基于BOTDA的混凝土結構裂縫識別試驗研究及工程應用

汪 辛，丁志凱，劉勝春

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；3.中咨公路養(yǎng)護檢測技術有限公司，北京 100089；4.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

0 引言

在公路基礎設施的建設中，混凝土結構是主要的結構類型，包括混凝土橋梁、隧道襯砌、抗滑樁等。根據(jù)以往的混凝土結構養(yǎng)護經(jīng)驗，混凝土結構的表面裂縫和內部裂縫是其主要病害[1-3]，因此對于重要的基礎設施，對其結構裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展進行全時全域的監(jiān)測十分必要。

目前混凝土結構的裂縫監(jiān)測還是以人工監(jiān)測為主[4]，隨著圖像識別技術[5]、光纖光柵傳感技術[6]、深度學習技術[7]以及各類算法[8-11]的快速發(fā)展，對混凝土結構裂縫的監(jiān)測手段更加豐富、監(jiān)測結果更加精準。但是這些方法和手段在數(shù)據(jù)采集階段也存在監(jiān)測范圍小、對監(jiān)測環(huán)境的要求較高、監(jiān)測儀器的壽命較短等問題，無法滿足全時全域的監(jiān)測要求。

布里淵光時域分析(the Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)技術因其具有高精度、長距離、分布式、耐久性好等特點被廣泛應用于結構健康監(jiān)測領域。蔣孝鵬等[12]依托漢江特大橋建設工程，采用傳統(tǒng)監(jiān)測方式與分布式光纖技術進行對比研究，研究表明分布式光纖能夠很精確地識別和定位梁體各處的應變異常點位置，且相對于傳統(tǒng)的千分表監(jiān)測方式，分布式光纖能更靈敏地監(jiān)測梁體的應變情況。毛江鴻等[13]改進了光纖布設方式監(jiān)測混凝土微裂縫，實現(xiàn)了微裂縫的發(fā)生及開裂路徑的監(jiān)測。葉宇霄[14]研究了分布式光纖傳感器監(jiān)測裂縫的應變傳遞，并提出了裂縫寬度與光纖應變的對應關系。徐東升等[15]提出了一種分布式光纖傳感器在鉆孔樁中的新安裝方法，在多階段開挖過程中，通過BOTDA傳感器獲得了沿鉆孔樁的分布式應變，并通過分布式應變推導出鉆孔樁側向撓度。

分布式光纖自身耐久性好，但是易受施工環(huán)境的影響。因此本研究嘗試在混凝土結構的表面和內部同時布設分布式光纖，并使用千斤頂進行加載試驗，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了分布式光纖布設方式的可行性，同時驗證了分布式光纖可以識別混凝土結構的表面裂縫和內部裂縫，最后在宜巴高速某隧道進行了現(xiàn)場試驗。

1 BOTDA技術原理

布里淵光時域分析技術[16](Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA)的原理如圖1所示，解調儀在光纖兩端分別注入探測光和泵浦光，當探測光和泵浦光的頻率差落在布里淵光譜內，光纖會發(fā)生布里淵效應，根據(jù)布里淵頻移(BFS)與光纖應變差、光纖溫度差之間的線性關系[17-18]，如式(1)所示，可以測得分布式光纖的應變變化量和溫度變化量。

圖1 BOTDA技術原理Fig.1 Principle of BOTDA technology

Δf=C11×Δε+C12×Δt，

(1)

式中，Δf為布里淵頻移量；C11為布里淵頻移應變系數(shù)；C12為布里淵頻移溫度系數(shù)；Δε為分布式光纖應變變化量；Δt為分布式光纖溫度變化量。試驗前進行標定試驗，確定布里淵頻移應變系數(shù)和布里淵頻移溫度系數(shù)。

2 混凝土梁加載試驗

為了驗證使用BOTDA光纖傳感技術能識別混凝土結構的表面裂縫和內部裂縫，此次混凝土梁加載試驗參考文獻[19]中的材料配比，制作了一根高強鋼筋活性粉末混凝土梁，通過在混凝土梁的內部和表面布設分布式光纖，獲得混凝土梁在加載全過程中的應變分布情況。

2.1 試驗材料及設備

高強鋼筋活性粉末混凝土梁所用到的原材料包括：42.5級普通硅酸鹽水泥、微硅粉、石英砂、高效聚羧基減水劑、鋼纖維。各組分配合比為水泥∶微硅粉∶石英砂∶高效減水劑∶鋼纖維∶水=1∶0.18∶1.17∶0.02∶0.13∶0.19[19]。活性粉末混凝土的抗壓強度為120 MPa，彈性模量為4.52×104 MPa。高強鋼筋采用HRB400，鋼筋直徑為20 mm。制備的高強鋼筋活性粉末混凝土梁長度為2.0 m，寬120 mm，高250 mm，配筋采用2根20 mm 的高強鋼筋，配筋率為2.52%?；炷翑嚢柰瓿梢院箝_始澆注試件，并用振動臺振動密實，待試件養(yǎng)護36 h以后拆去模板，并持續(xù)澆水養(yǎng)護12 d。

試驗所用解調儀為國產(chǎn)YS-BA型解調儀，YS-BA是一款基于布里淵散射和光時域散射原理而研發(fā)的分布式監(jiān)測主機，適用于長距離的分布式應變與溫度的實時在線監(jiān)測。該系統(tǒng)具有操作簡便、界面友好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，其技術參數(shù)如表1所示。

表1 解調儀性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of demodulator

根據(jù)試驗開始之前的解調儀標定試驗，布里淵溫度系數(shù)為0.925 MHz/με，布里淵應變系數(shù)為0.046 MHz/℃。本試驗所使用的分布式光纖為高傳遞緊包護套應變感測光纖，光纖通過聚氨酯護套封裝保護，如圖2所示。此次試驗使用的設備還包括光纖熔接機、光纖切割刀、光功率計等。

圖2 分布式光纖Fig.2 Distributed optical fiber

2.2 試驗方案

2.2.1 光纖布設方案

在混凝土梁的表面和內部布設分布式光纖，如圖3所示。(1)混凝土梁內部的光纖在預制鋼筋籠時提前將光纖沿鋼筋籠主筋內側用扎帶綁扎固定，在混凝土梁的一端形成回路，在另一端引出兩根光纖作為接頭。(2)混凝土梁表面的光纖通過環(huán)氧樹脂膠水和透明膠帶粘在混凝土梁的側面，然后將混凝土梁內部光纖的一端和表面光纖的一端使用光纖熔接機進行熔接。(3)最后使用兩根跳線分別和混凝土梁的內部光纖、外部光纖剩余端頭熔接。

圖3 混凝土梁表面布設分布式光纖Fig.3 Distributed optical fibers laid on surface of concrete beam

在光纖的熔接工作全部結束以后，將兩根跳線的接口連接光功率計紅光筆一體機，測試整個光路的損耗，當光纖的損耗滿足要求以后，將兩根跳線與解調儀連接。

2.2.2 混凝土梁加載方案

混凝土梁的加載參照《混凝土結構試驗方法標準》(GB/T50152—2012)進行，采用千斤頂分級加載，加載示意圖如圖4所示。加載過程中，解調儀全程采集光纖應變數(shù)據(jù)。

圖4 混凝土梁加載示意圖(單位：mm)Fig.4 Schematic diagram of loading on concrete beam(unit：mm)

2.3 試驗過程

將制備完成的混凝土梁放置于試驗平臺上，如圖5所示，然后將跳線接口與解調儀相連，千斤頂分級施加荷載，每級荷載為20 kN。隨著荷載增加，混凝土梁發(fā)生受彎破壞，純彎段的縱向鋼筋受拉屈服，隨后受壓區(qū)的混凝土被壓碎。在加載過程中，混凝土梁的純彎段跨中首先出現(xiàn)裂縫，然后裂縫數(shù)量逐漸增多、寬度逐漸增大，并且裂縫向受壓區(qū)邊緣延伸。當荷載達到屈服荷載時，混凝土梁形成1～2條主裂縫，并且裂縫寬度迅速增大。繼續(xù)加載，受壓區(qū)混凝土被壓碎，混凝土梁斷裂，分布式光纖被拉斷。

圖5 混凝土梁加載現(xiàn)場Fig.5 Site of loading on concrete beam

2.4 試驗結果及分析

將解調儀采集的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖6所示。10.1～12.0，13.3～15.5，18.2～20.3 m這3個區(qū)段有明顯的應變變化，而且這3個區(qū)間的長度分別為1.9，2.2，2.1 m，符合混凝土梁長2 m的尺寸。根據(jù)光纖布設情況，10.1～12.0 m區(qū)間是混凝土梁表面的應變數(shù)據(jù)，3.3～15.5，18.2～20.3 m區(qū)間是混凝土梁內部的應變數(shù)據(jù)。在11.1，14.3，19.2 m處應變曲線出現(xiàn)峰值，說明在混凝土的跨中產(chǎn)生了裂縫。而且在同一區(qū)間，荷載越大，應變曲線突變越劇烈，以10.1～12.0 m為例，當荷載施加到10級荷載之前，混凝土梁表面沒有裂縫產(chǎn)生，應變曲線較為平滑；當荷載繼續(xù)加大，應變曲線出現(xiàn)峰值，混凝土梁表面出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增大，裂縫寬度變大，應變曲線的突變越來越明顯。在相同荷載作用下，混凝土梁表面的光纖所測得的應變比混凝土梁內部光纖測得的應變大，這一現(xiàn)象符合混凝土梁的應變分布。

圖6 混凝土梁加載過程中的應變分布Fig.6 Strain distribution during loading on concrete beam

3 工程應用

通過混凝土梁加載試驗，證明了分布式光纖用于混凝土結構裂縫監(jiān)測的可行性。因此本論文繼續(xù)研究BOTDA光纖傳感技術用于公路隧道襯砌裂縫監(jiān)測的可行性。

3.1 施工場地情況

宜巴高速某隧道是一座上、下行分離的四車道高速公路短隧道，長452 m，最大埋深約55 m。洞軸線走向方位角218°，左右幅間距約l5 m，單洞凈空10.25×5 m，路面坡度-2.5%，2.7%。因為隧道所在地發(fā)生山體滑坡，導致該隧道襯砌出現(xiàn)病害，病害類型以隧道襯砌開裂、路面開裂為主。襯砌開裂主要為環(huán)向裂縫，局部為樹枝狀裂縫或網(wǎng)狀裂縫，橫向裂縫較少；襯砌裂縫的寬度一般為1～3 mm，局部達1～20 mm，最大達60 mm(位于右幅隧道YK150+794，縫深達73 cm，襯砌鋼筋拉斷，有輕微剪切跡象)。對于該隧道的襯砌開裂，采用分布式光纖傳感技術監(jiān)測隧道右幅的應變和裂縫整體分布及演化趨勢。

3.2 光纖布設

為了對該隧道進行關鍵部位全面的應變監(jiān)測，在隧道拱頂、拱腰、拱底鋪設分布式光纖，考慮安全施工的因素，施工過程中需要對該側隧道進行封路。分別在右幅隧道的拱頂、拱腰、拱底布設縱向光纖，在隧道局部布設環(huán)向光纖，形成縱向、環(huán)向兩條光路，再引出通信光纜接入解調儀中，加裝示意如圖7所示，并且在光纖末端預留一段松弛的光纖，這段光纖的測試數(shù)據(jù)用于光纖溫度補償。

圖7 光纖布設示意圖Fig.7 Schematic diagram of optical fiber layout

3.3 現(xiàn)場試驗過程

在光纖布設完畢以后，首先進行光纖定點的工作，在光纖分段點處拉伸分布式光纖，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)中的應變突變來確定分段點的位置，將一根傳感光纖分成若干個區(qū)間，方便后期監(jiān)測識別裂縫位置和裂縫發(fā)展趨勢。第一次監(jiān)測得到的應變分布作為基準值，后期每一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)與第一次的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，通過數(shù)據(jù)對比和現(xiàn)場觀察驗證分布式光纖監(jiān)測襯砌裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的可行性。

3.4 現(xiàn)場試驗結果

3.4.1 縱向光纖監(jiān)測結果

縱向光纖的監(jiān)測段被分為3部分，分別是120～250，250～290，290～306 m共3段，將兩次的監(jiān)測數(shù)據(jù)相減，得到隧道襯砌在光纖布設處的應變差，見圖8。由圖8(a)所示，大部分區(qū)域的應變差在50 με 以內，只有158，167，238 m處應變差有較大波動，通過現(xiàn)場勘測，如圖9所示，167 m和238 m 處出現(xiàn)了新的裂縫，驗證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，由于158 m處已有裂縫，且應變變化幅度較小，只有170 με，因此無法驗證裂縫寬度是否繼續(xù)擴大。由圖8(b)所示，271 m處應變變化較大，達到890 με，通過現(xiàn)場勘測并且和之前裂縫寬度測量數(shù)據(jù)的對比，271 m 處的裂縫有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。由圖8(c)所示，應變差雖有波動，但都在100 με以內，因為該區(qū)域沒有新的裂縫產(chǎn)生，同時由于分布式光纖的測量精度為±25 με，因此該區(qū)域的已有裂縫寬度沒有繼續(xù)擴大。

圖8 縱向光纖各點應變差Fig.8 Strain differences at each point of longitudinal optical fiber

圖9 襯砌裂縫Fig.9 Crack on lining

3.4.2 環(huán)向光纖監(jiān)測結果

環(huán)向光纖分為40～125，211～247，318～370 m這3部分，由圖10(a)所示，50～70 m處的應變差有較大波動，且該區(qū)域內測點的應變差持續(xù)有波動。根據(jù)現(xiàn)場觀察，由于該區(qū)域的光纖靠近隧道入口處，來往的部分超限貨車會刮動光纖，將部分光纖刮斷，因此對這部分光纖重新熔接，進行了修復，并使用鐵質護套對這部分光纖進行保護。由圖10(b)所示，220 m處光纖的應變差達到1 500 με，由圖10(c)所示，347 m處光纖的應變差達到1 550 με，353 m處光纖的應變差達到190 με，通過現(xiàn)場勘測，220 m和347 m處各產(chǎn)生明顯的裂縫，353 m處產(chǎn)生了微小裂縫。

圖10 環(huán)向光纖各點應變差Fig.10 Strain differences at each point of circumferential optical fiber

4 結論

(1)根據(jù)混凝土梁加載試驗，說明基于BOTDA的光纖傳感技術可以精準定位混凝土結構裂縫。而且光纖傳感技術可以監(jiān)測混凝土結構裂縫產(chǎn)生、發(fā)展全過程，滿足全時全域的監(jiān)測要求。

(2)當混凝土梁表面沒有裂縫產(chǎn)生時，應變曲線較為平滑；當荷載繼續(xù)加大，應變曲線出現(xiàn)峰值，混凝土梁表面出現(xiàn)裂縫。隨著荷載增大，裂縫寬度變大，應變曲線的突變越來越明顯。在相同荷載作用下，混凝土梁表面的光纖所測得的應變比混凝土梁內部光纖測得的應變大。

(3)通過對實際工程測試數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)：裂縫產(chǎn)生的地方應變變化較大，應變差可達到800 με 以上。而且產(chǎn)生裂縫區(qū)域的應變差與沒有產(chǎn)生裂縫區(qū)域的應變差相差較大，從應變差分布圖中可以很明顯的識別。建議后期將要建設的隧道襯砌裂縫監(jiān)測系統(tǒng)的報警閾值設定為800 με，應變差超過800 με，監(jiān)測系統(tǒng)進行報警，養(yǎng)護人員需要到現(xiàn)場進行查看并判斷是否需要進行養(yǎng)護。