光纖測試技術在護坡樁體深層水平位移監測中的應用

趙新 姜泉 馬宏毓

摘 要：與傳統檢測技術相比，光纖傳感可實現多點串聯甚至全分布式連續測點，具有長期穩定性好、無零漂、不受電磁干擾等優點，因此在很大程度上彌補了傳統監測技術的不足。結合實際基坑變形監測工程，通過與傳統的觀測方法獲取的數據進行對比分析，證明了該技術在基坑變形監測中的可行性和有效性。

關鍵詞：光纖測試技術;建筑基坑;變形監測

1 概述

在傳統的建筑基坑變形監測工程中，各種埋入式的巖土監測儀器，如測斜儀、伸長儀、沉降儀、傾斜儀等，通常采用的振弦式、電阻式、電感式等形式的傳感器，存在著精度低、耐久性差、易受環境影響、易受電磁干擾、成活率低等缺陷。與傳統檢測技術相比，光纖傳感可實現多點串聯甚至全分布式連續測點，具有長期穩定性好、無零漂、不受電磁干擾等優點，因此在很大程度上彌補了傳統監測技術的不足，從而在地基基礎工程檢測和監測中得到越來越廣泛的應用，作用越來越重要。因光纖光柵傳感器具有尺寸小、質量小、抗電磁干擾、防水防潮、耐腐蝕、動態響應快、靈敏度高、易實現多點及網絡化傳感等優點，已廣泛應用于科學研究和實際工程中，尤其是在應變測量領域得到了更為廣泛的應用。

2 分布式光纖感測技術在護坡樁體深層水平位移監測中的應用工作原理

在護坡樁鋼筋籠主筋上對稱綁扎固定一組對稱的應變感測光纜，并將光纜布設的截面方面垂直于基坑走向。通過分布式光纖應變檢測技術（BOTDR）即可探測到樁身不同方位的樁身應變分布，當樁身受側向土壓力作用而發生彎曲變形后，樁身的迎土面和背土面發生拉、壓應變，其拉壓應變可以通過預埋在其中的傳感光纖測得。

圖1 ?樁體水平變形受力示意圖

設ε1（z）和ε2（z）分別為對稱分布的兩條傳感光纖在深度z處的應變測試值，則軸向壓縮應變ε（z）和彎曲應變εm（z）值分別為：

εm（z）= （1）

ε（z）= （2）

樁身的彎曲應變大小與局部彎曲曲率成正比關系，根據彎曲應變及樁身形態參數可推算出樁身彎曲曲率：

εm（z）= ? ? ? ? ?（3）

樁在發生水平撓曲后，假設深埋的樁端不發生位移，樁身各埋深點水平向位移v（z）可表示為：

v（z）=dzdz+mz+n（4）

其中m、n為待定系數，根據樁體變形的邊界條件確定。在本次監測中邊界條件為：

v（z）z=0=0

v（z）z=26=0 ? ? ? ? ?（5）

對于護坡樁，H為樁長，εm（z）為對稱的兩條光纖在同一深度光纖應變測試之差，y（z）即為感測光纜到中性面的距離。從式（4）中將差異應變沿著樁身路徑兩次積分，再根據（5）式中的邊界條件，即可得到樁身的每一點水平變形位移量。

3 工程試驗及監測數據處理

3.1 工程概況

試驗基坑等級為一級，基坑支護采用護坡樁加錨桿的支護方式，開挖深度約21m，選擇了基坑南北側2個監測點同時采用測斜法與全分布式光纖感測技術進行了監測對比試驗。試驗選用了鋼繩式應變感測光纜（NZS-C05）。該光纜直徑為5.0mm，抗拉強度大于1400N，順直性好。試驗利用光纖應變分析儀，實現了對植入到護坡樁內光纖的應變解調，進而反向計算出護坡樁內部不同深度位置的變形位移、內力變化等大小。

3.2 數據處理

用EXCEL軟件打開各期對應光纜測線的應變數據文件，統一整合到一個EXCEL表格中。將整合的數據導入到ORIGIN軟件中，平通過測試數據對齊、有效測試數據截取、截取數據濾波平滑處理和光纖數據溫度補償處理4個步驟的處理后，根據上述理論方法，利用公式（1）～（5），先對平移后的光纜數據進行對稱處理，一一對應上樁身兩側，將對應的樁身數據進行兩兩做差處理。將處理好的數據，導入到ORIGIN中，結合ORIGIN軟件的特點進行運算即可得到，樁體深層水平位移量變化曲線（如下圖所示）。

圖2

4 試驗監測數據成果對比與綜合分析

4.1絕對位移量對比分析

①B1#點的各期次絕對位移量較差最大值分別為4.27mm、4.92mm、3.19mm、7.12mm，B2#點的各期次絕對位移量較差最大值分別為3.08mm、3.00mm、6.87mm、8.85mm，兩點的位移量最大較差均發生在最后一次，對應觀測日期2月25日，相對應的樁體位置為樁的頂部，時值春節后氣溫逐漸變暖、地表開始融化解凍，說明外界氣溫變化對分布式光纖（BOTDR）監測法采集的數據有較大影響，溫度應變引起的誤差較大，溫度補償計算模型還不夠準確。

②在兩個監測點共8次觀測成果中，各期次絕對位移量較差最大值≥5mm的有3次，占38%，較差最大值為3～5mm的有4次，占50%，較差最大值≤3mm的有1次，占12%;B1#點的各期次絕對位移量較差平均值分別為6.16mm、1.88mm、0.02mm、-0.60mm，B2#點的各期次絕對位移量較差平均值分別為1.03mm、-0.45mm、1.85mm、3.06mm，較差平均值≥5mm的有1次，占12%，較差平均值為3～5mm的有1次，占12%，較差平均值≤3mm的有6次，占76%，說明采用分布式光纖（BOTDR）法監測成果數據多數較為穩定，無異常跳動現象，大部分已接近于測斜法得到的單期次絕對位移量。

③按照誤差傳播定律理論，樁體深層水平位移監測得出的位移量均以護坡樁最底部端點作為穩定的基點進行計算得到，測斜法是以各期次每隔0.5m觀測讀取對應深度相對基點的偏移量并將相鄰期次偏移量求差值而得到每期次的位移量，因而相對樁底基點，樁頂部即測斜管管口位置應是測量最弱點，以測斜儀的標稱精度0.25mm/0.5m作為標準中誤差、樁長22.5m進行推算，樁頂部相對基點的偏移量測量中誤差為1.68mm，若以2倍測量中誤差（3.36mm）作為極限誤差，即可認為采用光纖（BOTDR）法得到的監測成果與測斜法較差≤3mm時，則可以接受。

4.2 相對位移量對比分析

對相對位移量較差數據進行簡單統計分析，同樣可以得出：B1#點的相鄰兩期次間的相對位移量較差最大值分別為5.10mm、4.28mm、3.93mm，較差平均值分別為-1.72mm、1.86mm、0.63mm;B2#點的相鄰兩期次間的相對位移量較差最大值分別為3.62mm、6.36mm、3.78mm，較差平均值分別為-1.49mm、2.30mm、1.21mm;兩點相對位移量較差最大值分別為5.10mm、6.36mm，較差平均值均已<3mm，由相對位移量的較差平均值再次驗證了分布式光纖（BOTDR）法監測成果數據大部分與測斜法相接近。

5 結語

由以上兩點采用不同監測方法得到的不同深度的絕對位移量和相鄰兩期次間的相對位移量比較結果可看出：少部分監測成果相差較大，測斜儀方法數據與光纖法測試數據存在一定偏差。原因主要有兩方面：兩種不同監測儀器測試得到數據本身具有系統性誤差，該誤差暫時無法消除，對測試結果造成影響;光纖法中光纖傳感器同時對樁身彎曲變形和環境溫度同時感應敏感，而布設安裝的溫度補償光纖同時受到溫度和較小的彎曲應變影響，并未能發揮良好的溫度補償效應。在對光纖數據進行處理時，以上兩部分誤差無法消除，造成了計算得到的樁身位移曲線與測斜儀方法測試得到位移數據存在較大偏差。

盡管溫度變化對光纖BOTDR法監測有較大的影響，但也有測斜法所不具備的優勢，如光纖BOTDR法監測采集的數據密度大、不受光纖長度限制、易實現網絡在線自動化監測等，在許多監測領域都值得探索運用，特別是超高層建筑結構的后期健康安全監測、大型水利設施安全監測、山體滑坡、大面積沉陷區域變形等工程中進行嘗試，同時采用多種監測手段互相進行驗證。

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作者簡介：趙新，1981年生于遼寧大連，工程師，從事測繪工程工作。