微型夾持式FBG測力錨桿應變測試原理及其應用研究

張 萍,于家武,朱安龍

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 310014; 2.中鐵隧道集團二處有限公司,河北 三河 065201)

0 引 言

錨桿支護系統因其構造簡單、可及時施加預應力和不占用洞內施工空間等優點,是隧道工程中最為普遍的支護手段[1-2]。但受限于地質條件多變性、施工環境復雜性和錨桿支護系統隱蔽性等不利因素,采用何種方式對錨桿支護系統進行合理、準確的測試依舊是巖土錨固技術研究的一個熱點方向[3-4]。近年來,光纖光柵(FBG)傳感技術的發展給巖土工程測試技術增添了新的手段,除具有光纖傳感器的傳統優點外,它還具有體積小、便于集成、穩定性好、高靈敏度及高分辯力等優點[5-6],因而被眾多學者應用于隧道結構健康與安全監測中,例如丁勇等[7]、王宏偉等[8]將FBG傳感技術成功應用于盾構隧道變形監測;姜學鵬等[9]研究了隧道光纖光柵探測器在不同風載環境下的溫度響應特性,為其合理布置方法及定位精度設置提供科學依據;葉肖偉等[10]以武漢地鐵2號線越江隧道為依托,開展了基于FBG傳感技術的凍結法施工實時監測,獲取了凍土溫度和應變在不同厚度和深度上的分布;Song等[11]基于FBG技術,實現了隧道開挖施工對周圍土體變形擾動的監測分析;Li等[12]采用FBG量測隧道鎖腳管的力學體系,驗證了其可行性和準確性;Xu等[13]采用基于FBG技術的長期自動化數據采集系統,獲取了雙層高填方明挖隧道回填過程中土壓力和結構內力的變化規律。但是,因裸光纖光柵非常纖細,直徑僅125 μm,抗剪能力差,未封裝狀態下一般難以在工程施工中存活,故光纖光柵在前述工程中的成功應用與封裝方式密切相關[14]。

常見光纖光柵應變傳感器封裝方式主要有3種,即嵌入式、基片式和兩端夾持式(管式)[15-16]。其中,嵌入式封裝指將裸光柵直接埋入至結構材料內部,也是目前普遍應用的方式。對錨桿此類細長型的桿系構件,一般采取沿桿體開小槽,把傳感器埋入其中,后采用環氧樹脂膠等黏結材料加以封裝的技術工藝。但上述裸光纖光柵的封裝技術對封裝條件、設備及工藝等要求均很高。如李廷博[17]自行制作了嵌入式封裝測力錨桿并進行室內拉拔試驗,直至第6次試驗,方才成功獲取了錨桿的軸力值。同時,裸光柵的具體埋設位置和膠結劑的使用均會影響最終的應變傳遞效果,故由裸光纖光柵制作而成的測力錨桿,一般需定制加工,難以自行加工制作,存在難以適應現場突發監測需求的缺點。對于基片式和兩端夾持式(管式)封裝,鑒于錨桿為細長型桿系構件,管式封裝的適用性仍更佳。

本文根據錨桿體自身特性,采用自行設計并加工的微型夾持式FBG應變傳感器制作測力錨桿,對比由理論計算和室內標定試驗獲得的傳感器的應變靈敏度差異,評價分析該測力錨桿的適用性,最終將其成功應用于木寨嶺公路隧道的錨桿軸力監測,實現了對于現場錨桿力學狀態的及時、快速、準確量測。

1 結構與工作原理

1.1 FBG應變感知原理

FBG利用紫外光將特定的波導結構寫入光纖中形成光纖波導器件,其纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡,當光波通過時,只有滿足光纖光柵波長條件的光波能被反射回來,反射光的峰值波長稱為布拉格波長λB(圖1),其滿足下列條件[18]：

λB=2neffΛ

(1)

式中:neff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期,nm。

圖1 光纖光柵工作原理

由式(1)可知,任何使這2個參量(neff、Λ)發生改變的物理過程都將引起反射和透射波長的漂移。對實際工程而言,最主要的物理過程為應力應變與溫度,具體如下:

(1) 軸向應變引起的波長的漂移,對式(1)兩邊微分:

dλB=2neffdΛ+2Λdneff

(2)

將式(2)與式(1)相除:

(3)

(4)

式中:Kε為應變靈敏度系數。

(2) 溫度引起的波長的漂移。溫度的變化,一方面會引發熱敏效應,使neff改變;另一方面會產生熱膨脹效應,使Λ變化。將式(1)對溫度T取微分,并再除以式(1):

(5)

(6)

式中:KT為溫度靈敏度系數。

1.2 微型夾持式FBG應變傳感器

微型夾持式封裝技術,采用細徑管封裝光纖光柵兩端,避免使用膠粘劑接觸光纖光柵區域,消除了多峰值現象;使用細徑管密封保護光纖光柵區域,未對其進行直接封裝,消除了膠粘劑對傳感器應變傳遞的影響,其由毛細鋼管、光纖光柵、傳輸光纖、夾持部件組成(圖2)。夾持式FBG傳感器可直接粘貼或焊接在結構表面,也可采用預埋件焊接于構件上,或用鉚釘鉚到結構上,具有布設簡單、可拆換、耐久性好、布線方便等優點。

圖2 夾持式FBG應變傳感器

微型夾持式FBG應變傳感器工作原理如圖3所示,夾持部件為鋼管,直徑為d;加持部件膠接于基底材料上,兩端固定的等效距離為L,光纖光柵長為Lf?，F假定夾持部件之間的軸向變形為ΔL,夾持部件變形為ΔLs,光纖光柵變形為ΔLf,忽略夾持鋼管內外膠層和光纖的影響。根據材料力學基本原理得到夾持部件應變εs與光纖光柵εf的比值:

圖3 夾持式FBG應變傳感器工作原理

(7)

式中:Ps和Pf為夾持部件和光纖光柵受到的軸力,為相互作用力,Ps=Pf;Ef和Es為光纖彈性模量和夾持鋼管彈性模量;Af和As為光纖面積和夾持鋼管面積。傳感器各項參數如表1所示。

表1 光纖和夾持鋼管的材料性質

將表中參數帶入式(7)可得:

(8)

由上式可見,夾持鋼管相對光纖光柵的應變在整個傳感結構中可以忽略,即兩夾持端之間的變形幾乎全部加載在光纖光柵上。得到基底應變ε與光纖光柵應變εf間相互理論關系:

ε=εf

(9)

定義測試靈敏度系數為K=L/Lf,代入式(9)得

εf=Kε

(10)

由式(10)可看出,調節K值,可改變傳感器的測試靈敏度。當K>1時,測試靈敏度上升;當K<1時,測試靈敏度降低。

2 微型夾持式FBG測力錨桿制作

根據GB/T 228.1-2002《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》對試驗試件尺寸的規定,錨桿桿體選用Q420鋼,長度取60 cm,外徑為φ32 mm,壁厚6 mm,截面積490.0 mm2。測力錨桿(圖4)制作程序:首先對φ32 mm桿體一側開3 mm(寬)×2 mm(深)矩形凹槽,使用粗砂紙打磨凹槽表面,去掉銹跡、油污、不平整的凹凸,并用酒精擦拭清潔凹槽;其后用502膠水將FBG傳感器預固定在凹槽內既定位置處(固定支點),預固定過程中對傳感器預拉伸0.2～0.8 nm;將傳感兩側部分的白色尾纖固定于凹槽內,防止拉扯尾纖使傳感器受力;最后使用環氧樹脂膠對固定支點兩側進行封裝固定,并在室溫下靜置24 h,待樹脂膠完全固化成型,即制作完成。

圖4 測力錨桿結構

本次采用3個光纖光柵,記為FBG-1、FBG-2和FBG-3,中心波長分別為1 559.790 0,1 525.065 2,1 535.158 5 nm,光纖光柵長度8 mm,初始標定距離為12 mm,靈敏度系數依次為1.400 88,1.385 63,1.336 76 pm/με。相應制作了3根測力錨桿,封裝參數如圖5～7所示。根據測試靈敏度系數的定義和初始標定距離,得到封裝完成后FBG-1、FBG-2和FBG-3的理論應變靈敏度系數分別為1.867 84,2.309 38,2.673 52 pm/με。

圖5 FBG-1結構(尺寸單位：mm)

圖6 FBG-2結構(尺寸單位：mm)

圖7 FBG-3結構(尺寸單位：mm)

3 測力錨桿室內拉伸試驗

3.1 試驗設備

試驗采用微機控制電液伺服萬能試驗機(圖8)對測力錨桿進行拉伸試驗,FBG波長采集與識別系統為Micron Optic公司生產的Sm125光纖光柵靜態解調儀。

圖8 微機控制電液伺服萬能試驗機

3.2 測試過程及結果分析

鑒于試驗在室內實驗室開展,且試驗時間短,溫度變化基本可忽略,故本次試驗不考慮溫度變化對FBG傳感器的影響,即認為FBG傳感器波長的變化均來自于應變。補充說明的是,當需考慮溫度影響時,溫度的影響同樣可采用該FBG傳感器實施。即實際封裝中,僅需對一側加持部件進行固定,另一側加持部件自由即可,此時FBG傳感器將不傳遞應變變化,僅受溫度效應影響,可視為FBG溫度(補償)傳感器。由此,其余FBG傳感器測得波長偏移量與該FBG溫度傳感器測得量值的差值即為錨桿受荷引發的波長偏移值。

試驗采用等梯度載荷加載方式勻速從0加載至100 kN,加載過程中每隔10 kN記錄一次光纖光柵傳感器中心波長,每個試件均循環加載3次,取平均中心波長,標定數據如表2所示。

表2 光纖光柵測力錨桿的標定數據

根據試驗結果繪制載荷-波長偏移量的散點圖并線性擬合,如圖9所示。

由FBG-1、FBG-2和FBG-3線性擬合得出線性關系:

圖9 光纖光柵標定結果

Δλ1=0.0197×F-0.0087

(11)

Δλ2=0.0234×F-0.0220

(12)

Δλ3=0.0274×F-0.0296

(13)

對應線性擬合度R2依次為0.999 8、0.999 5和0.999 6,均在0.99以上,顯示上述封裝完成后的夾持式FBG光纖光柵應變傳感器具有良好的穩定性,可很好地測試錨桿的受力狀態。

FBG-1、FBG-2和FBG-3的受力靈敏度系數(波長差/荷載)依次為0.019 7,0.023 4,0.027 4 nm/kN。根據ε=F/EA,對應實測應變靈敏度系數(波長差/應變)依次為1.938 2,2.302 2,2.695 8 pm/με,對比理論應變靈敏度系數(1.867 8,2.309 4,2.673 5 pm/με),兩者量值上較為接近。

圖10進一步給出了理論與實測應變靈敏度系數的對比,可看出,最大差值僅為0.07 pm/με(FBG-1)。表明利用夾持式光纖光柵應變傳感器作為敏感元件,測量精度高,波長偏移量與載荷之間具有很好的線性關系,線性度超0.99。同時,測力錨桿測量穩定性好,安裝完成的FBG測試元件應變靈敏度與理論計算基本一致,無需封裝后再次進行標定試驗。

圖10 理論、實測應變靈敏度系數對比

4 錨桿受力監測試驗

4.1 試驗過程

試驗選擇木寨嶺公路隧道2號斜井K1+763(圖11)左側邊墻,斷面埋深約513.0 m。試驗段巖性以砂質板巖、炭質板巖(千枚巖)為主,裂隙發育、巖體破碎,受擠壓作用較為明顯。地下水為基巖裂縫水,不發育。受地形地質條件控制,斷面變形大,測點位移曲線如圖12所示。拱頂(測點A)沉降超25 cm,左側上中臺階交接處(測點B)37 cm,左側中下臺階交接處(測點C)14 cm。

圖11 K1+763.2掌子面圍巖照片

圖12 斷面位移曲線

采用YT28鉆打設鉆孔,插入測力錨桿(圖13),安裝墊板,并注入0.4水灰比P.O 42.5水泥漿。完成后,使用光纖光柵解調儀測量測力錨桿初始讀數,其后每天對測力錨桿進行一次測量(圖14),并記錄讀數。

圖13 4.2 m長光纖光柵測力錨桿

圖14 測力錨桿FBG傳感器數據測量

4.2 數據分析

試驗測得4.2 m測力錨桿軸力數據如圖15所示。

圖15 4.2 m測力錨桿軸力曲線

根據圖15所示關系,可以得出以下規律。

(1) 11月7日測得錨桿桿體受力規律表現為孔口部位受力小,隨入巖深度增加,桿體軸力先大后小,在1.0～2.5 m內受力最大。

(2) 11月8日往后,FBG-1測點(離圍巖面最近測點)顯示錨桿受壓,推測桿體受到外部因素擾動,出現了彎曲;FBG-2～FBG-5號測點,量值基本維持不變,而斷面測點位移(圖12中B測點)一直在增大,表明錨桿位移未反應出圍巖位移,錨桿對于圍巖徑向位移差的“捕獲率”低,究其原因,一方面受特定的圍巖地質條件因素影響,出現錨固深度內(0～4.5 m)圍巖整體位移較大,而徑向位移差小的情形;另一方面為界面黏結力小導致,即注漿效果差。

(3) 錨桿軸力在入巖3 m后出現了較為明顯的下降趨勢,且FBG-5測點(入巖4.5 m)測得的軸力值為0,因此,建議短錨桿長度不宜小于4.5 m。

5 結 論

(1) 微型夾持式光纖光柵應變傳感器尺寸小,便于集成于錨桿桿體,可自行制作測力錨桿,無需定制加工,且其波長偏移量與施加荷載間存在很好的線性相關性,線性擬合度0.99以上,表明具有良好的應變測試性能。

(2) 室內拉伸試驗和理論分析計算獲得兩組應變靈敏度基本一致,表明制作完成的測力錨桿無需進行重復標定,在已知封裝參數(固定距離)的前提下,即可得到應變靈敏度。

(3) 工程現場試驗結果表明:桿體隨入洞深度增加,軸力呈現先大后小趨勢,較好地反映了圍巖的變形特征和錨桿的工作狀態,為調室錨桿支護設計提供了可靠的依據。