FBG傳感器在PHC管樁豎向靜載試驗中的應用

辛 建， 劉志強,2， 韓高彬

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070;2.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000;3.中國水電基礎局有限公司 科研設計院，天津 301700)

FBG傳感器在PHC管樁豎向靜載試驗中的應用

辛 建1， 劉志強1,2， 韓高彬3

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070;2.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000;3.中國水電基礎局有限公司 科研設計院，天津 301700)

根據目前FBG傳感器在混凝土管樁中的應用現狀，介紹了FBG傳感器的數據處理原理，針對試驗中最易發生破壞的環節，提出了一種可靠的FBG傳感器埋設工藝，結合現場PHC管樁豎向靜載試驗，將試驗數據與傳統電阻應變片測試技術相比。試驗結果表明：FBG傳感器存活率高達97.06 %，測試數據可靠，測試精度滿足工程要求，FBG傳感器完全可以應用到PHC管樁豎向靜載試驗中。

FBG傳感器； PHC管樁； 豎向靜載試驗； 埋設工藝

0 引 言

在工程應變測量技術中,電阻應變片是一種傳統的獲取應變實驗數據的方法。電阻應變片因其價格便宜、技術成熟及反應速度快等優點,在實驗測試中得到了廣泛的應用。但是,電阻應變片易受環境(如電磁場、溫度、濕度、化學腐蝕等)影響，壽命短、電磁干擾、存在零漂等原因,其應用受到一定程度的限制[1]。近年來，光纖Bragg光柵(FBG)傳感器作為一種新的應變測量技術以其應變靈敏度高、響應速度快、抗電磁干擾、體積小、易于安裝、可靠性高、使用壽命長等特點,在工程結構的安全監測中得到了廣泛的應用，并取得了很好的監測效果[2～5]。但由于混凝土管樁沉樁時沖擊力大，對傳感器的抗擊打能力要求較高，目前國內已有將此傳感系統應用于混凝土管樁測試的工程實例,但存在存活率普遍偏低、漂移大、穩定性差、防水要求極高、施工工藝復雜等問題。因此,有必要對FBG傳感系統的埋設工藝進行深入研究。

文獻[6]對FBG傳感系統在灌注樁中的埋設工藝與可行性進行了研究，但均未涉及到將此系統運用于混凝土管樁測試的可行性分析。文獻[7]對FBG傳感系統在PHC樁中的埋設工藝進行了研究，由于傳感器存活率較低，導致研究結果不太理想，然而存活的傳感器的測試精度較高，能準確反映樁體內應變的變化。文獻[8]成功地將FBG傳感技術應用在混凝土預制樁水平載荷試驗，得到的試驗數據可靠、精度滿足要求。

為了進一步豐富和完善FBG 傳感技術在管樁的應用，本文提出了FBG傳感器可靠的安裝工藝，成功地應用到PHC管樁豎向靜載試驗中，通過與傳統電阻應變片進行對比，表明FBG傳感器完全適用PHC管樁應變測量。

1 FBG傳感器的數據處理

1.1 FBG傳感器的測試原理

用FBG傳感器測試樁身內力的基本假設是：由于FBG傳感器與混凝土是緊密地粘貼在一起的，它們同步變形，位移是連續的，因此，FBG傳感器的應變既為混凝土的應變。FBG傳感器是利用光纖材料的光敏性，通過紫外光曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質上是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵Bragg條件的波長將產生反射，其余的波長透過FBG繼續傳輸,而FBG的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移,所有引起光柵Bragg波長漂移的外界因素中，最直接的為應變參量，無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都會導致光柵周期Λ的變化，并且光纖本身所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，這為FBG制成FBG應變傳感器提供了最基本的物理特性。其傳感原理如圖1所示。

由于FBG對溫度和應變是交叉敏感的，所以,當用FBG進行應變測量時須進行溫度補償，剔除溫度變化帶來的影響。在應變測量中，為了克服溫度對測量的影響，在測量系統可采用同種溫度環境下的FBG溫度補償傳感器進行克服。

圖1 FBG傳感系統的基本原理圖Fig 1 Basic principle diagram of FBG sensing system

在每級荷載下沉降接近穩定時，自上而下測試各截面埋設的光柵應變傳感器中心波長。由于FBG只能對某個波長進行反射， 反射波長的變化需要通過光纖光柵解調儀來測量，一般需要對多只FBG傳感器進行測量，也就是說要進行波分復用，將多只FBG串接、 每只FBG對于一個中心波長，在保證測量的動態范圍內，各個FBG的波長之間不重疊，這樣通過光纖光柵解調儀實現對不同FBG傳感器的反射波長的測量，從而轉換成壓力或應變的數據。

1.2 數據分析原理

本次試驗直接測量波長，經標定，通過式(4)可計算出某次測量的微應變，然后通過圖2所示即可求得相應的轉角、撓度、應力、彎矩、剪力、載荷等力學量。

微應變

ε=(λi-λ0)×964.22.

(1)

圖2 數據分析原理圖Fig 2 Principle diagram of data analysis

此圖中，M為彎矩，I為截面慣性矩，r為管樁內壁半徑，σ為管樁內壁任意點的應力，E為管樁的彈性模量，ε為應變，v″為撓度的二階導數。

2 工程應用

2.1 地址概況

試驗場地位于濱海平原，勘測最大孔深35m，除上部填土外，場地其余土均為濱海相海陸交互沉積地層，地質情況如表1所示。

表1 土層基本參數表Tab 1 Basic parameter list of soil layer

2.2 試驗概況

試驗對4根PHC管樁進行了豎向載荷試驗，4根PHC管樁標號分別為S1,S3,S5，S6。標號為S1,S3的試驗樁樁徑為400 mm，樁長為24 m；標號為S5,S6的試驗樁樁徑為500 mm，樁長為21 m；試驗中在試樁同一深度的兩側分別對稱安裝FBG傳感器與電阻應變片如圖3所示，兩側傳感器的安裝位置到樁頂的距離如表2所示。

圖3 管樁FBG傳感器與電阻應變片安裝截面圖Fig 3 Sectional view of pipe pile FBG sensors and resistive strain gauge installation

序號123456789S1(m)S3(m)1.02.03.04.05.9.08.017.520.022.6S5(m)S6(m)1.02.03.04.06.08.116.020.0-

2.3 FBG傳感器埋設工藝

由文獻[7]可知在對傳感系統進行擊打時,發現法蘭盤接頭和附近的區域最易發生破壞,數據連接線也易損壞,而FBG傳感器最不易破壞。本文在試驗中對以上最易發生破壞的環節采取了必要的措施。具體的FBG傳感器埋設流程如下：1)放線：在水平放置的PHC管樁表面彈線，標出傳感器埋設所需開槽的中心線和寬度。2)開槽：用手持式切割機沿放線指示切深度為12 mm的槽，要求槽底面平滑，無突出棱角。3)連線、切槽：將選好的傳感器按照順序連接起來，并放在設計深度平放到樁上，用記號筆標記出需要加寬、加深的部位及范圍(主要是傳感器和光纖接頭部位)。安裝標記加寬、加深切槽，如圖4所示。4)切槽修飾、清洗：對安裝傳感器的點進行打磨拋光處理，用吹風機、毛刷將切槽內和周邊灰塵、碎石屑清除并用清洗液擦拭，確保傳感器能夠與混凝土體表面通過膠水高性能結合。5)放置傳感器、測試：將傳感測線安置于切好的切槽內，然后把傳感器串展開分布到每個安裝點，傳感器安置到指定點之后，涂上卡夫特快速AB 膠，涂膠時要求在傳感器區域膠水厚度均勻，防止受力作用時出現多峰現象。同時，在傳感器區域和尾纖部分用結構膠進行密封，待膠水凝固后，連接解調儀進行一次數據測試，確保傳感器全部存活。6)灌封傳感器：用現場配置好的與PHC管樁混凝土強度等級相同的灌封膠把放置有傳感器的切槽完全充填，如圖5所示。7)光纖引出端保護：光纖測線頂端的引出接頭要妥善保護，避免在吊樁與打樁過程中的損壞。一般做法是在引出端樁體上打孔，將光纖引入樁體內部，測試時拉出讀取數據，并及時現場配置好的與PHC管樁混凝土強度等級相同的灌封膠將空洞補上，接樁時的處理如圖6所示。注意：1)由于FBG傳感器可以串聯以減少引出線，但為了增加傳感器的成活率，每一串的傳感器數量不宜太多(一般控制在10只以內)，當傳感器數量較多時必須將測線分成若干段，并將每段的首尾光纖分別引出。2)光柵傳感器使用光纖作為數據傳輸線，故在安裝過程中必須輕拿輕放，避免折壓。當需要改變測線方向時，轉角半徑應大于測線半徑的3倍以上(過小的拐點半徑雖然不會使光纖折斷，但也會損失一定的信號強度)。應充分考慮到打樁過程中的震動給光纖再來的影響，在必要的位置要增加受力。

圖4 傳感器鋪放圖Fig 4 Sensors laying figure

圖5 灌膠與封裝Fig 5 Glue and encapsulation

圖6 接樁樁頭連接Fig 6 Pile head connection

2.4 試驗結果分析

試驗開始前測試初讀數，全部68只FBG傳感器測點存活66個，存活率較高，達97.06 %。其中，S3與S6樁身上的傳感器均成活，限于篇幅，僅對標號為S6試樁進行分析。本次試驗考慮到試驗樁為工程樁， 避免樁身破壞，樁頂荷載只加到了1 500 kN。此時管樁基本保持彈性變形。通過FBG傳感器獲取的數據，經過整理換算成PHC管樁樁體的軸力如圖7所示。將FBG應變傳感器、電阻應變片實測結果進行對比，如圖8所示。 。

圖7 FBG傳感器傳遞的S6樁壓裝過程中軸力分布圖Fig 7 Axial force distribution of pile pressing process of S6 pile transmitted by FBG sensor

圖8 埋深2 m處樁身軸力對比圖Fig 8 Axial force contrast figure of embedded depth of 2 m place pile body

由圖7可知，由FBG傳感器傳遞的信息計算出來的軸力分布跟文獻[9]分布規律相同，軸力均隨著埋深的增加逐漸減小，上部減小速度快，下部減小速度慢，這也證明了監測數據的有效性。由圖9可知電阻應變片與FBG傳感器所得的軸力計算值較為接近，由電阻應變片所得軸力值小于由FBG傳感器所得的值，但是所有測點的誤差均在 10 %以內，曲線總的變化趨勢保持一致。而且，試驗加載過程中FBG傳感器無一損壞，存活率達到100 %。由此可知，FBG傳感器可以完全使用管樁豎向靜載試驗。

3 結 論

1)本文在介紹FBG 傳感器數據處理原理的基礎上，提出了一種新的FBG 傳感器安裝工藝，通過此工藝，傳感器存活率達到 97.06%，為能夠準確掌握PHC管樁在豎向載荷作用下的工作性狀提供了保障。

2)本文結合實際工程的現場成功把FBG 傳感技術應用到混凝土管樁的豎向靜載荷試驗中，通過與傳統電阻應變片進行對比可知，FBG 傳感器測試數據可靠、精度滿足工

程要求，為今后進一步的應用積累了寶貴的經驗。

3)本次試驗壓樁過程中，4根管樁樁身軸力隨著埋深均逐漸減小，上部減小速度快，下部減小速度慢，變化規律明顯。S6樁樁端分擔了5 %～10 %的載荷值。由此可得， S6為摩擦樁。

[1] 楊亦飛,劉 波,張偉剛,等.工程化光纖光柵應變傳感器的制作及其應用[J].儀表技術與傳感器,2005(4):1-2.

[2] 張鳳梅,雷振山,劉德和.光纖光柵傳感技術在橋梁施工監控中的應用[J].傳感器與微系統,2006,25(2):78-80.

[3] 武勝軍,王宏力,敖紅奎.FBG傳感器在隧道錨桿支護結構監測中的應用研究[J].傳感器與微系統,2007,26(12):31-33.

[4] 崔天麟,肖紅渠,魏產良,等.廣州地鐵小北站暗挖隧道FBG監測技術研究[J].現代隧道技術,2007,44(4):31-33.

[5] 徐壯濤,薛偉辰.光纖光柵傳感器在細石混凝土結構中的應用研究[J].混凝土與水泥制品,2007,157(5):12-15.

[6] Kister G,W inter D,Gebremichae l Y M,et al.Methodology and in tegrity monitoring of foundation concrete piles using Bragg grating optical fibre sensors[J].Engineering Structures,2007(29):2048-2055.

[7] 馮 春,李世海,劉天蘋,等.光纖光柵傳感系統在打入樁中的埋設工藝試驗研究[J].傳感器與微系統,2009,28(9):12-15.

[8] 候勝男,劉陜南,孫洋波,等.預應力管樁水平承載力現場試驗與計算研究[J].土木建筑工程信息技術,2012,4(4),28-31.

[9] 楊龍才,周順華,高 強.基于單樁軸力實測的樁身壓縮變形計算與分析[J].工程勘察,2004(4):42-46.

Application of FBG sensors in vertical static load test on PHC pipe piles

XIN Jian1， LIU Zhi-qiang1,2， HAN Gao-bin3

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;3.Research and Design Institute of China Hydropower Bureau Co Ltd，Tianjin 301700,China)

According to current application status of FBG sensors in concrete pipe piles,introduce data processing principle of FBG sensors,aiming at most prone to damage part in test,a reliable FBG sensors embedded technology is proposed,combined with field PHC pipe pile vertical static load test,experimental datas are compared with the traditional resistive strain gauge datas.Experimental results show that survival rate of FBG sensors is as high as 97.06 %,test datas are reliable and test precision can satisfy requirement of engineering,FBG sensors can be completely applied to vertical static load tests on PHC pipe piles.

FBG sensor; PHC pipe piles; vertical static load test; embedded technology

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0154—04

2014—06—09

U 655.55

A

1000—9787(2014)08—0154—04

辛 建(1986-)，男，河北石家莊人，碩士，助理工程師，從事巖土工程檢測技術研究。