FBG监测仪在机场高填方分层沉降监测中的应用

孙 凯 强

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

1 概述

随着我国基础工程的快速发展，在高速公路建设、机场修建、软土地基加固和水电工程建造中，常常需要大量的填筑土，因此，填筑土沉降变形问题一直是工程技术人员和研究人员所重视的问题。不同土的填筑质量，其沉降稳定的时间也不同；土的填筑质量不高，也极易产生差异沉降，对工程安全使用产生影响[1]。要在时间和空间上对填方土体的沉降与差异沉降做出准确可靠的评价，填方施工过程中、竣工后的原位沉降监测资料十分重要。

分层沉降观测可测定地基内部各分层土的沉降量、沉降速率以及有效压缩层的厚度[2]。通过对填筑土分层沉降的监测研究，可以达到以下目的：

1)根据填筑土层的沉降监测，可研究填筑土的压缩固结过程。

2)通过长期监测填筑土层的沉降情况，可以研究、获得填筑土的变形规律，预测填筑土的沉降和差异沉降，为沉降预报提供数据资料。

3)通过获得的填筑土层的监测结果，可以对设计参数进行检验，为相关填筑土方的工程设计、施工和控制提供科学依据[3]。

目前，填筑土的沉降变形监测主要包括：分层沉降标、单点沉降计、电磁式沉降仪、水管式沉降仪等。总体而言，目前填筑土沉降变形仪器和方法，存在四个方面的问题：一是需要较长的传递杆将深部的竖向变形量传至地表，传递杆本身存在着压杆稳定、扭曲变形、热胀冷缩等问题，都有可能引起监测数据的失真；二是需要监测的测点较多时，所需的传感杆也随着增多，钻孔孔径也越大，其施工成本和施工难度都随之增大；三是传感器的数量受到限制，一般情况下只能4个～5个点位置的位移进行测量，获得的数据难以判断实际变形发生的准确位置；四是监测中以最底部点的测值为基准点，一旦该测点失去作用，则其他测点均无法从相对位移换算到绝对位移。

2 填筑土分层沉降光纤监测技术

2.1 分层沉降光纤监测技术基本原理

光纤沉降监测系统是利用光纤的紫外敏感特性，在光纤的一定长度内，采用蚀刻技术，沿光纤轴向使纤芯折射率发生周期性变化，形成芯内光栅(FBG)。当一束光注入光纤，满足光纤布拉格条件就会产生有效的反射，反射光的峰值波长称为布拉格波长，该反射光的中心波长与光栅所受的轴向应变和温度呈线性关系[4]，即:

其中，λB为光栅初始中心波长；ΔλB为光纤光栅中心波长的漂移量，pm；ε，ΔT分别为光栅所受的应变、温度变化量；Kε,KT分别为光纤光栅的应变、温度标定系数，其值约为0.87和6.67×10-6/℃，设定实验中温度恒定。

当光纤光栅产生轴向应变时，将改变光纤光栅传感器的工作波长，即光纤光栅的反射波长将发生变化。因此，通过测量埋入结构中或者粘贴在结构表面的光纤光栅的反射光波长的变化即可得知该点结构的应变变化[5]。利用光纤光栅对应变敏感的特性，将刻写好的光纤光栅经换能装置封装成光纤光栅位移计。在室内对光纤光栅位移计进行标定实验，可以得到光纤光栅位移计波长与位移的率定线性关系。根据测试得到的光纤光栅位移计波长和波长位移率定关系，就可以计算出光纤光栅位移计的位移量。在填筑土分层沉降监测中，安装光纤分层沉降监测仪与周围土体同步耦合变形，利用预拉伸位移计的压缩变形即可获得填筑土的分层和整体沉降变形量。

2.2 监测仪结构与构造

填筑土分层沉降光纤监测技术由光纤分层沉降监测仪和光纤光栅解调仪组成。

图1为根据填筑土沉降特点研制的光纤分层沉降监测仪。图1中1为外成孔刚性保护管，可以临时隔离外部的填筑土，制作位移计的安装孔；2为监测仪传感核心——光纤光栅位移传感器，安装前必须预拉伸，用于测量沉降的变形压缩量；3为位移计安装支座，用于套接成孔外保护管，便于位移计安装和光纤出线；4为高强弹簧，为监测仪与土体沉降变形预留压缩空间；5为弹簧保护管，隔离周围土体，避免弹簧受土体影响而无法压缩；6为位移计保护管，隔离土体，避免进入位移计内；7为位移计安装管，用于固定位移计；8为安装刚性底座，可以适当增大与周围土体的接触面积，形成上下底板间压缩变形的空间；9为光纤引出传输线的保护管，用于光纤出线保护；10为光纤引线，用于位移计测量光纤引线。

2.3 性能指标

填筑土分层沉降分布式光纤监测技术，可根据监测要求，分为若干个监测单元，每个监测单元测量标距为2.5 m～3 m。每个监测单元安装有一个光纤光栅位移计，其测试量程为150 mm，测量精度为0.15 mm，光栅中心波长为1 525 nm～1 565 nm，波长反射率不小于90%。

3 现场试验

3.1 试验概况

试验点位于某建设中的国内机场，机场所在的场地工程地质条件十分复杂，存在大量的高填深挖，开展地基处理及高填土沉降变形监测十分必要。在机场场地内选择高填方强夯场地作为试验场地。在高填筑土内安装了分层沉降分布式光纤监测仪，用于监测高填方土施工期的沉降变形情况。光纤监测点位置如图2所示。

3.2 光纤监测方案

光纤分层沉降监测仪分为10个监测单元，每个监测单元测量标距为3 m，最终实现约30 m深度填筑土沉降变形测量。在每层填土内埋入光纤光栅(FBG)位移计，测量每层上下顶底面间的相对位移来监测土层的压缩变形。每个位移计均采用水平引线方式，引出坡体前缘挡土墙临空面处进行监测。通过监测每一分层的压缩量来计算各深度沉降值。光纤监测方案见图3。

分层沉降分布式光纤监测仪埋入到填土内后，当土体发生沉降压缩时，位移计安装支座方形翼板受土的重力作用压缩底部弹簧，向下运动；预拉伸的位移计收缩变形，发生位移变化，从而实现填筑土的压缩变形测量。

3.3 传感器布设安装

1)传感器安装：在安装固定底板之前,使用自攻螺丝将光纤光栅位移计固定锁死在固定底座的位移计固定管内。

2)底座安装：在预填夯实的土体表面开个小坑，将底座放入坑内，利用水准尺进行水准整平。向坑内浇筑水泥，与土体表面胶结固定。最好将底板浇筑在基岩上，可监测基岩与填筑土之间的土体压缩量。

3)预埋管件：填土过程中，采用一钢管树立在地层，并随着填土增高而向上拔管，为后期传感器安装提供通道空间。预埋管件底部先用土压实，竖直在土层中，在周围填土。

4)内保护管安装：待外部管件固定完毕后，将一根3 m长的内保护管(镀锌管)插入到外管件内部，套在位移计安装管外部。将位移计头部光纤引线和钢索从内保护管引出，隔离土体与钢绳，保护钢绳和位移计头部光纤引线。在外部管件和内保护管之间，回填松散细砂，固定内保护管。

5)上底板安装：待填土高度达到2.8 m～3.2 m位置时，将外管件全部拔开。将强力弹簧放入到安装支座的弹簧保护管内，扣入到内保护管头上。将下位移计头部光纤引线从上安装支座侧边开孔引出。将与下位移计连接固定的钢绳从上安装底板锁绳孔穿出，用力拉伸钢绳将光纤光栅位移计拉至满量程，采用钢绳自锁件将钢绳锁死固定。然后向安装底板坑内填筑土体，并夯实。

6)循环操作：随着填土填筑增高，循环步骤1)～5)，完成其他层位深度处的光纤位移计安装。

7)集成与监测：引线引出墙体后采用通讯光缆一直连接至方便操作的平台集中测试。光纤光栅位移沉降监测采用便携式每天定时采集或建造一监测房实时采集并无线发送至远程数据中心。

3.4 监测数据采集

本次试验自2015年4月19日开始进入施工现场进行光纤传感器布设安装。开始布设安装位移计时，高填方边坡已填筑一定厚度土体。截至7月11日，已完成10个光纤位移计的布设安装，总计填土高度约为29 m，填土底部记为0 m位置，填土顶部位置记为29 m。其中第9个位移计监测层位厚度为2.5 m、第10个位移计监测层位厚度为2.0 m，最上部位移计盖板上覆填土约为0.5 m。5月9日开始对所布设的光纤位移计进行监测。

图4为2015年5月12日～8月10日，分层沉降分布式光纤监测仪采集的沉降变形数据。

3.5 监测数据分析

1)填筑土分层沉降分布式光纤监测仪，能很好地监测到各层土的沉降变形过程和累计沉降变形量，大部分土层呈现出填筑土典型的压密沉降三阶段这一规律。

2)施工机械夯实和降雨会显著影响填筑土的沉降变形，其中降雨对填筑土的累计沉降变形量影响十分显著。

3)由于每一监测分层的起始变形监测时间点难统一，因此起始快速沉降变形段的变形累计量各分层监测数据大小不一，也影响到了至监测日累计沉降变形量的数值，建议在分析各个分层沉降量时，剔除起始快速沉降变形段的沉降量进行分析。从目前监测到的该填土边坡总沉降量为203.5 mm。

4 结论与建议

1)针对填筑土沉降变形特点，研制出了准分布式的填筑土分层沉降光纤监测仪，实现了填筑土分层沉降变形的监测，现场试验表明，该技术能很好地监测到各层土的沉降变形过程和累计沉降变形量，大部分土层呈现出填筑土典型的压密沉降三阶段这一规律。

2)填筑土分层沉降光纤监测仪，应用了基于布拉格光栅原理的准分布式光纤传感技术，它具有测距长，准分布式、多层位数据采集，环境兼容性强和使用寿命长等特点，弥补了传统监测手段的不足，为研究填筑土内部分层变形及掌握变形速率提供了十分先进的监测手段。

3)由于每一监测分层的起始变形监测时间点难于统一，因此起始快速沉降变形段的变形累计量各分层监测数据大小不一，也影响到了至监测日累计沉降变形量的数值，建议在分析各个分层沉降量时，剔除起始快速沉降变形段的沉降量进行分析。

4)填筑土分层变形监测系统在施工及监测过程中成活率高，施工工艺简单、便捷，在填筑土监测项目中适应性较强，获得的监测数据可靠精确，市场推广应用潜力巨大。