桩基监测中的光纤传感技术

□王树奎 □韩桃明 □王先忠

（河南省水利勘测有限公司）

一、概述

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它是以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感技术具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、电绝缘性能好、耐腐蚀能力强、损耗小、几何形状可塑、适应能力强、信号多路传输等优点。

本文介绍了国内外用于桩基监测光纤传感技术的分类、优点等，重点介绍了低相干涉原理SOFO光纤传感技术，Bragg光栅偏振原理FBG光纤传感技术，布里渊散射的BOTDR光纤传感技术的基本原理、功能及其在桩基监测中的应用。

二、桩基监测光纤传感技术

美国布朗大学以Mendez为首的课题组最早提出将光纤传感技术用于钢筋混凝土结构监测之后，国外很多机构研究光纤传感器在土木结构中的应用。在桩基监测方面，长标距SOFO光纤传感技术，准分布FBG光纤传感技术，分布式BOTDR光纤传感技术是研究的重点。下面重点介绍这几种技术在桩基监测中的应用。

（一）长标距SOFO光纤传感技术（LONG-GAGE FIBER OPTICSENSORS）

SOFO是由瑞士联邦技术研究所开发的一种长标距光纤传感系统。SOFO测试系统基于低相干干涉原理：LED（发光二极管）发射激光光束到标准的单模光纤，通过耦合器被分为两束频率、偏振方向以及初相位相同的光线，分别进入测量光纤和参考光纤。测量光纤与待测结构物理接触，可以随结构变形而改变光程长度，而参考光纤自由安装在同一管中，用来补偿由温度变化引起的硅光纤折射率的变化，以消除温度对测量结果的影响。两根光纤的末端有反射镜，通过移动反射镜，形成光程差。两束光相遇发生干涉，利用这些干涉图像，推断出光在测量光纤中受结构变形影响而发生的改变，进而得到结构变形量。

长标距光纤变形SOFO传感技术具有高分辨率(2mm)，高精度(2μm)，长基距（25cm～10m），优越的长期稳定性能等特点。

Tainan桩基监测采用SOFO传感技术，通过在桩基不同断面布置不同的传感器，来测试桩基在静载荷试验时内力发展情况及推导摩阻力的发挥情况等。图1显示Smarteck在Tainan桩基工程中光纤布置、轴力、摩阻力分布情况。

图1 传感器布置、轴力分布及摩阻力分布图

（二）FBG光纤传感技术

布喇格光纤光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）是光纤纤芯折射率受到永久的周期性微扰的一种传感技术。它能将入射光中某一特定波长的光部分或全部反射。该反射光就是布喇格反射光，其关系式为

式中，λB为布喇格波长；neff为有效纤芯的折射率；Λ为布喇格传感器光栅的栅距。

拉伸收缩光纤光栅，或温度改变可改变光纤光栅栅距和有效折射率从而改变光纤光栅入射波长。反射波长和应变、温度、压力、压强物理量成线性关系。

这种传感技术的最大优势在于可以用一根光纤复用多个FBG传感器，实现应力与温度的准分布式动静态测量。还有一优势在于FBG传感器既可以作为传感元素又可以作为信号传输的载体，这为实时远程健康监测提供了方便。

内蒙古多伦县桩基监测采用FBG传感技术，来监测SZ2和SZ3号桩，以确定桩身各截面的轴力、桩侧摩阻力及桩端阻力等规律，图2是各级荷载下的轴力分布图。

图2 不同荷载下轴力分布图

（三）BOTDR光纤传感技术

BOTDR布里渊光时域反射计是基于布里渊背向散射原理分布式光纤传感技术。它将单模标准光纤同时用于信号传输和传感。脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元经过处理，得到光纤沿线各个采样点的散射光谱。光纤上某个采样点的布里渊散射光谱。通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系即

νB（ε，T）=νB（0，T0）+α·ε+β·（T-T0）

其中：νB（ε，T）为任意时刻（产生应变与温差时）光纤布里渊背向散射光频率，νB（0，T）为初始状态下光纤布里渊背向散射光频率，ε为光纤局部产生的应变，T0为初始温度，（T-T0）为温差，α、β分别为传感光纤的应变系数与温度系数。

周同和在郑州绿地广场试桩工程采用了BOTDR分布式光纤监测技术，监测了大直径超长桩在静载荷作用下的应变分布（见图3），发现了局部负摩阻力的存在并分析了产生负摩阻力的原因主要是砂土液化、变直径等。

图3 最大荷载下桩身应变图

三、结语

本文介绍了光纤传感技术在桩基监测中的应用，着重介绍了目前国际上运用较为广泛的长标距SOFO光纤传感技术、FBG光纤传感技术、BOTDR光纤传感技术在桥梁健康监测中的应用。通过工程实践比较，显示其各自优越性。主要有：

长标距光纤变形SOFO传感技术具有长基距、实时监测、高分辨率、高精度、优越的长期稳定性能等特点，在监测桥梁新老拼接方面的差异变形过程中显示其很好的优越性能。

FBG光纤传感技术除具备光纤传感共性优势如抗雷电、抗干扰、敏感性好、精度高、安全等特点，其最大优势在于能够对应力和温度实现实时动静态、准分布式测量。在瞬时荷载作用于结构物时能够很好的监测出来。

BOTDR光纤传感技术最大特点在于能对应变实现分布式测量，这相当于给结构体内植入神经系统，让整个结构活起来。在桩基监测中，显示其优越的分布式测量的优势。

[1]蔡德所，光纤传感技术在大坝工程中的应用[M].中国水利水电出版社，2002.

[2]DanieleInaudi，Long-term monitoringofaconcretebridgewith 100+fiberoptic long-gage sensors[J]Nondestructive Evaluation Techniques for Aging Infrastructure&Manufacturing，1999，Newport Beach，USA.

[3]T.H.T.Chana，Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge:Background and experimental observation[J]Engineering Structures28(2006)648-659.

[4]光纤光栅技术在码头桥梁桩基检测中的应用[R]中国科学院力学研究所.

[5]周同和，宋键学.MonitoringandAnalysisonHugePileAxialStress byBOTDR，The2ndInternationalWorkshoponOpto-electronic Sensor-basedMonitoringinGeo-engineering，Nanjing，China，Oct.18-19，2007.