FBG監測儀在機場高填方分層沉降監測中的應用

孫 凱 強

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

隨著我國基礎工程的快速發展，在高速公路建設、機場修建、軟土地基加固和水電工程建造中，常常需要大量的填筑土，因此，填筑土沉降變形問題一直是工程技術人員和研究人員所重視的問題。不同土的填筑質量，其沉降穩定的時間也不同；土的填筑質量不高，也極易產生差異沉降，對工程安全使用產生影響[1]。要在時間和空間上對填方土體的沉降與差異沉降做出準確可靠的評價，填方施工過程中、竣工后的原位沉降監測資料十分重要。

分層沉降觀測可測定地基內部各分層土的沉降量、沉降速率以及有效壓縮層的厚度[2]。通過對填筑土分層沉降的監測研究，可以達到以下目的：

1)根據填筑土層的沉降監測，可研究填筑土的壓縮固結過程。

2)通過長期監測填筑土層的沉降情況，可以研究、獲得填筑土的變形規律，預測填筑土的沉降和差異沉降，為沉降預報提供數據資料。

3)通過獲得的填筑土層的監測結果，可以對設計參數進行檢驗，為相關填筑土方的工程設計、施工和控制提供科學依據[3]。

目前，填筑土的沉降變形監測主要包括：分層沉降標、單點沉降計、電磁式沉降儀、水管式沉降儀等。總體而言，目前填筑土沉降變形儀器和方法，存在四個方面的問題：一是需要較長的傳遞桿將深部的豎向變形量傳至地表，傳遞桿本身存在著壓桿穩定、扭曲變形、熱脹冷縮等問題，都有可能引起監測數據的失真；二是需要監測的測點較多時，所需的傳感桿也隨著增多，鉆孔孔徑也越大，其施工成本和施工難度都隨之增大；三是傳感器的數量受到限制，一般情況下只能4個～5個點位置的位移進行測量，獲得的數據難以判斷實際變形發生的準確位置；四是監測中以最底部點的測值為基準點，一旦該測點失去作用，則其他測點均無法從相對位移換算到絕對位移。

2 填筑土分層沉降光纖監測技術

2.1 分層沉降光纖監測技術基本原理

光纖沉降監測系統是利用光纖的紫外敏感特性，在光纖的一定長度內，采用蝕刻技術，沿光纖軸向使纖芯折射率發生周期性變化，形成芯內光柵(FBG)。當一束光注入光纖，滿足光纖布拉格條件就會產生有效的反射，反射光的峰值波長稱為布拉格波長，該反射光的中心波長與光柵所受的軸向應變和溫度呈線性關系[4]，即:

其中，λB為光柵初始中心波長；ΔλB為光纖光柵中心波長的漂移量，pm；ε，ΔT分別為光柵所受的應變、溫度變化量；Kε,KT分別為光纖光柵的應變、溫度標定系數，其值約為0.87和6.67×10-6/℃，設定實驗中溫度恒定。

當光纖光柵產生軸向應變時，將改變光纖光柵傳感器的工作波長，即光纖光柵的反射波長將發生變化。因此，通過測量埋入結構中或者粘貼在結構表面的光纖光柵的反射光波長的變化即可得知該點結構的應變變化[5]。利用光纖光柵對應變敏感的特性，將刻寫好的光纖光柵經換能裝置封裝成光纖光柵位移計。在室內對光纖光柵位移計進行標定實驗，可以得到光纖光柵位移計波長與位移的率定線性關系。根據測試得到的光纖光柵位移計波長和波長位移率定關系，就可以計算出光纖光柵位移計的位移量。在填筑土分層沉降監測中，安裝光纖分層沉降監測儀與周圍土體同步耦合變形，利用預拉伸位移計的壓縮變形即可獲得填筑土的分層和整體沉降變形量。

2.2 監測儀結構與構造

填筑土分層沉降光纖監測技術由光纖分層沉降監測儀和光纖光柵解調儀組成。

圖1為根據填筑土沉降特點研制的光纖分層沉降監測儀。圖1中1為外成孔剛性保護管，可以臨時隔離外部的填筑土，制作位移計的安裝孔；2為監測儀傳感核心——光纖光柵位移傳感器，安裝前必須預拉伸，用于測量沉降的變形壓縮量；3為位移計安裝支座，用于套接成孔外保護管，便于位移計安裝和光纖出線；4為高強彈簧，為監測儀與土體沉降變形預留壓縮空間；5為彈簧保護管，隔離周圍土體，避免彈簧受土體影響而無法壓縮；6為位移計保護管，隔離土體，避免進入位移計內；7為位移計安裝管，用于固定位移計；8為安裝剛性底座，可以適當增大與周圍土體的接觸面積，形成上下底板間壓縮變形的空間；9為光纖引出傳輸線的保護管，用于光纖出線保護；10為光纖引線，用于位移計測量光纖引線。

2.3 性能指標

填筑土分層沉降分布式光纖監測技術，可根據監測要求，分為若干個監測單元，每個監測單元測量標距為2.5 m～3 m。每個監測單元安裝有一個光纖光柵位移計，其測試量程為150 mm，測量精度為0.15 mm，光柵中心波長為1 525 nm～1 565 nm，波長反射率不小于90%。

3 現場試驗

3.1 試驗概況

試驗點位于某建設中的國內機場，機場所在的場地工程地質條件十分復雜，存在大量的高填深挖，開展地基處理及高填土沉降變形監測十分必要。在機場場地內選擇高填方強夯場地作為試驗場地。在高填筑土內安裝了分層沉降分布式光纖監測儀，用于監測高填方土施工期的沉降變形情況。光纖監測點位置如圖2所示。

3.2 光纖監測方案

光纖分層沉降監測儀分為10個監測單元，每個監測單元測量標距為3 m，最終實現約30 m深度填筑土沉降變形測量。在每層填土內埋入光纖光柵(FBG)位移計，測量每層上下頂底面間的相對位移來監測土層的壓縮變形。每個位移計均采用水平引線方式，引出坡體前緣擋土墻臨空面處進行監測。通過監測每一分層的壓縮量來計算各深度沉降值。光纖監測方案見圖3。

分層沉降分布式光纖監測儀埋入到填土內后，當土體發生沉降壓縮時，位移計安裝支座方形翼板受土的重力作用壓縮底部彈簧，向下運動；預拉伸的位移計收縮變形，發生位移變化，從而實現填筑土的壓縮變形測量。

3.3 傳感器布設安裝

1)傳感器安裝：在安裝固定底板之前,使用自攻螺絲將光纖光柵位移計固定鎖死在固定底座的位移計固定管內。

2)底座安裝：在預填夯實的土體表面開個小坑，將底座放入坑內，利用水準尺進行水準整平。向坑內澆筑水泥，與土體表面膠結固定。最好將底板澆筑在基巖上，可監測基巖與填筑土之間的土體壓縮量。

3)預埋管件：填土過程中，采用一鋼管樹立在地層，并隨著填土增高而向上拔管，為后期傳感器安裝提供通道空間。預埋管件底部先用土壓實，豎直在土層中，在周圍填土。

4)內保護管安裝：待外部管件固定完畢后，將一根3 m長的內保護管(鍍鋅管)插入到外管件內部，套在位移計安裝管外部。將位移計頭部光纖引線和鋼索從內保護管引出，隔離土體與鋼繩，保護鋼繩和位移計頭部光纖引線。在外部管件和內保護管之間，回填松散細砂，固定內保護管。

5)上底板安裝：待填土高度達到2.8 m～3.2 m位置時，將外管件全部拔開。將強力彈簧放入到安裝支座的彈簧保護管內，扣入到內保護管頭上。將下位移計頭部光纖引線從上安裝支座側邊開孔引出。將與下位移計連接固定的鋼繩從上安裝底板鎖繩孔穿出，用力拉伸鋼繩將光纖光柵位移計拉至滿量程，采用鋼繩自鎖件將鋼繩鎖死固定。然后向安裝底板坑內填筑土體，并夯實。

6)循環操作：隨著填土填筑增高，循環步驟1)～5)，完成其他層位深度處的光纖位移計安裝。

7)集成與監測：引線引出墻體后采用通訊光纜一直連接至方便操作的平臺集中測試。光纖光柵位移沉降監測采用便攜式每天定時采集或建造一監測房實時采集并無線發送至遠程數據中心。

3.4 監測數據采集

本次試驗自2015年4月19日開始進入施工現場進行光纖傳感器布設安裝。開始布設安裝位移計時，高填方邊坡已填筑一定厚度土體。截至7月11日，已完成10個光纖位移計的布設安裝，總計填土高度約為29 m，填土底部記為0 m位置，填土頂部位置記為29 m。其中第9個位移計監測層位厚度為2.5 m、第10個位移計監測層位厚度為2.0 m，最上部位移計蓋板上覆填土約為0.5 m。5月9日開始對所布設的光纖位移計進行監測。

圖4為2015年5月12日～8月10日，分層沉降分布式光纖監測儀采集的沉降變形數據。

3.5 監測數據分析

1)填筑土分層沉降分布式光纖監測儀，能很好地監測到各層土的沉降變形過程和累計沉降變形量，大部分土層呈現出填筑土典型的壓密沉降三階段這一規律。

2)施工機械夯實和降雨會顯著影響填筑土的沉降變形，其中降雨對填筑土的累計沉降變形量影響十分顯著。

3)由于每一監測分層的起始變形監測時間點難統一，因此起始快速沉降變形段的變形累計量各分層監測數據大小不一，也影響到了至監測日累計沉降變形量的數值，建議在分析各個分層沉降量時，剔除起始快速沉降變形段的沉降量進行分析。從目前監測到的該填土邊坡總沉降量為203.5 mm。

4 結論與建議

1)針對填筑土沉降變形特點，研制出了準分布式的填筑土分層沉降光纖監測儀，實現了填筑土分層沉降變形的監測，現場試驗表明，該技術能很好地監測到各層土的沉降變形過程和累計沉降變形量，大部分土層呈現出填筑土典型的壓密沉降三階段這一規律。

2)填筑土分層沉降光纖監測儀，應用了基于布拉格光柵原理的準分布式光纖傳感技術，它具有測距長，準分布式、多層位數據采集，環境兼容性強和使用壽命長等特點，彌補了傳統監測手段的不足，為研究填筑土內部分層變形及掌握變形速率提供了十分先進的監測手段。

3)由于每一監測分層的起始變形監測時間點難于統一，因此起始快速沉降變形段的變形累計量各分層監測數據大小不一，也影響到了至監測日累計沉降變形量的數值，建議在分析各個分層沉降量時，剔除起始快速沉降變形段的沉降量進行分析。

4)填筑土分層變形監測系統在施工及監測過程中成活率高，施工工藝簡單、便捷，在填筑土監測項目中適應性較強，獲得的監測數據可靠精確，市場推廣應用潛力巨大。