光纤监测技术在垂直护岸工程中的应用研究

2021-06-11李国良王超慧

浙江水利科技 2021年3期

李国良，王超慧，沈政

（1.杭州大江东新城开发有限公司，浙江杭州 311200；2.温州市瓯江口新区水务有限公司，浙江温州 325000；3.河海大学，江苏南京 210098）

1 问题的提出

多重防护布置情况下护岸受力结构与基坑工程、板桩码头工程存在较大区别，该类结构形式具有较强的抗侧向变形刚度，受力变形复杂，且在水利河道治理工程中几乎没有规范可参考，因此垂直护岸在工作状态下的基本受力特性亟需进行深入研究。传统的监测仪器如伸长仪、沉降仪、测斜仪等，通常采用振弦式、电阻式等形式的传感器，测量精度差，易受电磁干扰及环境影响，已经很难适应逐渐复杂的结构形式。而光纤监测作为一种新的监测技术，凭借其良好的传感性能，能够很好地弥补传统监测技术的不足，已广泛应用于各种实际工程中。

目前，针对光纤监测技术在各类工程中应用的研究已有不少。赵新等[1]研究光纤测试技术在护坡桩体深层水平位移监测中的应用，实际监测中光纤法采集的数据密度大、不受光纤长度限制、能实现网络在线自动化监测，体现光纤监测对该类工程很好的适用性；张堂杰等[2]研究太湖隧道试桩测试中的分布式光纤监测技术，实现灌注桩桩身应变的分布式测量，能相对准确地得出桩身轴力与侧摩阻力随地层变化的规律；罗勇等[3]通过分布式光纤测试技术研究大直径嵌岩桩承载性能，认为光纤测试技术可靠度极高，是目前复杂施工环境下大直径嵌岩桩可靠的应变测试技术手段之一。刘杰等[4]将光纤应用于基坑变形监测中，孙安等[5]将其用于温度方面的监测。以上表明光纤监测技术已经在许多工程结构中得到应用，但关于光纤监测技术在垂直护岸工程中的应用还少有研究，本文借助FBG光纤光栅监测技术对桩身进行监测，论证该技术在垂直护岸工程中的适用性。

2 光纤监测技术

2.1 监测设备

现场试验采用FBG调制解调仪，是Micron Optics（简称MOI）公司生产的SM125型光纤光栅解调仪。该仪器采用大功率低噪声扫描激光光源，对传感器的扫描频率范围为1～10 Hz，1 Hz扫描频率下每通道允许同时监测大于40个FBG传感器，同时SM125通道数可随时扩展到16个，可实现批量数据监测。传感器为苏州南智传感科技有限公司生产的NZS-FBG传感器，由单模裸纤刻制而成。相比传统的传感器，FBG传感器有体积小、重量轻、制作简单、柔韧易弯曲、绝缘、无电磁噪声且耐水、耐高温、耐腐蚀等特点，被广泛用于公路、铁路、桥梁和一些重要建筑物结构等的健康监测。

2.2 监测设备操作流程

使用SM125型光纤光栅调制解调仪进行数据采集时，具体操作步骤：1在电脑中安装软件ENLIGHT；2打开软件为应用波长寻峰法则设置相关参数，并查看仪器所连接的FBG传感器的波谱信息，确定波谱上波峰的数量，通过调节参数去除多余的波峰，避免多检数据干扰后期处理，确保波长采集个数与波峰数量、FBG传感器的数量一致，避免漏检；3对软件中的公式进行编辑，以便连续不断地直接得到桩身的应变数据，避免人工计算误差；4确定所有FBG传感器的反射信号都被采集，记录每个传感器所在位置的波长信息，即可完成一条线路上的光纤数据采集工作。

3 工程概况和仪器埋设情况

3.1 工程概况

现场试验依托萧围东线标准海塘建设工程，海堤堤身主要由粉土素填土和压实填土组成。板桩处理范围内工程区地质主要划分为2、3两个大层，具体分布见表1。

表1 工程地质情况分布表

现场试桩见图1。采用双排桩围护形式，后排采用10.0 m长的30 cm×30 cm方桩，前排为15.0 m长的矩形板桩，横截面尺寸为30 cm×50 cm。

图1 现场试桩位置示意图单位：m

3.2 护岸板桩光纤的布设

为避免在试验过程中损伤光纤光栅传感器，确保传感器的存活率，减小试验误差，需要在桩身表面预设部位开槽，开槽深度为2～3 mm，保证光纤能够完全被包裹在桩身的凹槽内。开槽时应保持沿着桩身轴力方向，避免弯曲，同时凹槽内应保证平缓，防止由于开槽过深或过浅，导致其后光纤布设时紧贴槽线底部的光纤局部转弯半径过小，从而使得光波在光纤中传播的光损过大，影响测量结果。

为更准确地监测护岸板桩的整体变形，设计采用U型布设[6]，U型光纤底部圆弧靠近板桩底端，U型光线的一条竖线与板桩的凹槽竖直边对齐，另外一条竖线对齐板桩的柱状空腔和凸榫竖直边之间，板桩光纤布设示意见图2。光纤呈U型布设可以在一次测量中获得左右两边的监测数据，两者取平均值能降低测量误差。

本次现场试验在板桩上布设传感光纤，分别在距1号桩桩顶70，185，337，525，726，927，1 100，1 310，1 450 cm等处布设光纤光栅点（见图3）。为与光纤测试结果进行对比，在板桩内部中心位置同时埋设传统的钢筋应力计。

3.3 护岸板桩光纤的封装

光线传感器为柔性构造而板桩为刚性结构，要准确获得桩身变形数据，必须使光纤与板桩表面紧密贴合，达到变形协调，才能使光纤的测试结果更加准确。目前，光纤光栅封装技术有：聚合物封装法[7]、半金属管封装法[8]、钢片封装法[9]、金属管封装法[10]等。其中，后3种方式不适用于潮湿环境，长期监测会引起金属锈蚀，性能降低，且价格昂贵，第一种方法更经济且工艺简单。本试验采用聚合物封装法进行封装，聚合物是环氧树脂，粘结剂为AB胶。

将露出桩头部的光纤用铠装护套进行保护，并将铠装护套一端埋入桩体槽口一定长度，用调配搅拌好的环氧树脂封口。在刷环氧树脂前，用热吹风对环氧树脂进行加热，使其成为流体，再用刷子涂抹，以便环氧树脂能充分流进凹槽以及光纤与凹槽之间的缝隙，使两者充分粘贴；同时，应注意在封装前，对于桩身顶部出口处的传感光纤应预留2 m左右，用于后期与跳线熔接，熔接后即可将跳线端口接入光纤光栅调解仪中，进行数据测量。

图2 光纤布设示意图

图3 光纤光栅点位布设图单位：cm

4 监测结果与分析

4.1 桩身应变

图4为1号桩靠近江面侧与远离江面侧桩身应变分布结果。从图4（a）可知，近江面桩顶处应变较小，随着板桩入土深度增加，应变逐渐增加，且在深度11.00 m处达到最大值，从深度11.00 m处到桩底范围内应变又逐渐减小。随着时间推移，从深度为5.00 m到桩底范围内，桩身相同位置处应变有所增大。从图4（b）可知，从桩顶到深度约3.50 m范围内，光纤监测得到的应变数值为正值，且应变较小。随着板桩入土深度增加，应变先增大后减小，在桩底处应变增大。随着时间推移，从深度5.00 m到桩底范围内，桩身相同位置处的应变有所减小。

图4 1号桩桩身应变分布图

结合1号桩近江侧和远江侧的应变分布规律来看，桩身除了受负摩阻力作用外，还受到水平荷载作用而发生弯曲变形。这是由于板桩两侧的围堰土方和一阶段填土土方重量不同，与板桩相隔的距离也不同，从而使板桩近江侧和远江侧受到大小不同的土压力作用，桩身产生挠曲变形。由于围堰土方比一阶段填土土方重量大且与板桩距离更近，所以板桩近江侧受到的土压力大于远江侧受到的土压力，从而使板桩向远江侧发生弯曲变形。由图4可知，板桩远江侧在深度为9.27～13.10 m范围内的压缩应变一直持续减小，是因为桩具有朝江移动的趋势，远江侧在该深度范围内的拉伸变形较大。

4.2 轴向轴力对比

为了与传统钢筋应力计测试读数进行对比，将近江侧与远江侧的桩身应变进行平均计算得到桩身的平均应力。板桩打设后主要承担竖向和水平荷载，但整体仍是一种受压构件，桩身的界面均处于受压状态。传统钢筋应力计埋设于桩中心位置，可将光纤在近江侧与远江侧的测试结果进行平均计算，得到中心位置的应变值，从而与传统钢筋应力计测试结果进行对比。

设ε1（z）为光纤在板桩近江侧深度为z处的应变监测值（µξ），而ε2（z）为光纤在板桩远江侧深度为z处的应变监测值（µξ），则板桩的平均轴向应变ε（z）为：

由桩身的轴向应变及板桩的弹性模量和横截面积可以反推桩身轴力，计算公式为：

式中：Q（z）为桩身深度为z处的轴力（kN）；E为板桩弹性模量（kPa）；A为板桩截面面积（m2）。

根据公式（2）计算得出的板桩轴力随深度的分布结果见图5。由图5（a）可知，由于假定板桩为线弹性体，其轴力分布规律与桩身轴向应变分布规律相同。板桩桩身轴力随深度增加呈现非线性递增的趋势，桩身上部轴力变化较大，而中下部轴力不仅变化较小且轴力较大；轴力曲线倾斜程度越大，摩阻力越大，随着时间的推移，曲线略微变缓。

从图5（b）可以看出，传统钢筋应力计测试得到的轴力存在一定突变。主要原因是传统钢筋应力计主要埋设于板桩中心，对于承受竖向和水平向作用的板桩，轴向受力非常复杂。特别当水平向作用力发生变化时，轴力变化更加明显，不易获得稳定的轴力数据。对比图5（a）和图5（b）可以发现，采用光纤监测测试获得的桩身轴力较为稳定，主要由于光纤测试板桩2个面上的应变值相对更加稳定。两者测试得到的桩身最大轴力均发生于桩中心10 m左右位置，均呈现先增大后减小的趋势。光纤测试的桩身最大轴力为14 kN，传统钢筋应力计测试结果为13 kN，两者较为接近，说明测试结果具有一致性。