FBG監(jiān)測儀在機(jī)場高填方分層沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

孫 凱 強(qiáng)

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

1 概述

隨著我國基礎(chǔ)工程的快速發(fā)展，在高速公路建設(shè)、機(jī)場修建、軟土地基加固和水電工程建造中，常常需要大量的填筑土，因此，填筑土沉降變形問題一直是工程技術(shù)人員和研究人員所重視的問題。不同土的填筑質(zhì)量，其沉降穩(wěn)定的時(shí)間也不同；土的填筑質(zhì)量不高，也極易產(chǎn)生差異沉降，對工程安全使用產(chǎn)生影響[1]。要在時(shí)間和空間上對填方土體的沉降與差異沉降做出準(zhǔn)確可靠的評價(jià)，填方施工過程中、竣工后的原位沉降監(jiān)測資料十分重要。

分層沉降觀測可測定地基內(nèi)部各分層土的沉降量、沉降速率以及有效壓縮層的厚度[2]。通過對填筑土分層沉降的監(jiān)測研究，可以達(dá)到以下目的：

1)根據(jù)填筑土層的沉降監(jiān)測，可研究填筑土的壓縮固結(jié)過程。

2)通過長期監(jiān)測填筑土層的沉降情況，可以研究、獲得填筑土的變形規(guī)律，預(yù)測填筑土的沉降和差異沉降，為沉降預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)資料。

3)通過獲得的填筑土層的監(jiān)測結(jié)果，可以對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，為相關(guān)填筑土方的工程設(shè)計(jì)、施工和控制提供科學(xué)依據(jù)[3]。

目前，填筑土的沉降變形監(jiān)測主要包括：分層沉降標(biāo)、單點(diǎn)沉降計(jì)、電磁式沉降儀、水管式沉降儀等?？傮w而言，目前填筑土沉降變形儀器和方法，存在四個(gè)方面的問題：一是需要較長的傳遞桿將深部的豎向變形量傳至地表，傳遞桿本身存在著壓桿穩(wěn)定、扭曲變形、熱脹冷縮等問題，都有可能引起監(jiān)測數(shù)據(jù)的失真；二是需要監(jiān)測的測點(diǎn)較多時(shí)，所需的傳感桿也隨著增多，鉆孔孔徑也越大，其施工成本和施工難度都隨之增大；三是傳感器的數(shù)量受到限制，一般情況下只能4個(gè)～5個(gè)點(diǎn)位置的位移進(jìn)行測量，獲得的數(shù)據(jù)難以判斷實(shí)際變形發(fā)生的準(zhǔn)確位置；四是監(jiān)測中以最底部點(diǎn)的測值為基準(zhǔn)點(diǎn)，一旦該測點(diǎn)失去作用，則其他測點(diǎn)均無法從相對位移換算到絕對位移。

2 填筑土分層沉降光纖監(jiān)測技術(shù)

2.1 分層沉降光纖監(jiān)測技術(shù)基本原理

光纖沉降監(jiān)測系統(tǒng)是利用光纖的紫外敏感特性，在光纖的一定長度內(nèi)，采用蝕刻技術(shù)，沿光纖軸向使纖芯折射率發(fā)生周期性變化，形成芯內(nèi)光柵(FBG)。當(dāng)一束光注入光纖，滿足光纖布拉格條件就會產(chǎn)生有效的反射，反射光的峰值波長稱為布拉格波長，該反射光的中心波長與光柵所受的軸向應(yīng)變和溫度呈線性關(guān)系[4]，即:

其中，λB為光柵初始中心波長；ΔλB為光纖光柵中心波長的漂移量，pm；ε，ΔT分別為光柵所受的應(yīng)變、溫度變化量；Kε,KT分別為光纖光柵的應(yīng)變、溫度標(biāo)定系數(shù)，其值約為0.87和6.67×10-6/℃，設(shè)定實(shí)驗(yàn)中溫度恒定。

當(dāng)光纖光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變時(shí)，將改變光纖光柵傳感器的工作波長，即光纖光柵的反射波長將發(fā)生變化。因此，通過測量埋入結(jié)構(gòu)中或者粘貼在結(jié)構(gòu)表面的光纖光柵的反射光波長的變化即可得知該點(diǎn)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化[5]。利用光纖光柵對應(yīng)變敏感的特性，將刻寫好的光纖光柵經(jīng)換能裝置封裝成光纖光柵位移計(jì)。在室內(nèi)對光纖光柵位移計(jì)進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，可以得到光纖光柵位移計(jì)波長與位移的率定線性關(guān)系。根據(jù)測試得到的光纖光柵位移計(jì)波長和波長位移率定關(guān)系，就可以計(jì)算出光纖光柵位移計(jì)的位移量。在填筑土分層沉降監(jiān)測中，安裝光纖分層沉降監(jiān)測儀與周圍土體同步耦合變形，利用預(yù)拉伸位移計(jì)的壓縮變形即可獲得填筑土的分層和整體沉降變形量。

2.2 監(jiān)測儀結(jié)構(gòu)與構(gòu)造

填筑土分層沉降光纖監(jiān)測技術(shù)由光纖分層沉降監(jiān)測儀和光纖光柵解調(diào)儀組成。

圖1為根據(jù)填筑土沉降特點(diǎn)研制的光纖分層沉降監(jiān)測儀。圖1中1為外成孔剛性保護(hù)管，可以臨時(shí)隔離外部的填筑土，制作位移計(jì)的安裝孔；2為監(jiān)測儀傳感核心——光纖光柵位移傳感器，安裝前必須預(yù)拉伸，用于測量沉降的變形壓縮量；3為位移計(jì)安裝支座，用于套接成孔外保護(hù)管，便于位移計(jì)安裝和光纖出線；4為高強(qiáng)彈簧，為監(jiān)測儀與土體沉降變形預(yù)留壓縮空間；5為彈簧保護(hù)管，隔離周圍土體，避免彈簧受土體影響而無法壓縮；6為位移計(jì)保護(hù)管，隔離土體，避免進(jìn)入位移計(jì)內(nèi)；7為位移計(jì)安裝管，用于固定位移計(jì)；8為安裝剛性底座，可以適當(dāng)增大與周圍土體的接觸面積，形成上下底板間壓縮變形的空間；9為光纖引出傳輸線的保護(hù)管，用于光纖出線保護(hù)；10為光纖引線，用于位移計(jì)測量光纖引線。

2.3 性能指標(biāo)

填筑土分層沉降分布式光纖監(jiān)測技術(shù)，可根據(jù)監(jiān)測要求，分為若干個(gè)監(jiān)測單元，每個(gè)監(jiān)測單元測量標(biāo)距為2.5 m～3 m。每個(gè)監(jiān)測單元安裝有一個(gè)光纖光柵位移計(jì)，其測試量程為150 mm，測量精度為0.15 mm，光柵中心波長為1 525 nm～1 565 nm，波長反射率不小于90%。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于某建設(shè)中的國內(nèi)機(jī)場，機(jī)場所在的場地工程地質(zhì)條件十分復(fù)雜，存在大量的高填深挖，開展地基處理及高填土沉降變形監(jiān)測十分必要。在機(jī)場場地內(nèi)選擇高填方強(qiáng)夯場地作為試驗(yàn)場地。在高填筑土內(nèi)安裝了分層沉降分布式光纖監(jiān)測儀，用于監(jiān)測高填方土施工期的沉降變形情況。光纖監(jiān)測點(diǎn)位置如圖2所示。

3.2 光纖監(jiān)測方案

光纖分層沉降監(jiān)測儀分為10個(gè)監(jiān)測單元，每個(gè)監(jiān)測單元測量標(biāo)距為3 m，最終實(shí)現(xiàn)約30 m深度填筑土沉降變形測量。在每層填土內(nèi)埋入光纖光柵(FBG)位移計(jì)，測量每層上下頂?shù)酌骈g的相對位移來監(jiān)測土層的壓縮變形。每個(gè)位移計(jì)均采用水平引線方式，引出坡體前緣擋土墻臨空面處進(jìn)行監(jiān)測。通過監(jiān)測每一分層的壓縮量來計(jì)算各深度沉降值。光纖監(jiān)測方案見圖3。

分層沉降分布式光纖監(jiān)測儀埋入到填土內(nèi)后，當(dāng)土體發(fā)生沉降壓縮時(shí)，位移計(jì)安裝支座方形翼板受土的重力作用壓縮底部彈簧，向下運(yùn)動；預(yù)拉伸的位移計(jì)收縮變形，發(fā)生位移變化，從而實(shí)現(xiàn)填筑土的壓縮變形測量。

3.3 傳感器布設(shè)安裝

1)傳感器安裝：在安裝固定底板之前,使用自攻螺絲將光纖光柵位移計(jì)固定鎖死在固定底座的位移計(jì)固定管內(nèi)。

2)底座安裝：在預(yù)填夯實(shí)的土體表面開個(gè)小坑，將底座放入坑內(nèi)，利用水準(zhǔn)尺進(jìn)行水準(zhǔn)整平。向坑內(nèi)澆筑水泥，與土體表面膠結(jié)固定。最好將底板澆筑在基巖上，可監(jiān)測基巖與填筑土之間的土體壓縮量。

3)預(yù)埋管件：填土過程中，采用一鋼管樹立在地層，并隨著填土增高而向上拔管，為后期傳感器安裝提供通道空間。預(yù)埋管件底部先用土壓實(shí)，豎直在土層中，在周圍填土。

4)內(nèi)保護(hù)管安裝：待外部管件固定完畢后，將一根3 m長的內(nèi)保護(hù)管(鍍鋅管)插入到外管件內(nèi)部，套在位移計(jì)安裝管外部。將位移計(jì)頭部光纖引線和鋼索從內(nèi)保護(hù)管引出，隔離土體與鋼繩，保護(hù)鋼繩和位移計(jì)頭部光纖引線。在外部管件和內(nèi)保護(hù)管之間，回填松散細(xì)砂，固定內(nèi)保護(hù)管。

5)上底板安裝：待填土高度達(dá)到2.8 m～3.2 m位置時(shí)，將外管件全部拔開。將強(qiáng)力彈簧放入到安裝支座的彈簧保護(hù)管內(nèi)，扣入到內(nèi)保護(hù)管頭上。將下位移計(jì)頭部光纖引線從上安裝支座側(cè)邊開孔引出。將與下位移計(jì)連接固定的鋼繩從上安裝底板鎖繩孔穿出，用力拉伸鋼繩將光纖光柵位移計(jì)拉至滿量程，采用鋼繩自鎖件將鋼繩鎖死固定。然后向安裝底板坑內(nèi)填筑土體，并夯實(shí)。

6)循環(huán)操作：隨著填土填筑增高，循環(huán)步驟1)～5)，完成其他層位深度處的光纖位移計(jì)安裝。

7)集成與監(jiān)測：引線引出墻體后采用通訊光纜一直連接至方便操作的平臺集中測試。光纖光柵位移沉降監(jiān)測采用便攜式每天定時(shí)采集或建造一監(jiān)測房實(shí)時(shí)采集并無線發(fā)送至遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)自2015年4月19日開始進(jìn)入施工現(xiàn)場進(jìn)行光纖傳感器布設(shè)安裝。開始布設(shè)安裝位移計(jì)時(shí)，高填方邊坡已填筑一定厚度土體。截至7月11日，已完成10個(gè)光纖位移計(jì)的布設(shè)安裝，總計(jì)填土高度約為29 m，填土底部記為0 m位置，填土頂部位置記為29 m。其中第9個(gè)位移計(jì)監(jiān)測層位厚度為2.5 m、第10個(gè)位移計(jì)監(jiān)測層位厚度為2.0 m，最上部位移計(jì)蓋板上覆填土約為0.5 m。5月9日開始對所布設(shè)的光纖位移計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

圖4為2015年5月12日～8月10日，分層沉降分布式光纖監(jiān)測儀采集的沉降變形數(shù)據(jù)。

3.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1)填筑土分層沉降分布式光纖監(jiān)測儀，能很好地監(jiān)測到各層土的沉降變形過程和累計(jì)沉降變形量，大部分土層呈現(xiàn)出填筑土典型的壓密沉降三階段這一規(guī)律。

2)施工機(jī)械夯實(shí)和降雨會顯著影響填筑土的沉降變形，其中降雨對填筑土的累計(jì)沉降變形量影響十分顯著。

3)由于每一監(jiān)測分層的起始變形監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)難統(tǒng)一，因此起始快速沉降變形段的變形累計(jì)量各分層監(jiān)測數(shù)據(jù)大小不一，也影響到了至監(jiān)測日累計(jì)沉降變形量的數(shù)值，建議在分析各個(gè)分層沉降量時(shí)，剔除起始快速沉降變形段的沉降量進(jìn)行分析。從目前監(jiān)測到的該填土邊坡總沉降量為203.5 mm。

4 結(jié)論與建議

1)針對填筑土沉降變形特點(diǎn)，研制出了準(zhǔn)分布式的填筑土分層沉降光纖監(jiān)測儀，實(shí)現(xiàn)了填筑土分層沉降變形的監(jiān)測，現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該技術(shù)能很好地監(jiān)測到各層土的沉降變形過程和累計(jì)沉降變形量，大部分土層呈現(xiàn)出填筑土典型的壓密沉降三階段這一規(guī)律。

2)填筑土分層沉降光纖監(jiān)測儀，應(yīng)用了基于布拉格光柵原理的準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)，它具有測距長，準(zhǔn)分布式、多層位數(shù)據(jù)采集，環(huán)境兼容性強(qiáng)和使用壽命長等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足，為研究填筑土內(nèi)部分層變形及掌握變形速率提供了十分先進(jìn)的監(jiān)測手段。

3)由于每一監(jiān)測分層的起始變形監(jiān)測時(shí)間點(diǎn)難于統(tǒng)一，因此起始快速沉降變形段的變形累計(jì)量各分層監(jiān)測數(shù)據(jù)大小不一，也影響到了至監(jiān)測日累計(jì)沉降變形量的數(shù)值，建議在分析各個(gè)分層沉降量時(shí)，剔除起始快速沉降變形段的沉降量進(jìn)行分析。

4)填筑土分層變形監(jiān)測系統(tǒng)在施工及監(jiān)測過程中成活率高，施工工藝簡單、便捷，在填筑土監(jiān)測項(xiàng)目中適應(yīng)性較強(qiáng)，獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠精確，市場推廣應(yīng)用潛力巨大。