光纤光栅传感技术在桩基测试中的应用

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1、光纤光栅测试技术在桩基检测中的应用1引言在岩土工程监测中，应变是最重要的参数之一，传统的电阻应变片由于自身的一些缺陷，逐渐的难以满足目前岩土工程监测要求，而光纤光栅传感器凭借它的可靠性好，抗干扰能力强，尺寸小，施工工艺简便，以及可复用性强等诸多方面的优势，逐渐受到关注，并被推广应用于各类土木工程实践中。从上世纪八十年代末期美国工程师首次把光纤传感器应用于土木工程领域之后，国外一些发达国家已经做了大量的实验，目前该技术已经较为成熟，而我国还处于起步阶段。本文仅以某工程的一根试验桩为例，简要介绍光纤光栅传感器的工作原理，并比较光纤光栅传感器与电阻应变片的测试结果，分析光纤光栅传感器在岩土工程监测中

2、的发展前景。2光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅传感器是利用光纤材料的光敏性，即外界入射光子和纤芯相互作用而引起的后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单膜光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。Bragg光栅传感器是通过对波长光谱的检测，实现被测对象应变的绝对测量。当光栅产生轴向应变时，反射窄带光的波长会发生改变，在忽略温度影响的前提下，波长偏移量与应变的关系满足下式：其中:Pe为光纤的弹光系数，为光纤光栅不受应变作用下的中心波长，为外加轴向应变，k为光纤光栅相对应的灵敏度系数，为应变引起的波长偏移。由此可见，光纤产生的应变于反射波波长的偏移量成正

3、比，只要准确测量出Bragg光栅波长偏移量就可以计算出纤内Bragg光栅的应变。BRAGG光纤光栅属于反射型工作器件，当光源发出的连续宽带光（下图中Ii）通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光（下图中Ir），并沿原传输光纤返回；其余宽带光（下图中It）则直接透射过去。3试桩概况:3.1地质条件：3.2试桩概况试桩桩长46.5m，桩径1.8m，预计承载力2×34050kN。试桩采用自平衡法来进行。每级加载为预估承载力的1/15，第一级按两倍荷载分级加载，测试采用慢速维持荷载法加载。本次试验中桩身轴力用两种传感器。每个截面的3个方向采用常规电阻式钢筋应变

4、计量测，另一方向采用埋入式光栅传感器量测，测量分辨率小于1με，测量范围在±3000με之间。光栅数据采用PI04B系列光纤光栅传感网络分析仪采集并转换成应变数据存入计算机。传感器布置在岩土界面分界处。布设截面位置见图1，共布设7个截面，21只常规钢筋应变计，7只光栅传感器。图2埋入式光栅传感器及PI04B系列光纤光栅传感网络分析仪初始加载阶段向上向下位移均缓慢增加，随着荷载的增加，向上和向下的位移逐渐增加，达到预计加载值时，向上的位移达到11.15mm，向下的位移为9.22mm，因位移小，故继续增加一级荷载，至2×40160kN，达荷载箱加载极限，然后开始逐级卸载。测试所加的各级荷载以及相应

5、的向上向下位移如表2和图3所示：3.3测试结果将部分截面处由电阻式钢筋应变计所测得的应变值的平均值和光栅传感器所测得的应变值进行比较，如图4～图9所示。图4标高为5.99m处截面应变值图5标高为-4.41处截面应变值图6标高为-11.21m处截面应变值图7标高为-20.61m处截面应变值图8标高为-25m处截面应变值图9标高为-31m处截面应变值比较上述测试结果，可以得到电阻式钢筋应变计和光栅传感器测试的数据比较接近，特别是在应变比较大时误差更小，但光栅传感器的数据更为准一些，且更加稳定，零漂较小。根据电阻式钢筋应变计和光栅传感器测得的桩身应变采用标定断面法分别进行计算，可以得出各土层和岩层

6、的摩阻力，端阻力,以及等效成桩顶加载情况下的承载力位移曲线,计算结果如下图所示，图10侧摩阻力－位移曲线，图11桩端阻力－位移曲线，图12等效桩顶荷载－位移曲线中的（a）为由电阻式钢筋应变计测得的应变值计算出的相应结果，（b）为根据光栅传感器测得的应变值计算出的相应结果。（a）（b）图10侧摩阻力－位移曲线（a）（b）图11桩端阻力－位移曲线（a）（b）图12等效桩顶荷载－位移曲线4结论从计算结果可以看出，用传统电阻式应变计和用光栅传感器测得的应变计算得出的各个土层摩阻力比较接近，并且趋势变化也基本一致；按照自平衡转换方法转换成的转换荷载——位移曲线也相差很小，只有端阻力位移曲线差别稍大

7、。从本工程来看，在岩土工程领域光栅传感器可以取代传统电阻式应变计，从技术角度来讲，将光栅传感器应用于岩土工程监测中已经不成问题。但是由于光栅传感器价格相对昂贵，这也是制约将其广泛应用的主要原因，随着这项技术的广泛推广，光栅传感器的价格也会有所降低，所以说，光栅传感器在今后的岩土工程中会发挥更大的作用。谢谢大家！