光纖光柵傳感技術(shù)在樁基測試中的應(yīng)用

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1、光纖光柵測試技術(shù)在樁基檢測中的應(yīng)用1引言在巖土工程監(jiān)測中，應(yīng)變是最重要的參數(shù)之一，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片由于自身的一些缺陷，逐漸的難以滿足目前巖土工程監(jiān)測要求，而光纖光柵傳感器憑借它的可靠性好，抗干擾能力強，尺寸小，施工工藝簡便，以及可復(fù)用性強等諸多方面的優(yōu)勢，逐漸受到關(guān)注，并被推廣應(yīng)用于各類土木工程實踐中。從上世紀(jì)八十年代末期美國工程師首次把光纖傳感器應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域之后，國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)做了大量的實驗，目前該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而我國還處于起步階段。本文僅以某工程的一根試驗樁為例，簡要介紹光纖光柵傳感器的工作原理，并比較光纖光柵傳感器與電阻應(yīng)變片的測試結(jié)果，分析光纖光柵傳感器在巖土工程監(jiān)測中

2、的發(fā)展前景。2光纖光柵傳感器的工作原理光纖光柵傳感器是利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖芯相互作用而引起的后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫入法在單膜光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的濾光器或反射鏡。Bragg光柵傳感器是通過對波長光譜的檢測，實現(xiàn)被測對象應(yīng)變的絕對測量。當(dāng)光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變時，反射窄帶光的波長會發(fā)生改變，在忽略溫度影響的前提下，波長偏移量與應(yīng)變的關(guān)系滿足下式：其中:Pe為光纖的彈光系數(shù)，為光纖光柵不受應(yīng)變作用下的中心波長，為外加軸向應(yīng)變，k為光纖光柵相對應(yīng)的靈敏度系數(shù)，為應(yīng)變引起的波長偏移。由此可見，光纖產(chǎn)生的應(yīng)變于反射波波長的偏移量成正

3、比，只要準(zhǔn)確測量出Bragg光柵波長偏移量就可以計算出纖內(nèi)Bragg光柵的應(yīng)變。BRAGG光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（下圖中Ii）通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光（下圖中Ir），并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光（下圖中It）則直接透射過去。3試樁概況:3.1地質(zhì)條件：3.2試樁概況試樁樁長46.5m，樁徑1.8m，預(yù)計承載力2×34050kN。試樁采用自平衡法來進行。每級加載為預(yù)估承載力的1/15，第一級按兩倍荷載分級加載，測試采用慢速維持荷載法加載。本次試驗中樁身軸力用兩種傳感器。每個截面的3個方向采用常規(guī)電阻式鋼筋應(yīng)變

4、計量測，另一方向采用埋入式光柵傳感器量測，測量分辨率小于1με，測量范圍在±3000με之間。光柵數(shù)據(jù)采用PI04B系列光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀采集并轉(zhuǎn)換成應(yīng)變數(shù)據(jù)存入計算機。傳感器布置在巖土界面分界處。布設(shè)截面位置見圖1，共布設(shè)7個截面，21只常規(guī)鋼筋應(yīng)變計，7只光柵傳感器。圖2埋入式光柵傳感器及PI04B系列光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀初始加載階段向上向下位移均緩慢增加，隨著荷載的增加，向上和向下的位移逐漸增加，達(dá)到預(yù)計加載值時，向上的位移達(dá)到11.15mm，向下的位移為9.22mm，因位移小，故繼續(xù)增加一級荷載，至2×40160kN，達(dá)荷載箱加載極限，然后開始逐級卸載。測試所加的各級荷載以及相應(yīng)

5、的向上向下位移如表2和圖3所示：3.3測試結(jié)果將部分截面處由電阻式鋼筋應(yīng)變計所測得的應(yīng)變值的平均值和光柵傳感器所測得的應(yīng)變值進行比較，如圖4～圖9所示。圖4標(biāo)高為5.99m處截面應(yīng)變值圖5標(biāo)高為-4.41處截面應(yīng)變值圖6標(biāo)高為-11.21m處截面應(yīng)變值圖7標(biāo)高為-20.61m處截面應(yīng)變值圖8標(biāo)高為-25m處截面應(yīng)變值圖9標(biāo)高為-31m處截面應(yīng)變值比較上述測試結(jié)果，可以得到電阻式鋼筋應(yīng)變計和光柵傳感器測試的數(shù)據(jù)比較接近，特別是在應(yīng)變比較大時誤差更小，但光柵傳感器的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)一些，且更加穩(wěn)定，零漂較小。根據(jù)電阻式鋼筋應(yīng)變計和光柵傳感器測得的樁身應(yīng)變采用標(biāo)定斷面法分別進行計算，可以得出各土層和巖層

6、的摩阻力，端阻力,以及等效成樁頂加載情況下的承載力位移曲線,計算結(jié)果如下圖所示，圖10側(cè)摩阻力－位移曲線，圖11樁端阻力－位移曲線，圖12等效樁頂荷載－位移曲線中的（a）為由電阻式鋼筋應(yīng)變計測得的應(yīng)變值計算出的相應(yīng)結(jié)果，（b）為根據(jù)光柵傳感器測得的應(yīng)變值計算出的相應(yīng)結(jié)果。（a）（b）圖10側(cè)摩阻力－位移曲線（a）（b）圖11樁端阻力－位移曲線（a）（b）圖12等效樁頂荷載－位移曲線4結(jié)論從計算結(jié)果可以看出，用傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變計和用光柵傳感器測得的應(yīng)變計算得出的各個土層摩阻力比較接近，并且趨勢變化也基本一致；按照自平衡轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換成的轉(zhuǎn)換荷載——位移曲線也相差很小，只有端阻力位移曲線差別稍大

7、。從本工程來看，在巖土工程領(lǐng)域光柵傳感器可以取代傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變計，從技術(shù)角度來講，將光柵傳感器應(yīng)用于巖土工程監(jiān)測中已經(jīng)不成問題。但是由于光柵傳感器價格相對昂貴，這也是制約將其廣泛應(yīng)用的主要原因，隨著這項技術(shù)的廣泛推廣，光柵傳感器的價格也會有所降低，所以說，光柵傳感器在今后的巖土工程中會發(fā)揮更大的作用。謝謝大家！