基桩变形监测分布式光纤传感器选型研究

郭章辉

(中铁八局集团昆明铁路建设有限公司 云南 昆明 650200)

0 引言

随着经济的快速增长及城市现代化快速推进，我国交通设施和城市建设快速发展，西部地区交通设施建设任务日益繁重，但是我国幅员辽阔，地质环境复杂，贵南线、川藏线、云桂线等运营线路易遭受滑坡灾害，造成运营安全受到影响。施工过程中，通常通过构建抗滑桩等支护结构稳定边坡。为缓解城市土地资源紧张及交通拥堵问题，高层建筑和地下空间结构日益增多，结构施工过程中基坑开挖深度大，可达到上百米，基坑支护结构是确保基坑稳定性和临近构筑物安全的重要设施。在结构长期服役或周边环境干扰下，抗滑桩和基桩变形是引发结构事故最为主要的原因。因此，在抗滑桩或基桩上布设传感器开展变形监测，对于提升交通运营和施工安全具有重要的工程意义。

分布式光纤传感技术是近几十年发展起来的一种可实现应变连续测试的传感技术，目前已经在高铁、公路、管道、桥梁等结构监测领域得到了较为成功的应用[1-5]。在抗滑桩或基桩监测方面，最早是南京大学施斌等人通过在抗滑桩受力主筋上开槽布设裸光纤开展基桩受力或变形监测，裸光纤十分纤细，实际工程中光纤布设比较困难且容易破坏。鉴于此，施斌等人将自行研制的应变光缆布设到马家沟滑坡抗滑桩中，基于BOTDR技术开展相应的变形监测，极大提升了分布式光纤的工程化，并取得了较好的变形测试效果[6]。刘杰等人将光纤粘帖在测斜管表面开展基坑变形分布式监测，实际工程中，由于测斜管是一段一段拼接而成，影响了粘帖光纤的连续性[7]。崔咏军等人采用钢绞线加强光纤开展基坑工程监测，钢绞线加强光纤通过扎带固定在测斜管外侧[8]。基坑或抗滑桩的监测效果与传感器自身的感知特性以及传感器与结构协同变形密切相关，为此王花平、李宏男等人分别开展光纤应变传递的方法及理论研究，为封装传感器的研发和传感器测试提供了一定的指导意义[9，10]。

本文通过静载拉伸试验对普通康宁光纤、玻璃钢封装光纤和钢绞线加强光纤进行感知性能试验，优选适合基桩施工和变形监测需求的分布式光纤传感器，并将优选的分布式光纤传感器用于基桩长期变形监测，验证该传感器在基桩监测中的有效性。

1 分布式光纤布里渊传感原理

布里渊散射过程可经典地描述为泵浦波、斯托克斯波通过声波进行的非线性相互作用，泵浦波通过电致伸缩效应产生声波，引起介质折射率的周期性调制，同时由于多普勒效应，散射光产生了频率下移，入射光与散射光频率差即为布里渊频移，基于布里渊散射谱分析，布里渊散射频移与温度和应变成线性关系，如式(1)所示

ΔvB=CεΔε+CTΔT

(1)

式中：Cε、CT表示应变和温度灵敏度系数；Δε、ΔT表示施加在光纤上应变和温度增量[11，12]。

由式(1)可知布里渊频移同时与温度和应变有关，当温度或应变恒定时，由布里渊频移变化量可以求出温度或应变变化，同时根据光功率的变化，即OTDR光时域定位技术，可以得到任何点距探测光源的距离z：

(2)

式中c表示光波在光纤中测传播速度；n表示光纤折射率。

2 抗滑桩变形监测分布式光纤传感器选型试验

图1为普通康宁单模光纤、玻璃钢封装光纤和钢绞线加强光纤。其中普通康宁光纤封装材料为丙烯酸酯(Acrylics)，直径为0.125 mm，直接作为分布式光纤传感器使用容易被破坏，目前常用于小尺度构件表面变形临时测量；钢绞线加强光纤从外到内分别为PE橡胶层、细直径钢绞线和紧抱单模光纤，直径6.00 mm；玻璃钢封装光纤是在环氧树脂和玻璃纤维拉挤成型过程中将光纤植入，直径5.00 mm，具有较高抗拉强度和抗腐蚀性。

图1 3种选型分布式光纤传感器

钢绞线加强光纤中钢绞线不会对紧抱光纤产生侧向压力，因此其布里渊增益谱曲线和普通康宁光纤的布里渊增益谱曲线均为洛伦茨型；玻璃钢封装光纤因其特殊的拉挤成型工艺使得光纤植入过程中承受不均匀应力，其布里渊增益谱曲线较为复杂，某些特殊情况下会偏离洛伦茨型。图2为玻璃钢封装光纤和普通康宁光纤的布里渊增益谱曲线，可以看到普通康宁光纤各个位置的布里渊增益谱曲线一致性好，均为洛伦茨型；玻璃钢封装光纤的布里渊增益谱曲线较为复杂，而FBG位置处的布里渊增益谱曲线明显偏离洛伦茨型。为进一步研究各光纤的感知特性，通过静载拉伸试验获取相应的布里渊频移-应变感知系数，如图3所示。图3a至图3c分别为康宁光纤、玻璃钢封装光纤和钢绞线加强光纤的布里渊频移-应变感知标定结果，标定系数分别为0.0493 MHz/με、0.0495 MHz/με和0.0488 MHz/με。标定结果表明3种传感器感知系数接近0.05 MHz/με，其中康宁光纤和玻璃钢封装光纤的极限应变均超过16000 με，且全程为线性，钢绞线加强光纤在拉伸应变达到14900 με时，因外层橡胶PE被夹持破坏，导致其不能继续承担更大的拉伸应变。

图2 玻璃钢封装光纤和普通康宁光纤的布里渊增益谱曲线

图3 3种光纤的应变感知标定结果

分布式光纤传感器用于基坑变形监测需要满足3个基本条件：(1)满足基坑施工条件，易于成活；(2)使用寿命长，变形量程匹配基桩监测需求；(3)良好的感知特性。对比3种光纤，可以看到普通康宁光纤直径细、抗剪性能差，在基桩浇筑混凝土等施工过程中容易破坏；钢绞线加强光纤因各组成成分模量相差较大，导致在大应变时，内层紧抱光纤与外层PE不协同变形；玻璃钢封装光纤因光纤和玻璃钢一体化拉挤成型，光纤被直接封装在玻璃钢中，光纤变形能发挥到极致，且玻璃钢材质完全可以抵御基桩注浆施工、振捣等恶劣工况。因此，玻璃钢封装光纤更适合基桩变形监测。

图4 传感器布设及现场测试

3 基于玻璃钢封装光纤的抗滑桩变形监测试验

为验证玻璃钢封装光纤传感器在抗滑桩变形监测中的有效性，将直径5 mm的玻璃钢封装光纤传感器沿着某边坡抗滑桩主受力筋布设，如图4所示。图4c为采用BOTDR设备采集相应的玻璃钢封装光纤的分布式应变数据，空间分辨率为1000 mm，应变测量精度±50 με。

本监测项目在两个抗滑桩上布设了玻璃钢封装光纤传感器，抗滑桩长度分别为12.5 m和20.5 m。图5为抗滑桩中玻璃封装光纤传感器的应变测试数据。图5a为20.5 m长抗滑桩的监测数据，数据测试期为抗滑桩混凝土浇筑后第7、14、21和42 d，可以看到抗滑桩在混凝土浇筑后前期从桩底(0 m)到桩顶(20.5 m)有一定的应变递增，最大应变增量33 με。图5b为12.5 m长抗滑桩的监测数据，数据测试期为抗滑桩混凝土浇筑后第7、14、21、28和42 d，可以看到抗滑桩在混凝土浇筑后前期从桩底(0 m)到桩顶(12.5 m)有一定的应变递增，桩顶最大应变增量85 με，在9.8 m的位置最大应变达到118 με。12.5 m长抗滑桩监测应变较大的原因是当时为雨水季节，抗滑桩上部出现了一条裂缝，后面经现场施工人员及时处理。考虑到BOTDR设备本身应变波动性，各个监测数据在刻画之前先与传感器布设之前的数据进行差值处理。本文监测设备及传感器选用大连博瑞鑫科技有限公司研发的产品。

4 结论

本文针对基桩或抗滑桩施工及监测需求，选择普通康宁光纤、玻璃钢封装光纤和钢绞线加强光纤进行感知性能研究，优选适合基桩或抗滑桩监测的传感器，并通过抗滑桩变形监测验证优选传感器的有效性，取得如下结论。

(1)普通康宁光纤、玻璃钢封装光纤和钢绞线加强光纤的布里渊应变感知系数基本为0.05 MHz/με，其中普通康宁光纤和钢绞线加强光纤的布里渊增益谱曲线为洛伦茨型，而玻璃钢封装光纤因特殊的垃挤成型工艺导致其受力不均，布里渊增益谱曲线较为复杂。

图5 抗滑桩玻璃钢封装光纤传感器应变测量数据

(2)普通康宁光纤纤细易断；钢绞线加强光纤在承受较大应力时，外层PE和内层紧抱光纤变形不一致，不适合较大变形监测；玻璃钢封装光纤具有抗拉强度高和耐久性好的优点，适合基桩或抗滑桩变形监测。

(3)玻璃钢封装光纤用于抗滑桩变形监测，可以有效监测抗滑桩服役期的应变，为施工提供了一定的监测指导。