基于應(yīng)力測(cè)試的分布式光纖與錨桿協(xié)調(diào)變形研究

李 君，王 凱，劉捷華

（1、廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司廣東省南亞熱帶綠色建筑共性技術(shù)工程技術(shù)研究中心 廣州 510599；2、廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測(cè)總站有限公司廣東省工程智慧檢測(cè)及大數(shù)據(jù)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心 廣州 510500）

0 引言

錨桿工程具有施工工藝簡(jiǎn)單、安全可靠和經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)點(diǎn)，在基礎(chǔ)工程、支護(hù)工程中有較廣泛的應(yīng)用。錨桿與地質(zhì)情況緊密相連，具有較大的復(fù)雜性與隱蔽性，使得錨桿在工作過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，事故處理會(huì)更難。因此，對(duì)錨桿工作狀態(tài)的應(yīng)力分布規(guī)律及變化情況的研究就顯得尤為重要，只有更好地了解錨桿工作時(shí)應(yīng)力的分布規(guī)律及其變化情況，才能真正的確保錨桿工程的質(zhì)量與安全［1-2］。

目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行錨桿應(yīng)力測(cè)試的方法主要有電阻應(yīng)變式、振弦式等為代表的點(diǎn)式傳感器，分布式測(cè)試是錨桿工程中非常關(guān)鍵且亟待提高的一項(xiàng)技術(shù)。分布式光纖傳感技術(shù)研發(fā)始于20 世紀(jì)70 年代初，是一種以光為載體，光纖為媒介，集感測(cè)與傳輸為一體的高新傳感技術(shù)，20 世紀(jì)90 年代末，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始將不同類(lèi)型的光纖傳感器用于水電及土木工程領(lǐng)域，近些年來(lái)，本項(xiàng)技術(shù)開(kāi)始在我國(guó)工程領(lǐng)域開(kāi)始探索應(yīng)用。分布式測(cè)試是指利用相關(guān)的測(cè)試技術(shù)獲得被測(cè)量在空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息，與傳統(tǒng)的傳感器對(duì)比，具有線性測(cè)量、抗干擾、耐久性好等較大的優(yōu)越性。光纖傳感技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)得到快速發(fā)展且日益成熟，已經(jīng)成為一種具有變革意義的新技術(shù)，該類(lèi)技術(shù)一經(jīng)問(wèn)世，就得到土木工程、巖土工程和地質(zhì)界的廣泛重視，成為地質(zhì)與巖土工程測(cè)試的重要方法［3-11］。

1 分布式光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 分布式光纖傳感器的組成

光纖感測(cè)技術(shù)是一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的新型感測(cè)技術(shù)，感測(cè)光纖也稱(chēng)為“感知神經(jīng)”。傳感光纖的主體是纖細(xì)的玻璃纖維材料，裸纖極易斷裂或折損，造成傳感系統(tǒng)的失效，因此必須對(duì)其進(jìn)行封裝保護(hù)。對(duì)光纖的保護(hù)一般采用在光纖的外層增加涂敷層和護(hù)套的方式。圖1 給出一般傳感光纖的結(jié)構(gòu)示意，從內(nèi)到外包括光纖內(nèi)核（玻璃纖維）—包層—涂敷層—護(hù)套［12-17］。

圖1 一般傳感光纖結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The Structural Representation of Optical Fiber

1.2 分布式光纖傳感器的選擇

目前光纖傳感技術(shù)分為光纖光柵（FBG 準(zhǔn)分布式）和分布式光纖傳感技術(shù)，常用的分布式光纖測(cè)試技術(shù)主要瑞利（Rayleigh）散射光、布里淵（Brillouin）散射光兩種，根據(jù)光時(shí)域、光頻域解調(diào)技術(shù)的不同可分為OTDR、OFDR、BOTDR、BOTDA、BOFDA 等。常用分布式光纖應(yīng)力測(cè)試技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 常用分布式光纖應(yīng)力測(cè)試技術(shù)參數(shù)Tab.1 The Technical Parameters of Optical Fiber

1.3 分布式光纖傳感器的原理

光纖傳感器通常包括光源、光纖、傳感頭、光探測(cè)器、信號(hào)處理電路。光源發(fā)射信號(hào)，光纖作為傳輸媒介負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸，傳感頭即信號(hào)調(diào)制器，光源探測(cè)器將收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，信號(hào)處理電路起到還原被測(cè)量信息的解調(diào)功能。當(dāng)從外部光纖傳感器輸入的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，光纖中攜帶的光波的物理量，如頻率、波長(zhǎng)等也會(huì)相應(yīng)地改變。光纖傳感器是通過(guò)感測(cè)這些物理量的變化進(jìn)而檢測(cè)要測(cè)量的值。在光纖進(jìn)行傳感的過(guò)程中，光從光纖傳輸?shù)絺鞲蓄^上，在此處，被測(cè)值與光發(fā)生相互作用，光波的參數(shù)發(fā)生變化，成為被調(diào)制后的、搭載變化物理量的光信號(hào)。此光信號(hào)再經(jīng)過(guò)光纖渦合傳輸?shù)教綔y(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再傳輸?shù)秸{(diào)節(jié)器中進(jìn)行解調(diào)，從而獲得被測(cè)參數(shù)，基于BOTDR測(cè)量原理如圖2所示［11］。

圖2 BOTDR測(cè)量原理Fig.2 The Measurement Principle of BOTDR

2 分布式光纖傳感器在錨桿上的安裝

錨桿桿體材料有多種，常用材料為螺紋鋼鋼筋，根據(jù)錨桿的施工工藝，在成孔安裝桿體后還需要注漿，因此，分布式光纖在安裝過(guò)程中，即需要考慮分布式光纖與桿體材料的協(xié)調(diào)變形性，還需要考慮在各工序施工過(guò)程中對(duì)分布式光纖的保護(hù)，分布式光纖在桿體上安裝如圖3所示。

圖3 分布式光纖在桿體上的安裝示意圖Fig.3 The Installation Method of Distributed Optical Fiber

為了準(zhǔn)確地進(jìn)行桿體應(yīng)力測(cè)試，采用在鋼筋桿體刻槽埋設(shè)分布式光纖的方式進(jìn)行安裝，具體包括桿體打磨處理、刻槽清潔、光纖鋪設(shè)與固定、光纖保護(hù)四個(gè)環(huán)節(jié)（見(jiàn)圖4），各環(huán)節(jié)的安裝具體步驟如下：

圖4 分布式光纖安裝環(huán)節(jié)Fig.4 Distributed Optical Fiber Installation Link

⑴桿體打磨：對(duì)選定的線路進(jìn)行打磨拋光處理，將縱肋相鄰區(qū)域打磨光滑，打磨區(qū)的寬度大約為3～5 mm，去除錨桿表面的鐵銹和凸起雜質(zhì)，以防影響分布式光纖的應(yīng)力測(cè)試。

⑵ 刻 槽清潔：沿錨桿長(zhǎng)度方向，在錨桿打磨位置進(jìn)行刻槽，刻槽寬度為2～3 mm，刻槽深度建議為2 mm以?xún)?nèi)，刻槽后用沾有酒精的砂紙擦拭干凈。

⑶鋪設(shè)與固定：在打磨刻槽好的范圍對(duì)通長(zhǎng)光纖進(jìn)行埋設(shè)，在埋設(shè)過(guò)程中確保光纖平直，使其繃直，每隔5～8 cm 用502 膠水對(duì)一個(gè)點(diǎn)涂膠以先初步固定，在鋪設(shè)過(guò)程中注意光纖的保護(hù)，鋪設(shè)完成后進(jìn)行通光檢驗(yàn)。

黏貼劑采用環(huán)氧樹(shù)脂，用膠槍覆涂粘貼，把環(huán)氧樹(shù)脂膠水裝于膠槍后，先用熱風(fēng)筒充分熱化后開(kāi)始涂覆。在粘貼的同時(shí)用熱風(fēng)機(jī)加熱促進(jìn)硬化并再次檢查氣泡，黏結(jié)完成后進(jìn)行通光檢驗(yàn)，驗(yàn)證分布式光纖的黏貼效果。

⑷光纖保護(hù)：黏貼完成后，頭部引線，采用穿套入0.9 mm 護(hù)套管和3.0 mm 鎧裝護(hù)套管的方式，進(jìn)行加強(qiáng)保護(hù)，防止戶(hù)外高溫及雨水、異物刮碰等因素對(duì)導(dǎo)線的破壞，令自由段處的導(dǎo)線穿入煤氣管使其得到進(jìn)一步的防護(hù)，用膠布纏繞并固定好導(dǎo)線與煤氣管相接處，并用塑料帶將煤氣管綁扎好。最后將所有導(dǎo)線套入PVC管保護(hù)。

3 分布式光纖與錨桿的協(xié)調(diào)變形試驗(yàn)

為了更好驗(yàn)證錨桿受力后，驗(yàn)證分布式光纖與錨桿桿體之間的協(xié)調(diào)工作情況，在室內(nèi)開(kāi)展模擬錨桿的協(xié)調(diào)變形試驗(yàn)，具體步驟如下：

3.1 分布式光纖及采集儀的選擇

分布式光纖選用的高傳遞緊包護(hù)套應(yīng)變感測(cè)光纜（NZS-DSS-C07），采用HY 料等高包裹性材料封裝保護(hù)，可提高分布式光纖的強(qiáng)度和表面摩阻力，且方便刻槽植入，整體剛度得到了大幅下降。光纜對(duì)應(yīng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 高傳遞緊包護(hù)套應(yīng)變感測(cè)光纜參數(shù)Tab.2 Parameters of Optical Fiber

數(shù)據(jù)采集設(shè)備采用單端分布式光纖解調(diào)儀，其原理基于光頻域反射（OFDR）技術(shù)，測(cè)試距離、精度等各方面均能滿(mǎn)足錨桿應(yīng)力測(cè)試的要求。

3.2 模擬錨桿與分布式光纖的安裝

模擬錨桿選用3 根直徑為25 mm、長(zhǎng)度0.5 m 的鋼筋，采用刻槽黏貼的安裝方式，將分布式光纜安裝在模擬錨桿上，兩頭的光纖引出后并作好保護(hù)，考慮到室內(nèi)模擬加載時(shí)間短，溫度影響小，故本次試驗(yàn)不布設(shè)溫補(bǔ)光纜，制作好的模擬錨桿如圖5所示。

圖5 模擬錨桿與分布式光纖的安裝Fig.5 The Installation between Optical Fiber and Anchor

3.3 協(xié)調(diào)變形分析試驗(yàn)

分布式光纖與錨桿之間的協(xié)調(diào)變形在室內(nèi)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上完成，根據(jù)錨桿桿體預(yù)估極限荷載后進(jìn)行分級(jí)加載，加載方案同錨桿驗(yàn)收試驗(yàn)，每級(jí)荷載穩(wěn)定后，采用分布式光纖采集儀進(jìn)行錨桿桿體的應(yīng)力測(cè)試，分析應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與實(shí)際加載值之間的關(guān)系，即可得出分布式光纖與桿體的協(xié)調(diào)變形情況，室內(nèi)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 分布式光纖與錨桿協(xié)調(diào)變形室內(nèi)試驗(yàn)Fig.6 Loading Test in Laboratory

3.4 模擬試驗(yàn)結(jié)果及協(xié)調(diào)變形分析

室內(nèi)各模擬錨桿試驗(yàn)在各級(jí)荷載作用下，沿錨桿長(zhǎng)度方向的應(yīng)變分布如圖7所示。

圖7 模擬錨桿在各級(jí)荷載作用下應(yīng)變測(cè)試結(jié)果Fig.7 Strain Test Results of Simulated Bolts under Various Loads

在各級(jí)荷載作用，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)加載值與分布式光纖解調(diào)儀測(cè)試計(jì)算值之間的相關(guān)性結(jié)果如圖8所示。

圖8 模擬錨桿的測(cè)試值與加載值的相關(guān)性Fig.8 The Correlation between the Test Value and the Load Value of the Simulated Anchor

通過(guò)室內(nèi)分布式光纖與錨桿的模擬加載試驗(yàn)結(jié)果可知，分布式光纖與鋼筋進(jìn)行協(xié)調(diào)變形平均值為0.94，說(shuō)明采用在樁基桿體上刻槽黏貼的進(jìn)行分布式光纖的布設(shè)，桿體與光纖有較好的變形協(xié)調(diào)性，滿(mǎn)足實(shí)際工程中應(yīng)用的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行錨桿應(yīng)力測(cè)試研究開(kāi)展的不多，且主要為點(diǎn)式傳感器方法，分布式光纖傳感器是近些年發(fā)展的新測(cè)試技術(shù)，與傳統(tǒng)的傳感器對(duì)比具有很大的優(yōu)越性。為探索分布式光纖在錨桿應(yīng)力測(cè)試中的適用性，本文開(kāi)展了分布式光纖與錨桿協(xié)調(diào)變形研究，通過(guò)探索分布式光纖在錨桿上的安裝方法并進(jìn)行協(xié)調(diào)變形試驗(yàn)，得出分布式光纖在桿體刻槽黏貼安裝方式有較好的變形協(xié)調(diào)性。研究?jī)?nèi)容可深入了解工作錨桿力學(xué)性能、錨固機(jī)理，驗(yàn)證錨桿設(shè)計(jì)參數(shù)與施工工藝的合理性，確保工程質(zhì)量與安全，減少造價(jià)，有著非常重要的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性。