光纖傳感技術在巖土與地質(zhì)工程中的應用效果研究

摘 要 近年來，為提升巖土與地質(zhì)工程的施工質(zhì)量，光纖傳感技術被應用于混凝土結(jié)構(gòu)健康、樁基工程、基坑、邊坡、溫度場、土體變形等工程監(jiān)測工作中，并取得了較好的效果，同時也為工程布設、監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)等提供了有力的技術支持，本文就該技術在巖土與地質(zhì)工程中的應用效果進行了觀察、分析，并對該技術在巖土與地質(zhì)工程中的未來發(fā)展進行了展望。

關鍵詞 分布式光纖傳感技術；巖土工程；地質(zhì)工程；研究進展

快速發(fā)展的社會經(jīng)濟使我的國基礎工程迅速崛起，大量高速公路、地鐵、隧道項目在各大城市如火如荼地建立起來，由此帶來了對工程設施安全使用的更高要求。為了保證這些基礎工程的安全性，相應的健康評估與安全監(jiān)測是必不可少的，光纖傳感技術正是在這一背景下，被廣泛應用于巖土與地質(zhì)工程中的。

20世紀末，光纖傳感技術作為一種新型工程安全監(jiān)測技術正式面市，與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術和手段不同，該技術以光纖為傳感介質(zhì)和傳輸通道，使監(jiān)測范圍拓展到了空間上的連續(xù)作業(yè)。由于采用了具有強大功能的光纖材料，光纖傳感技術可以在布入被測對象后與其快速變形協(xié)調(diào)，并達到一次測量即可獲得整個光纖應變或溫度的一維分布圖，如該技術的光纖以網(wǎng)狀分布于被測對象時，即可獲得多維的應變、溫度分布數(shù)據(jù)，同時還具有高靈敏度、抗電磁干擾、電絕緣性好、耐久性好等特點，因此可以對工程結(jié)構(gòu)的受力變形分布情況進行快速、全面、有效的監(jiān)測，光纖傳感技術一經(jīng)推出，就在巖土與地質(zhì)工程中得到了廣泛應用，尤其是在設施應力、應變、位移等監(jiān)測中，細分出了包括光纖布喇格光柵技術FBG、拉曼光時域反射分析技術ROTDR、受激布里淵光時域散射分析技術BOTDA等在內(nèi)的多種技術，為混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、樁基工程及基坑監(jiān)測、邊坡監(jiān)測、土體變形監(jiān)測以及工程布設和溫度補償方法方面做出較大貢獻。

1 混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

在巖土與地質(zhì)工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承受著建筑物的主要重量，而使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有如此大承受力的原因是其中的鋼筋結(jié)構(gòu)。當混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫使鋼筋暴露如外部環(huán)境，出現(xiàn)銹蝕等現(xiàn)象后，即可對整個混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞作用，因此針對混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測一直是相關監(jiān)測中的重點。光纖傳感技術在被應用于混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的時間并不長，根據(jù)其應用情況，在處理鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫和銹蝕監(jiān)測中僅僅只能在室內(nèi)試驗中進行，且對裂縫和銹蝕的識別存在較大缺陷，只能作定性評價，而不能做定量評價，在應用過程中還會因為鋼筋銹蝕影響到光纖和鋼筋的變形協(xié)調(diào)，因此在實際應用中還處于試驗階段，沒有形成成熟的監(jiān)測工藝[1]。

2 樁基工程及基坑監(jiān)測

樁基工程在巖土與地質(zhì)工程中起到承載上部結(jié)構(gòu)工程的重要作用，樁基的強度出現(xiàn)問題，其承載能力就會受到影響，如出現(xiàn)壓縮變形等現(xiàn)象，則會對工程上部結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成威脅。長時間的實際應用發(fā)現(xiàn)，采用點式傳感器等傳統(tǒng)方式對樁基工程進行安全性監(jiān)測雖然有一定的效果，但是無法全面監(jiān)測和反映樁基的受力和變形情況，這就使得監(jiān)測的效果大打折扣，對于工程安全性的保障不足。而光纖傳感技術可以對樁身應變進行全面監(jiān)測，因此其應用前景被業(yè)界人士一致看好。目前，光纖傳感技術的BOTDR技術利用先進的光纖埋設方法，在鉆孔灌注樁、PHC樁、預制樁的軸力分布、側(cè)摩阻力分布和樁身損傷的監(jiān)測識別中表現(xiàn)出了良好的效果，就該技術在實際應用中的數(shù)據(jù)處理方法來看，其監(jiān)測面更廣、監(jiān)測效果更有效。在混凝土管樁的水平靜載荷試驗中，F(xiàn)BG傳感技術的應用取得了良好效果，證實了相關技術在傳感器埋設工藝方面優(yōu)于傳統(tǒng)方式，可達到90%以上的傳感器存活率，且獲取的數(shù)據(jù)在可靠性和精度方面都能夠達到工程監(jiān)測要求。在獲取抗滑樁內(nèi)力分布數(shù)據(jù)時，采用在抗滑樁上布置光纖傳感器的方法，應用BOTDR監(jiān)測技術，可以對抗滑樁的工作狀態(tài)實現(xiàn)從樁體澆注完成到滑坡推力作用的整個過程的應變監(jiān)測，從而體現(xiàn)出了光纖傳感技術在對樁基受力和變形情況的跟蹤監(jiān)測中明顯好于傳統(tǒng)監(jiān)測技術的優(yōu)勢。

在巖土與地質(zhì)工程的施工過程中，最容易對工程自身穩(wěn)定度及周邊建筑物產(chǎn)生影響的施工環(huán)節(jié)就是基坑工程開挖，因此在施工過程中需要對基坑開挖的全過程進行嚴密監(jiān)控，避免因操作不得當而使基坑施工質(zhì)量下降。在對基坑的監(jiān)測中深部土體的位移監(jiān)測是重中之重，采用布里淵光時域反射計BOTDR 技術將傳感光纖以特殊工藝放置于測斜管上并埋入土體中，通過實測傳感光纖的應變分布實現(xiàn)對深部土體的實時監(jiān)測，第一時間獲取土體水平位移的數(shù)據(jù)。再將安裝了分布式傳感光纖的H型鋼建成基坑工程圍護結(jié)構(gòu)，就可利用其遠程實時分布式測量、溫度自補償?shù)裙δ軐ε艠兜淖冃吻闆r進行監(jiān)測。目前，BOTDR光纖傳感技術已就在樁基工程及基坑監(jiān)測中的傳感器的安裝和數(shù)據(jù)處理、溫度補償提出了詳細的操作方法，在監(jiān)測結(jié)果方面表現(xiàn)出了比FREW軟件模擬分析更高的吻合度，但是在實際操作中還存在諸如傳感光纖的布設、傳感器的封裝、運行期間的維護等難以解決的問題，這是相關技術需要攻克的難題[2]。

3 邊坡監(jiān)測

邊坡監(jiān)測是巖土與地質(zhì)工程中預防因強降雨、水位變化、地震等因素引發(fā)的滑坡、泥石流等地質(zhì)災害對周邊公路、住宅、水利設施等造成安全性影響的重要措施。在實際施工中，基于光纖傳感技術的光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)在對邊坡的長期監(jiān)測中已具備了實時監(jiān)測和有效預警的功能，但光纖傳感BOTDR技術的監(jiān)測效果會因傳感器的分布工藝不同而受影響，比如將傳感器埋入土工織布中對邊坡形變穩(wěn)定性進行監(jiān)測就會存在光纖與土體的變形協(xié)調(diào)性不高問題，而采用在錨桿和框梁安裝光纖直接埋入土體中的工藝，則會顯現(xiàn)出更好的監(jiān)測效果[3]。

4 土體變形監(jiān)測

針對巖土與地質(zhì)工程的土體變形監(jiān)測一直是光纖傳感技術難以攻克的難題。目前比較有效的方法是根據(jù)不同層位的失水壓縮變形規(guī)律，將18個光纖傳感器埋入第四系松散地層段中合理的立井井壁破壞監(jiān)測層位，結(jié)合地層應變與水位變化的關系，以高精度的FBG傳感技術對土體變形情況進行實時監(jiān)測，已成功揭示了膨脹土失水致裂機理和膨脹土裂隙性特征[4]。

5 工程布設和溫度補償方法

光纖傳感技術在應用于巖土與地質(zhì)工程的安全監(jiān)測時，為保證監(jiān)測效果，需要結(jié)合工程實際情況確定科學的布設方法和溫度補償。在對灌注樁情況進行監(jiān)測時，可在主筋側(cè)面以一一對稱的方式固定光纖，這樣更便于對兩組數(shù)據(jù)進行對比，同時也可更好的檢測出加載時出現(xiàn)的偏壓。另外，在鋪設光纖時，應盡可能保證光纖挺直，并對接頭處采取保護措施。保證鋼筋與光纖的變形協(xié)調(diào)性的有效方法是利用特種膠水或接頭固定光纖，并將裸露在外的光纖套上保護用的波紋管。針對預制樁的監(jiān)測，需在樁身上用切割工具按設計方案和光纖的具體尺寸開槽，將光纖放入槽內(nèi)定點固定，再用高強膠劑填充，使光纖得到保護。遇到上下樁對接的情況，應保證光纖也做好對接，同時加強對光纖的保護，并將多余的光纖包裹上特殊的保護層后打入其中。樁接頭處和樁頭外露的光纖應進行重點保護，以防止其因擠壓、撞擊或電焊火花的影響而失去監(jiān)測功能。

6 光纖傳感技術在巖土與地質(zhì)工程中的應用前景分析

就目前光纖傳感技術在巖土與地質(zhì)工程中的應用情況來看，已取得了多項研究成果，并獲得了較好的監(jiān)測成績。但其中還存在一些問題，如針對設備研發(fā)中光纖傳感器的封裝、研制、溫度補償?shù)冗€需提高，同時加強設備的數(shù)據(jù)采集能力，是確保光纖傳感技術未來健康發(fā)展的基礎。另外，如何加強傳感光纖與工程巖土體的協(xié)調(diào)變形、匹配和耦合，一直是制約該技術在巖土與地質(zhì)工程中應用推廣的重要障礙，需在未來的研究中加以重視。在實際的監(jiān)測過程中，光纖傳感技術在識別異常數(shù)據(jù)以及分析挖掘數(shù)據(jù)處理方法和手段方面還存在欠缺，需要進一步完善。這些光纖傳感技術在巖土與地質(zhì)工程中的應用技術問題，是相關研究人員需要繼續(xù)努力的方向。

參考文獻

[1] 杜柯.巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術研究進展[J].世界有色金屬，2017，（01）：66，68.

[2] 吳軍玲.光纖傳感技術的應用進展[J].甘肅科技縱橫，2017，46（07）：

7-10.

[3] 柴敬，張丁丁，李毅.光纖傳感技術在巖土與地質(zhì)工程中的應用研究進展[J].建筑科學與工程學報，2015，32（03）：28-37.

[4] 高磊，陳暉東，余湘娟，等.巖土與地質(zhì)工程中分布式光纖傳感技術研究進展[J].水利水運工程學報，2013，（02）：93-99.

作者簡介

周裕強（1971-），男，漢族，重慶永川人， 本科學歷，研究方向：礦山巖土。