分布式光纖-土工格柵膠結(jié)方式對應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響分析

薛 鍇，程衛(wèi)祥，程 毅，曾榮樂，彭 果

（1、廣州環(huán)投從化環(huán)保能源有限公司 廣州 510900；2、中國建筑第五工程局有限公司 長沙 410004）

0 緒論

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各種工程的建設(shè)規(guī)模也隨之發(fā)展壯大。在邊坡工程中地質(zhì)災(zāi)害時常發(fā)生，主要是由于邊坡中土體的分散性影響了邊坡的穩(wěn)定性［1?4］。而土工格柵作為一種連續(xù)性材料，與土體結(jié)合形成加筋土，從而提高土體的抗拉、抗拔強度，近年來土工格柵也得到了廣泛的應(yīng)用，因此，對土工格柵的受力變形進行研究具有重要意義。目前，對土工格柵的變形監(jiān)測主要采用傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，如電阻應(yīng)變片、位移傳感器等。然而傳統(tǒng)的監(jiān)測工具較難與土工格柵協(xié)調(diào)變形，影響監(jiān)測效果，已有眾多學者對土工格柵的監(jiān)測進行研究。

王寶軍等人［5］引入分布式光纖進行邊坡土工織物的安全監(jiān)測，分析了分布式光纖在邊坡工程中應(yīng)用前景；徐洪鐘等人［6］開展分布式光纖?土工格柵膨脹土濕脹干縮試驗，驗證了土工格柵對膨脹土的約束效果；白碧波等人［7］將光纖光柵應(yīng)用于加筋邊坡中，通過試驗驗證了土工格柵能夠有效提高邊坡穩(wěn)定性；劉倩萁等人［8］優(yōu)化光纖的封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)光纖與土工格柵的變形協(xié)調(diào)，并研究了土工格柵的變形特性；洪成雨等人［9］研究了FBG 傳感器與土工格柵之間的應(yīng)變傳遞公式，并分析了土工格柵的應(yīng)變監(jiān)測機制；王協(xié)群等人［10］對不同種類的土工格柵進行格柵?土截面模型試驗，分析了土工格柵的受力變形機理。

本文基于上述文獻分析，通過MIDAS建立分布式光纖?土工格柵傳感模型，研究不同膠結(jié)方式及膠結(jié)厚度對應(yīng)變傳感系數(shù)的影響，總結(jié)應(yīng)變傳遞系數(shù)的發(fā)展規(guī)律。

1 基于分布式光纖應(yīng)變傳感的加筋土監(jiān)測機理研究

1.1 分布式光纖監(jiān)測原理

布里淵光時域反射（BOTDR）技術(shù)通過在光纖的一端發(fā)射脈沖光波，并在相同的端口接收得到布里淵散射光的頻率變化量。研究表明，布里淵頻率的偏移量與光纖軸向應(yīng)變和溫度的變化量呈良好的線性關(guān)系，通過室內(nèi)標定試驗可以求出布里淵散射光的相關(guān)參數(shù)，進而求出光纖相應(yīng)位置的應(yīng)變與溫度值。

布里淵頻移與光纖應(yīng)變、溫度增量呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為：

1.2 分布式光纖?土工格柵傳感器簡介

本文將分布式光纖與單向土工格柵結(jié)合，將分布式光纖通過膠結(jié)安裝與土工格柵的縱向筋上方，由此形成分布式光纖?土工格柵傳感器。利用該傳感器來研究分布式光纖與土工格柵的應(yīng)變傳感效率，分布式光纖在單向土工格柵上的安裝方式如圖1所示。

圖1 分布式光纖-土工格柵傳感器示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Distributed Optical Fiber Geogrid Sensor

2 膠結(jié)方式對應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響研究

2.1 兩種不同的膠結(jié)方式

分布式光纖與土工格柵兩種不同膠結(jié)方式模型示意圖如圖2 所示，分別為普通膠結(jié)與刻槽膠結(jié)。普通膠結(jié)方式是將分布式光纖鋪設(shè)與土工格柵的縱向肋筋上，采用環(huán)氧樹脂等直接涂抹膠結(jié)，在表面形成一層膠結(jié)層，同時可保護分布式光纖，其缺點為容易在土工格柵與土體的摩擦力作用下發(fā)生脫落?？滩勰z結(jié)方式是在土工格柵縱向肋筋上刻處槽口，涂抹一層環(huán)氧樹脂后，將分布式光纖鋪設(shè)與上方再進一步涂抹環(huán)氧樹脂，控制膠結(jié)層的厚度，該方式可提高分布式光纖與土工格柵的整體性。

圖2 光纖膠結(jié)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Optical Fiber Bonding

2.2 兩種膠結(jié)方式的有限元分析

本文采用MIDAS 進行不同膠結(jié)方式下分布式光纖與土工格柵的應(yīng)變傳遞系數(shù)模擬分析，建立有限元數(shù)值模型如圖3所示。其中，假設(shè)分布式光纖、膠結(jié)層與土工格柵均為線彈性材料，同時加載過程溫度發(fā)生變化，具體建模參數(shù)如表1 所示。對模型一端施加1 000 kN的拉力荷載后得到的整體應(yīng)變云圖如圖3所示。

表1 MIDAS模擬各部分參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter Setting of MIDAS Simulation

圖3 整體應(yīng)變云圖Fig.3 Overall Strain Nephogram

由圖3 分析可知，應(yīng)變最小區(qū)域主要發(fā)生于膠結(jié)層與光纖區(qū)域，其他區(qū)域的應(yīng)變分布在膠結(jié)層與土工格柵之間差別較??；在膠結(jié)層與光纖部分在端部位置自下而上其應(yīng)變均表現(xiàn)為由大到小，且在普通膠結(jié)方式的模型中，最小值區(qū)域占比明顯大于刻槽膠結(jié)方式的模型。這說明通過刻槽膠結(jié)分布式光纖，能夠使分布式光纖與土工格柵更快發(fā)生較為同步的變形，即分布式光纖與土工格柵之間的應(yīng)變傳遞系數(shù)更大。

不同膠結(jié)方式下分布式光纖與土工格柵的應(yīng)變傳遞系數(shù)如圖4 所示。其中，應(yīng)變傳遞系數(shù)的計算公式如下：

圖4 不同膠結(jié)方式下分布式光纖與土工格柵的應(yīng)變傳遞系數(shù)Fig.4 Strain Transfer Coefficient of Distributed OpticalFiber and Geogrid under Different Bonding Modes

α=ε1/ε2

式中：α為應(yīng)變傳遞系數(shù)；ε1為分布式光纖的應(yīng)變；ε2為土工格柵的應(yīng)變。

由圖4分析可知，兩種不同膠結(jié)方式的結(jié)果相似；分布式光纖與土工格柵的應(yīng)變傳遞系數(shù)沿光纖長度呈對稱規(guī)律，分布式光纖兩端的傳遞系數(shù)較小，沿光纖兩端向光纖中部快速提高，其應(yīng)變傳遞效率最高點均位于分布式光纖的中部區(qū)域；同時，普通膠結(jié)方式在光纖兩段的傳遞效率低于刻槽膠結(jié)方式，刻槽膠結(jié)方式較普通膠結(jié)方式更快達到最高應(yīng)變傳遞效率。綜合分析可知，刻槽膠結(jié)方式的分布式光纖與土工格柵的整體應(yīng)變傳遞效率更高。

2.3 膠結(jié)層厚度對應(yīng)變傳遞的影響規(guī)律分析

由上節(jié)分析可知，采用刻槽膠結(jié)方式的分布式光纖?土工格柵應(yīng)變傳遞效率更高，因此，本節(jié)進一步分析刻槽膠結(jié)方式膠結(jié)層厚度對應(yīng)變傳遞效率的影響規(guī)律。根據(jù)上節(jié)的模型參數(shù)，采用MIDAS有限元軟件建立3 個數(shù)值模型，其膠結(jié)層厚度分別為1 mm、2 mm與3 mm。通過模擬分析最終得到三個模型相應(yīng)的應(yīng)變傳遞系數(shù)。具體模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同膠結(jié)層厚度下的光纖應(yīng)變傳遞系數(shù)Fig.5 Strain Transfer Coefficient of Optical Fiber under Different Thickness of Cementation Layer

由圖5 分析可知，3 種膠結(jié)層厚度模型的應(yīng)變傳遞系數(shù)沿分布式光纖長度的分布規(guī)律基本一致。隨著膠結(jié)層厚度的增大，應(yīng)變傳遞系數(shù)下降，且沿分布式光纖兩端更晚達到最高應(yīng)變傳遞效率。因此，較小的膠結(jié)層厚度能夠有效提高分布式光纖與土工格柵的應(yīng)變傳遞效率。

3 分布式光纖-土工格柵傳感器應(yīng)變標定試驗

分布式光纖?土工格柵傳感器主要考察應(yīng)變遞增時，分布式光纖?土工格柵應(yīng)變測量系統(tǒng)測得的光纖布里淵頻率的變化趨勢，驗證應(yīng)變變化與系統(tǒng)所測布里淵頻率之間的線性關(guān)系，評價系統(tǒng)的應(yīng)變測試能力。通過測量布里淵頻移，得到光纖的溫度和軸向應(yīng)變變化。

本試驗中，試驗的分布式光纖?土工格柵傳感器長度為1 m，對傳感器施加軸力，使傳感器產(chǎn)生軸向變形，測量分布式光纖?土工格柵伸長量，通過應(yīng)變量控制數(shù)據(jù)采集點，采集傳感光纖變形時的布里淵頻率變化量（見圖6）。當伸長量每增加2 mm 時，傳感光纖解調(diào)儀采集1 次數(shù)據(jù)，直至分布式光纖?土工格柵傳感器的伸長量達到10 mm 時才停止采集，得到分布式光纖?土工格柵應(yīng)變與布里淵頻率的關(guān)系，如表2 及圖7所示。

圖6 分布式光纖-土工格柵傳感器制作Fig.6 Fabrication of Distributed Optical Fiber Geogrid Sensor

表2 分布式光纖-土工格柵傳感器應(yīng)變標定試驗理論應(yīng)變及布里淵頻移Tab.2 Theoretical Strain and Brillouin Frequency Shift of Strain Calibration Test of Distributed Optical Fiber Geogrid Sensor

圖7 布里淵頻移與分布式光纖-土工格柵應(yīng)變關(guān)系Fig.7 Relationship between Brillouin Frequency Shift and Distributed Optical Fiber Geogrid Strain

光纖?土工格柵傳感器應(yīng)變與布里淵頻移量擬合的公式為：

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

廣州某電廠工程及配套設(shè)施項目位于廣州市從化區(qū)鰲頭鎮(zhèn)，場平后的規(guī)劃高程約75.0～85.0 m，場平后挖方邊坡主要位于主廠房東側(cè)、生產(chǎn)樓東側(cè)與南側(cè)，挖方邊坡最高約53 m；填方邊坡主要位于主廠房南側(cè)、生產(chǎn)樓西側(cè)的丘間洼地、沖溝地段，以及爐渣綜合利用廠房西側(cè)，填方邊坡最高約23 m。邊坡支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)如表3所示。

表3 邊坡支護結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)Tab.3 physical and Mechanical Parameters of Slope Support Structure

4.2 分布式光纖?土工格柵傳感器的應(yīng)用

將分布式光纖?土工格柵傳感器應(yīng)用于廣州某電廠工程及配套設(shè)施項目的邊坡監(jiān)測工程中，將分布式光纖按照刻槽膠結(jié)方式進行安裝，如圖8 所示。將分布式光纖預(yù)留段于邊坡分層位置牽引露出，在施工完成后進行數(shù)據(jù)的采集。采集的部分監(jiān)測數(shù)據(jù)最大及最小值如表4所示，其中監(jiān)測1為邊坡中部位置，監(jiān)測2為邊坡底部位置。間隔10 d 的監(jiān)測數(shù)據(jù)可看出土工格柵的應(yīng)變基本不變，說明邊坡的穩(wěn)定性較高。

圖8 分布式光纖-土工格柵刻槽膠結(jié)安裝Fig.8 Installation of Distributed Optical Fiber Geogrid Grooved and Cemented

4.3 數(shù)值分析

采用MIDAS 建立數(shù)值模型，模擬分析分布式光纖?土工格柵邊坡的應(yīng)變分布。根據(jù)邊坡參數(shù)進行模型建立，邊坡1∶1.5，邊坡高度為36 m，邊坡地面寬度50 m。因邊界條件對模型會產(chǎn)生影響，在本模型中，邊界約束為底邊固定，兩邊設(shè)置水平約束，完整有限元模型2 270個節(jié)點，2 256個單元。

對邊坡進行穩(wěn)定性分析，得到邊坡模型的位移云圖如圖9所示。分析可知，在穩(wěn)定性分析中，最大位移發(fā)生于邊坡頂部，且該區(qū)域無土工格柵支護，其穩(wěn)定性相較于由土工格柵支護部分差。提取邊坡中部土工格柵的應(yīng)變結(jié)果與工程示范中分布式光纖?土工格柵傳感器監(jiān)測結(jié)果進行對比，如圖10 所示，數(shù)值分析結(jié)果與分布式光纖監(jiān)測結(jié)果基本吻合，驗證了分布式光纖?土工格柵傳感的可靠性。

圖9 邊坡位移云圖Fig.9 Nephogram of Slope Displacement

圖10 應(yīng)變結(jié)果Fig.10 Strain Results

5 結(jié)論

本文采用MIDAS GTS 有限元軟件模擬了兩種光纖膠結(jié)方式，計算并分析兩種膠結(jié)方式的應(yīng)變傳遞系數(shù)，認為刻槽膠結(jié)光纖的方式在理論上有較高和較穩(wěn)定的應(yīng)變傳遞效率；以刻槽膠結(jié)為例，分析了凹槽的深度即膠結(jié)層層厚度對應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響，且凹槽深度越大應(yīng)變傳遞越差。并通過工程應(yīng)用對比數(shù)值分析結(jié)果與分布式光纖監(jiān)測結(jié)果，驗證模型的準確性。