通過(guò)測(cè)量側(cè)斜管傾角變化來(lái)計(jì)算樁體的水平位移。采用常規(guī)測(cè)斜儀對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行傾斜監(jiān)測(cè)時(shí)，一方面數(shù)據(jù)采集需要人工操作，監(jiān)測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果受人為因素影響大，存在較大偶然誤差;另一方面，監(jiān)測(cè)時(shí)間受到限制，難以對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，尤其是在逆作法基坑施工時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位甚至位于道路中央，受密集車(chē)輛影響很大，監(jiān)測(cè)工作開(kāi)展難度大，監(jiān)測(cè)人員的安全也無(wú)法有效保障。再者，測(cè)斜管在土體中容易受到施工影響而被破壞，導(dǎo)致測(cè)斜儀卡在管內(nèi)，無(wú)法繼續(xù)工作，進(jìn)而造成經(jīng)濟(jì)損失，且目前沒(méi)有好的解決辦法[3-4]。

隨著光纖傳感技術(shù)的興起發(fā)展，越來(lái)越多的研究人員將其運(yùn)用至巖土工程領(lǐng)域，嘗試彌補(bǔ)人工監(jiān)測(cè)存在的弊端，并取得了較好的效果：劉杰等[5]基于布里淵時(shí)域分析（BOTDR）技術(shù)，將分布式光纖粘貼至PVC材質(zhì)的測(cè)斜管表面，對(duì)南京市某基坑土體深部水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了分布式光纖應(yīng)用的可行性;童恒金[6]、樸春德[7]等基于BOTDR技術(shù)，提出一種將分布式光纖以鋼筋籠直徑對(duì)稱U型布設(shè)、U型截面垂直基坑開(kāi)挖面的分布式光纖傳感器埋設(shè)工藝以及相應(yīng)的檢測(cè)步驟，通過(guò)靜載實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了用分布式光纖測(cè)量樁體撓度的可行性;2014年丁勇[8]等基于BOTDA技術(shù)和U型布設(shè)分布式傳感光纖對(duì)武漢綠地中心基坑地連墻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為后續(xù)工程提供參考;2016年崔振東[9]等基于BOTDA技術(shù)，通過(guò)U型布設(shè)分布式光纖傳感器，對(duì)深基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行測(cè)量，并取得良好的工程實(shí)際效果。

上述研究很好地說(shuō)明了分布式光纖作為監(jiān)測(cè)手段的可行性。然而，在實(shí)際工程中，監(jiān)測(cè)作業(yè)需要根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工要求進(jìn)行不同程度的調(diào)整，以樁體為例，其施工過(guò)程主要分為樁體土體開(kāi)挖、樁體鋼筋籠綁扎與入樁、樁體混凝土澆筑、樁頂破除、樁頂冠梁綁扎與澆筑（樁體腰梁綁扎與澆筑）。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)要求，在使用分布式光纜對(duì)樁體進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，需要結(jié)合不同施工方法設(shè)計(jì)不同布設(shè)方案。例如：在實(shí)際工程中，常出現(xiàn)混凝土支撐并未澆筑于冠梁頂部處，而是澆筑于冠梁以下樁體腰部位置的情況，在施工過(guò)程中需要在腰部對(duì)樁體進(jìn)行破除進(jìn)而綁扎腰梁，此時(shí)，位于基坑開(kāi)挖側(cè)的光纖極易被損壞，且難以修復(fù)，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)失敗。

因此，本文結(jié)合實(shí)際工程，針對(duì)兩種不同的地鐵工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于BOTDA技術(shù)以及分布式光纖U型布設(shè)原理，設(shè)計(jì)改良兩種不同的分布式光纖布設(shè)方式，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)探討布設(shè)方法的可行性以及位移計(jì)算方法。

1 BOTDA技術(shù)及光纖布設(shè)方法原理

1.1 BOTDA技術(shù)原理

如圖1所示，BOTDA技術(shù)[10]利用了分布式光纖中的布里淵散射光頻率變化量（頻移量）與光纖軸向應(yīng)變或環(huán)境溫度之間的線性關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感，該關(guān)系式可以表示為

VB1ε，T-VB2ε0，T0=VBε，Tεε-ε0+VBε，TTT-T0（1）

ΔV1=KεΔε+KTΔT（2）

ΔV2=-KεΔε+KTΔT（3）

ΔV1-ΔV22=KεΔε（4）

式中：VBε，T，VBε0，T0分別為測(cè)試前后光纖中布里淵散射光的頻移量;ε0，ε分別為測(cè)試前后軸向應(yīng)變值（一定空間分辨率下的平均應(yīng)變）;T0，T分別為測(cè)試前后的溫度值。此次試驗(yàn)選用分布式光纖比例系數(shù)VBε，Tε，VBε，TT的值為0.048 2 MHz/με和1.12 MHz/ ℃。

由式（1） 可知，BOTDA頻率漂移由應(yīng)變漂移與溫度漂移兩部分構(gòu)成，在實(shí)際撓度計(jì)算中，應(yīng)變漂移為有效漂移量，即在使用過(guò)程中需剔除溫度漂移。剔除方法有：DTS溫度補(bǔ)償[11]、硬件補(bǔ)償[12]等。在樁體水平位移監(jiān)測(cè)中，多通過(guò)U型對(duì)稱布設(shè)分布式光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在位移計(jì)算時(shí)，需將受拉側(cè)應(yīng)變與受壓側(cè)頻移相減，從而消除溫度頻移，亦可減小中性層誤差，因此，該計(jì)算方法應(yīng)當(dāng)為偶數(shù)頻移線性組合[13]。

1.2 布設(shè)方法原理

1.2.1 單U型布設(shè)方法原理

常規(guī)單U型布設(shè)方法在實(shí)際工程操作中，按正對(duì)基坑開(kāi)挖側(cè)主筋以及對(duì)稱迎土側(cè)鋼筋U型方式來(lái)布設(shè)分布式光纖傳感器，具體布設(shè)方法如圖2所示。

圖2中所示方法利用位于基坑側(cè)與道路側(cè)兩根鋼筋進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)回路搭接，并在相鄰鋼筋以同種方式進(jìn)行溫補(bǔ)回路搭接。其監(jiān)測(cè)位移計(jì)算原理為傾角法[14]：將樁體彎曲應(yīng)變轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)角，進(jìn)而通過(guò)轉(zhuǎn)角累加計(jì)算樁體沿長(zhǎng)度的各部位位移，基本公式如下：

Δαi=ld（εa-εb）（5）

αn=ni=0Δαi（6）

un=lni=1αi（7）

式中：εa，εb分別為彎曲受拉、受壓側(cè)應(yīng)變;Δαi為相對(duì)角度變化;αn為軸向某點(diǎn)的角度;l為采集儀設(shè)置的采樣間距，mm;un為各點(diǎn)位移，mm。

1.2.2 多U型布設(shè)方法原理

通過(guò)對(duì)比各地實(shí)際工程發(fā)現(xiàn)，腰梁結(jié)構(gòu)非常常見(jiàn)（見(jiàn)圖3）。在實(shí)際工程中，若僅使用單U型布設(shè)方法布設(shè)無(wú)法保證光纖完好，從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)作業(yè)失敗。

因此，為了更好地進(jìn)行監(jiān)測(cè)作業(yè)，需對(duì)現(xiàn)有的單U型布設(shè)方法進(jìn)行改良，以適應(yīng)該工況下的監(jiān)測(cè)作業(yè)要求，從而提高傳感器存活率，改良后的布設(shè)方法如圖4所示。

圖4中所示方法利用基坑側(cè)（道路側(cè)）同側(cè)相鄰兩根鋼筋進(jìn)行光纖回路搭接，且單一光纖回路中以一側(cè)作為應(yīng)變監(jiān)測(cè)部分，一側(cè)作為溫補(bǔ)監(jiān)測(cè)部分?；诖瞬荚O(shè)方法，于單一樁體共布設(shè)4組回路，本文將此布設(shè)方法命名為多U型布設(shè)方法。其基本原理為：① 單U型布設(shè)方法原理;② 材料力學(xué)應(yīng)變轉(zhuǎn)化原理[15]，即當(dāng)樁體發(fā)生撓度變形時(shí)，與中性層距離相同點(diǎn)的應(yīng)變應(yīng)當(dāng)相等，且不同距離點(diǎn)的應(yīng)變比等于距離之比，如圖5所示，樁體中性軸與A（D）點(diǎn)距離為r，與B（B′）、C（C′）距離為y，其各點(diǎn)應(yīng)變關(guān)系可表示為

εCεD=εBεA=yr ，εBεD=εCεA=-yr（8）

εD-εA=ryεC-εA=ryεC-12（ryεB+εA）（9）

κ=1d（εD-εA）=Δαl（10）

式中：εA，εB，εC，εD分別為軸線A，B，C，D處應(yīng)變;r為樁體半徑，mm。

1.3 布設(shè)方法的試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改良布設(shè)方法的可行性，本文設(shè)計(jì)完成了以PVC管為載體的撓度加載試驗(yàn)，并將多組分布式光纖測(cè)量所得的PVC管撓度應(yīng)變與材料力學(xué)理論應(yīng)變對(duì)比，從而驗(yàn)證分布式光纖應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性（見(jiàn)圖6）。最后將有效的應(yīng)變進(jìn)行不同組合后，采用傾角法計(jì)算管體撓度，并與千分表實(shí)測(cè)位移進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比驗(yàn)證各計(jì)算組合的準(zhǔn)確度。

1.3.1 試驗(yàn)程序

以簡(jiǎn)支梁中部集中荷載受力模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，同時(shí)于各位置布設(shè)千分表進(jìn)行位移測(cè)量工作（見(jiàn)圖7）。選用質(zhì)地均勻、變形性能較好的PVC-U d50管模擬樁體，長(zhǎng)方體鋼架作為基座，并固定光軸承作為控制固定端。依據(jù)布設(shè)圖，用墨斗彈出墨汁線（A點(diǎn)至中性軸距離為B點(diǎn)的兩倍），于PVC管表面U型布設(shè)0.9 mm的緊套分布式光纜，以保證光纖形成回路（AD，BB′，CC′）。布設(shè)光纜時(shí)，將光纜拉緊繃直，用LESSO硬質(zhì)PVC膠結(jié)劑將光纜沿墨汁線牢固的粘貼于PVC管的上下表面以及側(cè)表面（見(jiàn)圖8）。PVC管固定至光軸承中，將光軸承收口螺絲收緊，保證PVC管與光軸承緊密接觸無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，利用木工夾固定光軸承于鋼架上，形成固定端約束。在PVC管的中部加載點(diǎn)鉆出小孔，將無(wú)彈性牽引繩穿過(guò)小孔，提供砝碼加載點(diǎn)。此次試驗(yàn)共采用4個(gè)千分表，千分表根據(jù)其實(shí)際量程合理安放。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，盡量將室溫保持為恒定溫度，在較短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集工作。

1.3.2 應(yīng)變結(jié)果分析

由于試驗(yàn)頻率數(shù)據(jù)較多，此次試驗(yàn)僅通過(guò)解調(diào)儀導(dǎo)出試驗(yàn)應(yīng)變結(jié)果，將處理結(jié)果以EXCEL表格顯示，最終結(jié)果如圖9所示。

圖9顯示梁的應(yīng)變對(duì)稱性較好，應(yīng)變基本呈線性變化，應(yīng)變最大點(diǎn)位于中部，上下表面應(yīng)變相反且吻合度較高，測(cè)試點(diǎn)B、C位于PVC管側(cè)面，距離中性層12 mm，其理論應(yīng)變大小與上下表面應(yīng)變之比為2.08，實(shí)測(cè)應(yīng)變之比約為2.05，實(shí)測(cè)應(yīng)變與理論應(yīng)變相符，因此，綜合分析認(rèn)為此次試驗(yàn)應(yīng)變結(jié)果有效。

1.3.3 試驗(yàn)位移計(jì)算及分析

（1） 轉(zhuǎn)角計(jì)算。單應(yīng)變，將該應(yīng)變視為εa-εb，帶入式（5） 計(jì)算;雙應(yīng)變，AD側(cè)組合依據(jù)式（5） 計(jì)算，其他組合將B（C）側(cè)應(yīng)變依據(jù)式（8）換算至A（D）側(cè)應(yīng)變，而后與AD組合一致;三應(yīng)變，將B（C）側(cè)應(yīng)變依據(jù)式（8）換算至A（D）側(cè)應(yīng)變，而后與AD組合一致。

（2） 位移計(jì)算。將各計(jì)算轉(zhuǎn)角帶入式（6）～（7）計(jì)算得出最終位移Y，最后將該位移與千分表實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比分析結(jié)果如圖10和表1～2所示。

從位移對(duì)比圖10可以看出：在不同荷載下的位移曲線基本滿足材料力學(xué)理論曲線，能很好地表現(xiàn)出簡(jiǎn)支梁在不同荷載下受力位移變化。就整體對(duì)比而言，發(fā)現(xiàn)單側(cè)應(yīng)變計(jì)算位移不夠準(zhǔn)確，偶然性較大，而雙數(shù)組合計(jì)算能降低偶然性，提高精度，且A+C、A+D組合最佳，B+D次之。

從表1～2中可以明顯看出：偶數(shù)應(yīng)變組合計(jì)算的位移與千分表位移較為接近，其中偶數(shù)應(yīng)變組合中A+C、A+D的誤差比其他組合小;三應(yīng)變組合與千分表位移差距較雙應(yīng)變大，與圖像判斷相符。綜合分析表明雙應(yīng)變組合可以減小應(yīng)變誤差帶來(lái)的位移計(jì)算誤差，與1.1節(jié)中溫度補(bǔ)償計(jì)算方法吻合。

2 工程應(yīng)用

2.1 單U型布設(shè)方法工程應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

八一南街站A出入口位于車(chē)站主體結(jié)構(gòu)北側(cè)，出口方向與車(chē)站主體平行，采用明挖順作法施工，深14.85 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“圍護(hù)樁+混凝土支撐”的圍護(hù)方案?；臃秶饕獮樗靥钔?、粉質(zhì)砂巖、圓礫全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，基底位于中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中，樁體入巖深1.5 m。本文選擇編號(hào)ZQT-2、ZQT-3號(hào)鉆孔灌注樁進(jìn)行分布式光纖樁體測(cè)斜工程驗(yàn)證，基坑現(xiàn)場(chǎng)平面設(shè)計(jì)如圖11所示，具體布設(shè)參數(shù)如表3所列。

此基坑于7月21日進(jìn)行表土剝離，至8月20開(kāi)挖基本結(jié)束，開(kāi)挖深度9 m，歷時(shí)30 d。

如圖12（a）所示，ZQT-2號(hào)樁體側(cè)基坑在8月7日前一直作為出土通道，進(jìn)行出土作業(yè)，其工況較為復(fù)雜，導(dǎo)致其水平位移形態(tài)亦較多。7月11日，較初始狀態(tài)無(wú)變化，位移較小。7月26日基坑開(kāi)挖至2.5 m，開(kāi)挖土層為沙石層，基坑底部積水，底部為致密粉砂巖巖層，此時(shí)由于樁體上部受力較大，下部水的滲透使得土壓力減小，基坑底部開(kāi)挖面有些許隆起，因此，樁體出現(xiàn)“S”形變形。7月28日基坑開(kāi)挖至2.5 m，該側(cè)仍作為出土通道，土體出運(yùn)基本完成，底部積水尚未排盡，圍護(hù)樁掛網(wǎng)噴射混凝土，由于樁體上部土體卸載，樁體彈性變形部分逐步恢復(fù)原狀，此時(shí)測(cè)得樁體恢復(fù)中間態(tài)，呈“Ω”形變化。8月12日，基坑開(kāi)挖最深至約6 m，此時(shí)圍護(hù)樁隨著開(kāi)挖深度的增加上部受力增加，并無(wú)其他特殊作用力，其受力情況與懸臂梁受線荷載相似，位移曲線呈“Y”形變化。8月14日，基坑開(kāi)挖至約7 m，現(xiàn)場(chǎng)安裝鋼支撐，鋼支撐預(yù)加軸力約800 kN，此時(shí)樁體2 m處受到較大的鋼支撐軸力影響，頂端土壓力不足以抵抗軸力，隨著深度增加，土壓力作用效果增加，最終使樁體呈“Ω”形形態(tài)。8月20日，基坑開(kāi)挖至9 m，此時(shí)鋼支撐軸力消散殆盡，僅為100～200 kN，隨著開(kāi)挖深度的增加，土壓力作用效果主導(dǎo)變形，使樁體呈“Y”形變化。

如圖12（b）所示，ZQT-3號(hào)樁體側(cè)工況較為簡(jiǎn)單。7月11日至8月12日，樁體隨開(kāi)挖深度增加，開(kāi)挖部分受力增加，土壓力作用下使圍護(hù)樁呈“Y”形變化，且頂部位移逐步增加。8月14日，基坑開(kāi)挖至7 m深，現(xiàn)場(chǎng)安裝鋼支撐，鋼支撐預(yù)加軸力約800 kN，此時(shí)樁體2 m處受到較大的鋼支撐軸力影響，頂端土壓力不足以抵抗軸力，隨著深度增加，土壓力作用效果增加，最終使樁體呈“Ω”形形態(tài)。8月20日，基坑開(kāi)挖至9 m，此時(shí)鋼支撐軸力消散殆盡，僅為100～200 kN，隨著開(kāi)挖深度的增加，土壓力作用效果主導(dǎo)變形，使圍護(hù)樁呈‘Y’形變化。

2.2 多U型布設(shè)方法工程應(yīng)用及數(shù)據(jù)分析

秦塘站為金華-義烏-東陽(yáng)市域軌道交通工程第19座車(chē)站，設(shè)計(jì)為地下二層雙島四線換乘車(chē)站。基坑頂板覆土約6.55 m，底板埋深約14.5～16.2 m?？拱螛?、圍護(hù)樁、格構(gòu)柱采用1 000鉆孔樁，局部圍護(hù)樁間設(shè)800高壓旋噴樁。本文選擇編號(hào)1016、1029號(hào)鉆孔灌注樁進(jìn)行分布式光纖傳感樁體測(cè)斜監(jiān)測(cè)。各樁體參數(shù)為：直徑0.8 m，樁長(zhǎng)16 m，主筋20根，入巖深度1 m。

此基坑于2月27日開(kāi)始表土剝離，至3月10開(kāi)挖結(jié)束，開(kāi)挖深度10 m，采用前進(jìn)式開(kāi)挖，歷時(shí)12 d。

如圖13所示，為了更好地說(shuō)明兩種分布式光纖布設(shè)方法的優(yōu)劣性，利用測(cè)斜管監(jiān)測(cè)值作為對(duì)照組，將分布式光纖采樣間距設(shè)置與測(cè)斜管采樣間距一致，從而分析兩種方法的效果。

如圖14所示，利用單U型（1號(hào)位及2號(hào)位）布設(shè)算法、多U型（2號(hào)位及3號(hào)位）布設(shè)算法計(jì)算的位移監(jiān)測(cè)值與側(cè)斜管監(jiān)測(cè)值趨勢(shì)一致，多U型較單U型的數(shù)值大小與測(cè)斜管數(shù)值吻合度更高，分析原因?yàn)闇y(cè)斜管安裝部位靠近3號(hào)位，因此兩者測(cè)量結(jié)果吻合度高。該樁體于3月1～4日開(kāi)挖完成，該樁體2 m處安裝混凝土支撐，以約束樁體位移，然而測(cè)斜管監(jiān)測(cè)位移并未體現(xiàn)出混凝土支撐約束效果，兩種分布式光纖監(jiān)測(cè)位移均完整體現(xiàn)，分析原因?yàn)閭?cè)斜管彎曲強(qiáng)度較大，此樁體位移較小進(jìn)而導(dǎo)致側(cè)斜管變形較小，無(wú)法體現(xiàn)混凝土支撐約束效果;3月2～5日，基坑底部積水，導(dǎo)致樁體的變形朝土體內(nèi)部發(fā)展;6～7日，基坑底部積水已排盡，樁體變形朝基坑開(kāi)挖側(cè)發(fā)展。

綜上所述，測(cè)斜管位移監(jiān)測(cè)在樁體位移較小時(shí)，不能完全體現(xiàn)樁體變形位移形態(tài);單U型布設(shè)與多U型布設(shè)均能反映樁體位移變化情況，兩者監(jiān)測(cè)效果一致，均能體現(xiàn)樁體位移情況。

3 結(jié) 論

（1） 基于BOTDA測(cè)量得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線和計(jì)算得出的位移曲線符合材料力學(xué)中簡(jiǎn)支梁的加載受力變形特征，且最大位移在PVC管的中部，與加載位置相吻合。

（2） 利用不同軸線位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)，采用傾角法計(jì)算得出的位移值與千分表對(duì)應(yīng)位置測(cè)得的實(shí)際位移值吻合度較高;且采用兩個(gè)不同軸線位置的應(yīng)變組合計(jì)算較單個(gè)軸線上的應(yīng)變計(jì)算得出的位移更為準(zhǔn)確;而三應(yīng)變組合并不能提高精度，相反會(huì)造成多余誤差，該計(jì)算方法與分布式光纖布設(shè)原理相契合。

（3） 在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證軸線A、軸線D傳感器的完好，并采集有效數(shù)據(jù)。進(jìn)一步為了保證監(jiān)測(cè)作業(yè)順利進(jìn)行，可考慮設(shè)軸線B、軸線C為備用;實(shí)際的工程中，A，B，C，D軸線分別對(duì)應(yīng)基坑開(kāi)挖側(cè)正面鋼筋籠主筋（受壓側(cè)）、基坑開(kāi)挖側(cè)側(cè)面鋼筋（兩側(cè)）、背土側(cè)正面鋼筋籠主筋（受拉側(cè)）。因此在使用單U型布設(shè)以及多U型布設(shè)時(shí)，首先確保要基坑開(kāi)挖側(cè)正面鋼筋籠主筋上的傳感器為完好（受壓側(cè)）。當(dāng)使用多U型布設(shè)時(shí)，基坑開(kāi)挖側(cè)正面鋼筋籠主筋傳感器被破壞的情況下，也可以使用基坑開(kāi)挖側(cè)側(cè)面鋼筋上的傳感器（兩側(cè)）數(shù)據(jù)替代。且軸線A（D）與軸線C（B）應(yīng)變比例應(yīng)當(dāng)?shù)扔诎霃脚c軸線C布設(shè)位置與中性軸距離之比。

（4） 在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合各工程特點(diǎn)以及施工方式，綜合考慮分布式光纖布設(shè)方法。在本文實(shí)際工程監(jiān)測(cè)作業(yè)中，單U型分布式光纖布設(shè)方法與多U型分布式光纖布設(shè)方法均能能夠很好地對(duì)樁體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)效果優(yōu)于側(cè)斜管監(jiān)測(cè)效果。

此次室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)的成功，表明該分布式光纖能夠很好地對(duì)樁體變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，多U型布設(shè)方法室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)榇嬖谘航Y(jié)構(gòu)的分布式光纖監(jiān)測(cè)作業(yè)提供理論依據(jù)，實(shí)際工程監(jiān)測(cè)更驗(yàn)證了該方法的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭剛，朱合華，劉新榮，等.基坑工程與地下工程安全及環(huán)境影響控制[J].土木工程學(xué)報(bào)，2016，49（6）：1-24.

[2] 安和生.基坑工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

[3] 魏善法.淺析深基坑測(cè)斜管安裝與監(jiān)測(cè)方法[J].城市建筑，2013（12）：149.

[4] 張遠(yuǎn)忠.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜管損壞后的應(yīng)急監(jiān)測(cè)方法[J].廣東土木與建筑，2010，17（11）：31-32.

[5] 劉杰，施斌，張丹，等.基于BOTDR的基坑變形分布式監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2006（7）：1224-1228.

[6] 童恒金，施斌，魏廣慶，等.基于BOTDA的PHC樁撓度分布式檢測(cè)研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2014，34（6）：693-699.

[7] 樸春德，施斌，魏廣慶，等.分布式光纖傳感技術(shù)在鉆孔灌注樁檢測(cè)中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008（7）：976-981.

[8] 丁勇，王平，李鵬飛，等.基于BOTDA的地下連續(xù)墻分布式變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36（增2）：500-503.

[9] 崔振東，亓軍強(qiáng)，王明，等.光纖技術(shù)在基坑支護(hù)體系受力分析中的應(yīng)用[J].山西建筑，2015，41（27）：67-68.

[10] 彭映成，錢(qián)海，魯輝，等.基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)新進(jìn)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2013，50（10）：40-44.

[11] 黃俊，段劉蕊，景霞，等.帶溫度補(bǔ)償?shù)姆植际焦饫w溫度傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù)，2017，43（2）：176-179.

[12] 邵軍，李武，姜濤，等.光纖光柵溫度補(bǔ)償技術(shù)研究[J].科技資訊，2011（28）：34-35.

[13] 楊瑩浩.橋梁結(jié)構(gòu)撓度測(cè)量方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2009.

[14] KOVARI K，AMSTAD C H.A new method of measuring deformations in diaphragm walls and piles[J].Géotechniqne，1982，32（4）：402-406.

[15] 王英，彭麗，李文婷.關(guān)于平截面假定的理解和驗(yàn)證[J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，48（2）：160-164.

（編輯：鄭 毅）

Research on pile displacement monitoring method based on optical fiber sensing technology

ZHU Donglian1，3，LIN Weining2，CHENG Guihai1，CHEN Qiuping2，ZHAO Weilai2，CHEN Guoliang3

（1.School of Resources，Environment and Materials，Guangxi University，Nanning 530004，China; 2.Jinhua-Yiwu-Dongyang Rail Transit Co.，Ltd.，Jinhua 321000，China; 3.State Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics and Engineering，Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS，Wuhan 430071，China）

Abstract：

Now available layout of optical fiber sensors has defects of single deployment，which could not meet demands of various projects.For this reason，according to the requirements of horizontal displacement monitoring of practical engineering pile，we develop a new single-U shaped and a multi-U shaped layout.Meanwhile，a simple supported beam of PVC pipe is designed，and its bending deformation and strain were measured by using distributed optical fiber sensor.The deflection of the pipe is calculated by different combination of strain，and the errors of each combination are analyzed.Finally，the above two optical fiber layout methods were applied to the actual engineering pile horizontal displacement monitoring，and the effect of optical fiber sensor monitoring data were compared.The experimental and practical engineering analysis show that when the distributed fiber is used to calculate the pile displacement，the double-axis strain being perpendicular to excavation face should be firstly used to calculate the pile displacement，and then the other axial strains can be converted into the lateral strain of the foundation pit，and further the double-axis strain can be used to calculate the pile displacement，while the multi-axis strain calculation will cause redundant errors.In practical engineering application，the monitoring effect of distributed optical fiber sensor is better than that of inclined pipe.

Key words：

foundation pit monitoring;envelope structure;optical fiber sensor;layout method of optical fiber;displacement calculation