基于光纤光栅技术的坑底隆起监测装置与应用初探.docx

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1、基于光纤光栅技术的坑底隆起监测装置与应用初探谢渊洁I,徐宇I,师文豪2收稿日期：作者简介：谢渊洁（1985），男（汉族），江苏无锡人，硕士，通讯作者：师文豪（1988），男（汉族），河南洛阳人，博士 基金项目：江苏省自然科学青年基金项目（BK）,刘凯文2,马飞2（1昆山市建设工程质量检测中心，江苏苏州215300,2苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215000）摘要：基坑开挖过程中实时监测坑底隆起量对于掌握基坑隆起特征，指导基坑安全施工具有重要实际意义。基于光纤光栅感测技术，根据光线光栅位移计拉杆式的工作特点，研制了一套坑底隆起变形监测装置,通过拉杆传动原理将土体隆起变形转换为光纤光栅位移计

2、的拉伸变形实现隆起量监测，基坑工程现场监测结果与传统基坑回弹监测结果基本吻合。该装置能够实现远程操作监测，监测频率高，测量速度快，为坑底隆起自动化智能监测提供了设备条件。关键词：光纤光栅，坑底隆起，拉伸变形，监测中图分类号：TU433文献标识码：APre1iminarystudyonthemonitoringdeviceforpitbottomheavebasedonfiberBragggratingtechno1ogyanditsapp1icationXieYuanjie1,XuYu1ShiWenhao2*1iuKaiwen2,MaFei2（1.KunshanConstructionEngi

3、neeringQua1ityInspectionCenter,Suzhou215300,China；2Schoo1ofCivi1Engineering,SuzhouUniversityofScienceandTechno1ogySuzhou215000,China）Abstract：Intheprocessoffoundationpitexcavation,itisofgreatpractica1significancetomonitorthebasa1heavesoffoundationpitinrea1timeforc1arifyingtheheavecharacteristicsoffo

4、undationpitandguidingitssafeconstruction.BasedonthefiberBragggratingtechno1ogyandthepu111everworkingcharacteristicsofthefiberBragggratingdisp1acementmeter,adeviceisdeve1opedformonitoringthebasa1heavesoffoundationpit.Thedeformationofsoi1heaveistransformedintothetensi1edeformationoffiberBragggratingdi

5、sp1acementmeterbythedriveprincip1eofpu11rod.Themonitoringresu1tsoffoundationpitarebasica11yconsistentwiththetraditiona1monitoringresu1tsoffoundationpitrebound.Thedevicecanrea1izeremoteoperationandmonitoring,withhighmonitoringfrequencyandfastmeasuringspeed,whichprovidesequipmentconditionsforautomatic

6、inte11igentmonitoringofthebottomheave.Keywords：FiberBragggrating,Basa1heaves,Tensi1edeformation,Monitoring八n,土料并及时分析预警，对于指导基坑工程安全施工具基坑开挖过程中坑底土体上覆压力卸除及负孔隙水压力消散导致的吸水膨胀与软化等原因都会引起坑底隆起。当场地土质松软、基坑开挖深度较大时，更容易产生坑底隆起现象。坑底隆起不仅会引起基坑工程本身的质量安全问题，也会对附近构（建）筑物产生不利影响，更严重时会引起周边地面塌陷，引发基坑坍塌事故。现场监测坑底隆起量作为基坑施工的重要环节，通过监测获

7、取第一手资有重要的实际意义。坑底隆起量受基坑尺寸、地质情况、基坑暴露时间、周边环境以及施工质量等多方面因素影响。基坑工程变形监测是确保基坑施工安全和质量的重要环节。厉风等网结合哈尔滨市清真寺地铁车站深基坑的工程实例，基于监测数据综合分析了基底隆起的原因和规律，并提出了一些处理措施，有效控制了基坑隆起变形。学者们针对基坑隆起变形特征提出了一些隆起监测手段，如分层垂直位移监测高级工程师。讲师，Emai1：.系统，水准测量系统，三维激光扫描仪监测系统，超声波传感器在线监测系统等，其中采用回弹监测标和深层沉降标两种监测装置在目前基坑隆起监测实践中较为常用。田志杰等图提出采用埋设临时立柱，以临时立柱顶端

8、的沉降代替基坑回弹值，利用全站仪测量深大基坑回弹量的间接测量方法。喻军等基于杭州地区海量的基坑监测数据，通过统计分析，得到了基坑支护结构与地面沉降和坑底隆起的关系。叶俊能等提出了一种基于压差传感技术的坑底隆起监测方法，通过测点处的液面变化来反映竖向位移，并应用于以宁波轨道交通3号线一期工程高塘桥站基坑工程监测。这些监测方法各有所长，用于基坑隆起变形监测能够满足监测要求，但是对于一些变形控制严格、条件特殊、随时间变化复杂的基坑工程，利用传统监测方式监测频率相对较低，难以获取基坑底部土体隆起变化的全过程规律，坑底隆起监测连续性相对不足。当基坑施工到一定深度或出现险情时，需要提高观测频率至12次d,

9、甚至连续观测。光纤光栅感测具有较好的监测效率，已广泛应用于水利地质工程、土木工程、航空航天等领域【叫陈卫南将光纤应变监测技术应用于基坑围护结构深层水平位移监测，取得了较好的测试效果。刘凯文等I采用密集分布式光纤光栅感测技术应用于坑底隆起监测，并与中心立柱桩变形和上部结构沉降监测对比验证。本文将光纤光栅技术应用于坑底隆起监测，以获取基坑开挖时基坑底部土体变形全过程的空间效应信息，为坑底隆起智能监测提供参考。1光纤光栅技术原理光纤布拉格光栅(FBG)相当于一种带通滤波器,满足布拉格反射条件的入射光在FBG处产生反射，其余波长的光则不受影响，可以完全通过，形成反射和透射2种光谱,彼此互补。反射光谱在

10、FBG波长中心位置出现峰值，其工作原理如图1所示。(a)入射光反射原理图1FBG工作原理示意图Fig.1Schematicdiagramofworkingprincip1eFBG的中心波长而应满足条件为：%=2cff(1)式中：“err为光纤芯区的有效折射率，A为FBG的栅距。当光栅受到应变、温度等环境因素影响时，栅距和有效折射率均会随之变化，从而使反射光谱中FBG中心波长发生漂移,波长的变化量Ab与应变、温度的关系可表示为：b/b=(1-,)6r+(+)7,(2)式中：为FBG中心波长的变化量，儿为有效光弹系数，为光纤轴向应变，AT为温度变化量，为光纤的热膨胀系数，J为光纤的热光系数。在实际

11、监测中，通过补偿光栅法可以剔除温度变化对中心波长变化的干扰，得到波长变化量与应变的对应关系，然后根据式(3)进行换算可得到监测的位移变化量D：(t)=Pf-P10O=KJ4(/)_(匕(，)式中：KP和K分别为比例系数和温度补偿系数，均可通过光纤拉伸试验进行标定，P”此分别为位移光栅测量的波长值和初始波长值，巴、州分别为温度补偿光栅测量的波长值和初始波长值。2坑底隆起变形FBG监测装置2.1装置构成坑底隆起FBG监测装置由三部分构成,分别为位移测量传感器、无线光纤光栅解调仪和数据分析系统。其中位移测量传感器是由隆起测量管和连接管两部分组合而成，测量管主要用于应变的光纤光栅电信息采集，内部结构相

12、对复杂，包括光纤光栅位移计、隆起测量环、拉杆、横杆、套管和条形孔等，光纤光栅位移计属于拉杆式位移计，将光纤光栅位移计封装后和一根弹簧串联，并用套管进行保护。坑底隆起FBG监测装置示意图如图2所示。监测时所用的横杆则是从连接头中空的部分穿过去,架设在隆起测量管两侧事先开好的条形孔中。将隆起测量环从隆起测量管底部穿过至条形孔处，用扎带将隆起测量环与横杆绑扎紧。最后用玻璃胶或电工胶布对光纤光栅位移计进行密封处理，防止光纤光栅位移计在钻孔埋设后接触到地下水。在光纤光栅位移计、拉杆和横杆的外表面上均设有防腐涂层，在长期地下环境的使用过程中，能够防止受到腐蚀作用,保证监测装置在使用过程中的稳定性。图2坑底

13、隆起FBG监测装置示意图Fig.2SchematicdiagramofFBGmonitoringdeviceIbrpitbottomheave2.2监测原理测量管的外壁套设有测量环，内部设置有光纤光栅位移计，测量管上部开设有两个对称的竖向条形孔，设置有一贯穿两个条形孔的横杆，横杆两侧与测量环固定连接,两者一起可沿条形孔上下滑动。光纤光栅位移计与测量环之间通过拉杆和横杆连接，当坑底隆起变形产生后，监测装置内的测量环将会随着土体变形在测量管纵向方向滑动，带动拉杆拉动光纤光栅位移计采集监测环的位移信号，监测坑底隆起变形量。装置中的横杆一方面用于固定测量环，使其能够沿条形孔在测量管外滑动，另一方面确保

14、了测量环两侧同步升降，不会出现倾斜和转动的情况。光纤光栅位移计通过5mm铠装引线光缆与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅位移计将隆起信号传输至光纤光栅解调仪，解调波长信息，进一步通过数据处理系统将其转换为监测土体的隆起位移值。光纤光栅解调仪为无线光纤光栅解调仪，数据分析系统可远程操控光纤光栅解调仪，能够远程操作监测，测量速度快，直观显示，能够实现自动化监测。2.3安装环境要求首先在需要测量的地基上钻孔至预定深度后，进行清水换浆形成测量孔。然后需向测孔底回填2040cm的水泥砂浆，再将底端封闭的连接管放入测量孔中，并使其底端插入水泥砂浆中。连接管居中设在测量孔内，向测量孔与连接管之间的间隙中进行缓慢回

15、填，并使回填物料之间没有空隙，以利于隆起监测环更好地随着土层垂向变化而上下移动，填满后即可测量基坑开挖土体隆起量。装置埋设时，装置上部结构略低于基坑底部设计标高处地面，在上面覆盖土并压实，以保证与周围土体运动一致。埋设点位一般选择在靠近降水井或格构柱附近，连接管随土体开挖进行加固处理，每2m一个点与降水井或格构柱固定，保证连接管不受施工干扰，始终处于垂直状态。在测斜管内可设置有多段隆起测量管，通过多段隆起测量管能够对不同层的土体进行监测。3光纤光栅位移计拉伸标定实验为了检验光栅光纤位移计在受拉条件下测量变形的准确性，开展光纤光栅位移计拉伸标定实验，同时采用两种不同外径的应变光缆辅助测量进行对比

16、验证，0.9mm和2mm的光缆分布式粘贴在光纤光栅位移计两侧表面，并在端部进行熔接串联。光纤光栅位移计与拉杆连接后固定在实验台上，并将一端用夹具固定不动，另一端自由，通过拉动拉杆进行变形控制，如图3所示。试验过程共分20级对拉杆进行拉伸，每级拉伸5mm,每次拉伸稳定后再进行测量，采用三次测量取平均值进行实验。光纤光栅位移计0.9mm应变光缆(a)分布式应变光缆示意图(b)拉伸试验平台图3光纤光栅位移计拉伸实验Fig.3Tensi1eexperimentoffiberGratingdisp1acementmeter图4给出了光纤光栅位移计拉伸标定实验曲线。由图4(a)可知，当拉伸小于25mm时，0.9mm和2.0mm两种分布式光缆在测量区间范围内的应变