光纖Bragg光柵在公路軟基沉降監測中的應用

黎劍華，張鴻，劉優平，周院芳，熊茂東

（1. 南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西 南昌，330099；2. 江西公路開發總公司，江西 南昌，330038）

光纖Bragg光柵在公路軟基沉降監測中的應用

黎劍華1，張鴻1，劉優平1，周院芳2，熊茂東2

（1. 南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西 南昌，330099；2. 江西公路開發總公司，江西 南昌，330038）

針對目前我國高速公路軟基沉降監測中的自動化程度及儀器可靠性低、數據傳輸不及時、測量誤差大等現狀，將光纖傳感監測技術應用于該領域，探討大量程光纖位移計的開發以及適合軟基沉降監測的光纖傳感器埋設工藝，并應用于德昌（江西德興—南昌）高速公路D10標的軟基沉降監測。研究結果表明：開發的大量程光纖位移計能滿足軟基沉降監測要求，與常規監測結果相比可靠性高，并能實現軟基沉降數據的實時、在線、連續監測。

Bragg光柵；軟基監測；大量程位移計；埋設工藝

為了確保軟土路基在施工過程中的安全穩定及準確預測工后沉降，應在工程全線選定具有代表性的特殊斷面和一般斷面進行軟基監測，以便動態地控制加載速率，監控并指導全線路堤填筑的施工。目前，我國高速公路軟基沉降監測中的自動化程度及儀器可靠性低，數據傳輸不及時，測量精度低，影響軟基監測的效果和工后沉降的預測，不利于信息化施工。近年來，光纖傳感技術的興起給工程監測領域提供了一類新的技術和手段，以其抗靜電干擾、靈敏度高、能實現網絡數據實時傳輸等優勢被日益廣泛應用于隧道、邊坡、大壩、橋梁等領域的監測[1?11]，但該技術應用于軟基沉降監測鮮有報道。在此，本文作者就FBG （Fiber Bragg grating）在軟基沉降監測中的技術難題如光纖位移傳感器的改進、光纖位移傳感器在軟基中的埋設安裝工藝等關鍵技術進行探討。

1 軟基沉降監測關鍵技術

1.1 FBG監測基本原理

光纖光柵傳感技術是利用紫外光在光纖內部寫入的光柵反射或透射布喇格波長光譜，測量被測結構的應變和溫度的變化[12?15]。光纖光柵的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期T和反向耦合模的有效折射率neff，這2個參量發生改變的任何物理過程都將引起光柵Bragg光柵波長漂移，如下式所示：

式中：ΔBλ為光柵Bragg中心波長的漂移量；neff為纖芯的有效折射率；ΔT為光柵周期的變化。

所有引起光柵Bragg波長漂移的外界因素中，最直接的為應變、溫度參量，這兩者的變化都會導致光柵周期T發生變化，并且光纖本身具有彈光效應，使得有效折射率neff也隨外界應變的變化而變化，也就是說，光纖光柵反射中心波長的變化反映了外界被測信號的變化。應變引起光柵Bragg波長漂移量可以由下式予以描述：

式中：Pe為光纖的彈光系數；Δε為應變變化量。

由于溫度變化也會引起Bragg光柵波長發生變化，其兩者關系如下式所示：

式中：α為Bragg的熱膨脹系數；ξ為Bragg的熱光系數；Δt為溫度變化。

光柵Bragg波長的漂移量可以通過光纖光柵解調裝置來監測，這樣就可以推導外界應變、溫度參數的變化。

1.2 FBG位移計的改進

FBG位移計具有監測靈敏度高的優點，但目前其監測的量程很有限，國內如北京基康公司生產的FBG位移計量程在20 cm以內，能滿足橋梁、隧道、大壩等領域的位移監測，而高等級公路軟基沉降值遠超出此量程，所以，必須開發適合軟基沉降監測的大量程位移計以滿足監測要求。

圖1所示為大量程位移傳感器的原理圖，金屬管內的2個FBG的彈性系數分別為K1和K2。前部金屬桿與1個彈性系數為K3的彈簧相連，后部金屬桿與1個彈性系數為K4的彈簧相連。這種位移傳感器的本質是將外界被測物發生的位移通過彈簧轉化為FBG的應變變化。

圖1 大量程位移傳感器的原理圖Fig.1 Principle of long-range displacement sensor

FBG1和彈簧1組成的彈性系數K為：

同樣，FBG2和彈簧2組成的彈性系數K′為：

當該位移傳感器左端圓盤受到的壓縮位移為ΔL時，圓盤可以通過彈簧將位移變化轉變成為FBG1的應變改變量。其中FBG1發生的應變Δ1ε為：當位移傳感器右端圓盤受到壓縮位移為L′Δ時，圓盤可以通過彈簧將位移變化轉變成為FBG2的應變改變量。其中，FBG2發生的應變Δ2ε為：

反過來，通過檢測2個FBG的波長變化，即可求得傳感器各自發生的應變，而通過傳感器發生的應變可以計算出2個圓盤的壓縮量。這種位移計所測得的位移為左、右圓盤發生的壓縮位移之和，其量程可以達到40 cm以上，經過精心封裝加工能基本滿足軟基沉降監測要求。

1.3 軟基中FBG位移計的安裝工藝

FBG位移計的安裝大致可以分為表面粘貼式和埋入式安裝。軟基與橋梁、隧道、大壩監測的固體材料不同，軟基土體是松散顆粒，如何保證散體顆粒的位移和應變傳遞到與之彈性模量較大的FBG位移計上是目前的一大難題，這里采取的措施是在土層中放置大直徑圓盤，土層沉降帶動圓盤沉降，使FBG位移計感應到土層的位移變化。

將位移傳感器在現場埋設安裝時，先在軟基沉降監測點鉆孔，鉆孔的深度應穿過整個監測的軟基地層。鉆孔后將注漿錨頭下放，與注漿錨頭連接的測桿可以不斷連接加長，注漿錨頭下放到孔底后，進行注漿固定。

光纖位移計安裝示意圖見圖2。位移傳感器基座安裝在離孔口2～3 m處，其下端與測桿連接，上部與傳感器保護罩相連，傳感器保護罩里面是封裝好的位移傳感器，傳感器保護罩上部通過連接測桿與1個大直徑的圓盤連接。為保證軟基沉降位移全部傳遞到位移計上，圓盤直徑不小于20 cm。

圖2 光纖位移計安裝示意圖Fig.2 Installation of FBG displacement sensor

軟基發生沉降時，將帶動圓盤下沉。由于傳感器底端最終連接的是相對不動的注漿錨頭，因此，圓盤的下沉量即為軟基沉降量，該沉降量全部作用在光纖位移計上而被監測。

2 軟基監測與分析

2.1 工程概況

德昌高速為江西德興至南昌高速公路是規劃的江西省高速公路網的重要組成部分，也是國家高速公路杭州至瑞麗和上海至昆明高速公路之間的橫向地方加密高速公路。本次監測范圍為軟基施工現場D10標段；該標段0～3.5 m深度范圍內為粉質黏土，3.5～5.0 m深度內為淤泥質土，5.0～8.0 m深度內為粉質黏土，8.0 m深度以下為細砂、圓礫。軟基采用CFG樁處理。

2.2 監測系統

本次軟基沉降監測在研究斷面上共布置4個監測孔，分別監測路基總沉降以及3.5，5.0和8.0 m分層沉降，解調儀器選用美國MOI公司產的SI425?500型解調儀。該解調設備解調精度高，性能穩定，具有一定防潮、防塵能力，適合在惡劣環境下進行監測，解調波長范圍為1.52～1.57 μm，足以滿足本次WMD系統測試要求[16]。光纖傳感監測現場埋設示意圖見圖3，監測網絡參數見表1。

根據《公路路基施工技術規范》（JTGF 10—2006）要求，本次監測頻率原則是每填筑1層至少觀測1次；若2次填筑間隔時間較長，則每3 d至少觀測1次；路堤填筑完成后，半月觀測1次；由于光纖監測自動化程度高、現場取數容易，則在整個軟基填筑施工期（2010?01～2010?05）內，堅持每天讀取存儲數據1次。

圖3 軟基光纖傳感監測系統Fig.3 Monitoring system of soft soil foundation

表1 位移計參數Table 1 Parameters of displacement sensors

2.3 監測數據處理與分析

路基總沉降監測結果見圖4。從圖4可以看出：在整個路堤填筑施工期內，軟基沉降速率控制較好，不過在2010?01?19累計沉降較前一天增加13.86 mm，2010?03?13累計沉降較前一天增加10.86 mm，超出了路堤中心線地面沉降速率每晝夜不大于10 mm的控制標準，引起設計單位、建設單位和施工單位的高度重視，及時調整填土速度，使沉降速率得到控制，保證了地基穩定。

圖4 路基沉降監測成果Fig.4 Monitored results of soft ground settlement

圖5 路基分層沉降曲線Fig.5 Curves of layer soft ground settlement

圖5所示為各分層沉降和路基總沉降曲線。從圖5可以看出：分層沉降變化趨勢與路基總沉降變化趨勢基本一致，淤泥分層的沉降相對不大，表明采用CFG樁處理軟基效果較好。圖6所示為常規沉降板監測的沉降與光纖監測沉降的比較。從圖6可見：2種監測方式的沉降變化趨勢基本一致；但常規監測的沉降漂移較大。這可能是監測過程中人為及儀器誤差所致，而光纖監測的沉降沒有出現上、下反復漂移，誤差較少。

圖6 常規監測與光纖監測數據的比較Fig.6 Comparison of settlement between conventional and FBG monitoring

3 結論

（1） 本工程對路基的地表沉降進行了較完整的監測，掌握軟基在路堤填筑過程中的沉降變形情況，對指導施工、合理控制路堤填土速率、確保工程質量、實行信息化管理具有重要作用。

（2） 開發的大量程光纖位移計能滿足軟基沉降監測要求，與常規監測沉降相比可靠性高，并能實現軟基沉降的實時、在線、連續監測，實現了光纖傳感技術在軟基沉降監測領域的發展與應用。

[1] 魏廣慶, 施斌, 胡盛, 等. FBG在隧道施工監測中的應用及關鍵問題探討[J]. 巖土工程學報, 2009, 31（4）： 571?576.

WEI Guang-qing, SHI Bin, HU Sheng, et al. Several key problems in tunnel construction monitoring with FBG[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31（4）： 571?576.

[2] 胡寧. FBG應變傳感器在隧道長期健康監測中的應用[J]. 交通科技, 2009, 234（3）： 91?94.

HU Ning. Application of optical FBG sensors to long term health monitoring for tunnel[J]. Transportation Science & Technology, 2009, 234（3）： 91?94.

[3] 隋海波, 施斌, 張丹, 等. 邊坡工程分布式光纖監測技術研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27（2）： 3725?3731.

SUI Hai-bo, SHI bin, ZHANG Dan, et al. Study on distributed optical fiber sensor-based monitoring for slope engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27（2）： 3725?3731.

[4] 李煥強, 孫紅月, 劉永莉, 等. 光纖傳感技術在邊坡模型試驗中的應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27（8）： 1703?1708.

LI Huan-qiang, SUN Hong-yue, LIU Yong-li, et al. Application of optical fiber sensing technology to slope model test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27（8）： 1703?1708.

[5] 蔣卿. 分布式光纖傳感網絡在邊坡變形監測中的應用[J]. 安徽水利水電職業技術學院學報, 2008, 8（1）： 13?15.

JIANG Qing. The application of distributed optical fiber sensing net in slope monitoring[J]. Journal of Anhui Technical College of Water Resources and Hydrol Electric Power, 2008, 8（1）： 13?15.

[6] 徐衛軍, 侯建國, 李端有. 分布式光纖測溫系統在景洪電站大壩混凝土溫度監測中的應用研究[J]. 水力發電學報, 2007, 26（1）： 97?101.

XU Wei-jun, HOU Jian-guo, LI Duan-you. Application research on temperature monitoring in concrete of Jinghong hydropower station by distributed optical fiber temperature measurement system[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2007, 26（1）： 97?101.

[7] ZHANG Xu-she, DU Yan-liang, NING Chen-xiao. A new monitoring method of cable tension of cable-stayed bridge?fiber Bragg grating method[J]. Journal of Central South University of Technology, 2005, 12（2）： 261?263.

[8] WU Zhan-jun, ZHANG Bo-ming, WAN Li-bing, et al. Engineering approach to in-situ bridge health monitoring with fiber Bragg gratings[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2006, 13（5）： 588?594.

[9] 葛捷. 分布式布里淵光纖傳感技術在海堤沉降監測中的應用[J]. 巖土力學, 2009, 30（6）： 1856?1860.

GE Jie. Application of BOTDR to monitoring sea dyke subsidence[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30（6）： 1856?1860.

[10] 胡建華, 汪稔, 胡明鑒, 等. 多年凍土路堤水平排水板的作用機理與試驗研究[J]. 中南大學學報： 自然科學版, 2009, 40（5）： 1451?1456.

HU Jian-hua, WANG Ren, HU Ming-jian, et al. Test and mechanism of horizontal plastic drain in permafrost regions embankment[J]. Journal of Central South University： Science and Technology, 2009, 40（5）： 1451?1456.

[11] 喬迎欣, 黎劍華, 賀躍光. 光纖監測技術在土木工程中的應用現狀及展望[J]. 南昌工程學院學報, 2007, 26（1）： 13?18.

QIAO Ying-xin, LI Jian-hua, HE Yue-guang. Application and prospect of fiber optic monitoring technology in civil engineering[J]. Journal of Nanchang Institute of Technology, 2007, 26（1）： 13?18.

[12] 李宏男, 任亮. 結構健康監測光纖光柵傳感技術[M]. 北京：中國建筑工業出版社, 2008： 16?27.

LI Hong-nan, REN Liang. Structural health monitoring FBG sensing technology[M]. Beijing： China Architecture & Building Press, 2008： 16?27.

[13] 井浩宇, 張宇, 陳奇, 等. 光纖Bragg光柵溫度傳感的機理分析[J]. 長春理工大學學報： 自然科學版, 2009, 32（2）： 227?229.

JING Hao-yu, ZHANG Yu, CHEN Qi, et al. Mechanism analysis on fiber Bragg grating temperature sensing[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology： Natural Science Edition, 2009, 32（2）： 227?229.

[14] 閻石, 丁傲, 任亮. 光纖Bragg光柵溫度傳感器光學特性研究[J]. 沈陽建筑大學學報： 自然科學版, 2009, 25（2）： 250?254.

YAN Shi, DING Ao, REN Liang. Study on the optical charactertic of FBG temperature sensor[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University： Natural Science, 2009, 25（2）： 250?254.

[15] 于國慶, 韓興德, 李永偉. 光纖布拉格光柵（FBG）溫度傳感器增敏封裝技術[J]. 河北工業科技, 2009, 26（1）： 1?4.

YU Guo-qing, HAN Xing-de, LI Yong-wei. Packaging technique of enhancing temperature-sensitivity for fiber Bragg grating sensor[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2009, 26（1）： 1?4.

[16] 陳亮, 黃俊斌. 光纖布拉格光柵傳感器陣列實時解調方案的研究[J]. 艦船電子工程, 2008, 28（12）： 185?188.

CHEN Liang, HUANG Jun-bin. A real-time demodulation method of fiber Bragg grating sensor array[J]. Ship Electronic Engineering, 2008, 28（12）： 185?188.

（編輯 陳燦華）

Fiber Bragg grating monitoring technology applied in soft ground settlement of highway

LI Jian-hua1, ZHANG Hong1, LIU You-ping1, ZHOU Yuan-fang2, XIONG Mao-dong2
（1. Department of Civil Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China; 2. Jiangxi Highway Exploitation General Company, Nanchang 330038, China）

The fiber Bragg grating （FBG） technology was studied based on the current monitoring status of the highway soft ground settlement, such as the low degree of automation, the unsatisfied accuracy of the device, the slow data transmission and the greater measurement errors. The development of the long range optical fiber displacement sensor as well as its burying techniques which are suitable for soft ground settlement monitoring was analyzed. Both of them were applied in Dechang Highway D10 subject. The results show that the long-range optical fiber displacement sensor is able to meet the requirements of the soft ground monitoring. And data can be accurately monitored by means of real-time or on-line continuously.

fiber Bragg grating; monitoring of soft soil foundation; long-range optical fiber displacement sensor; burying technology

TU443

A

1672?7207（2011）05?1442?05

2010?08?10；

2010?10?28

國家自然科學基金資助項目（50969007）；江西省科技計劃項目（2010BGB01302）；江西省交通運輸廳重點科技項目（2010C00013，2010C00014）

黎劍華（1967?），男，江西南康人，博士，教授，從事巖土工程及光纖傳感監測技術等研究；電話：13979123448；E-mail： gdwjljh@163.com