光纤Bragg光栅在公路软基沉降监测中的应用
黎剑华1，张鸿1，刘优平1，周院芳2，熊茂东2
(1. 南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西 南昌，330099；
2. 江西公路开发总公司，江西 南昌，330038)
摘要：针对目前我国高速公路软基沉降监测中的自动化程度及仪器可靠性低、数据传输不及时、测量误差大等现状，将光纤传感监测技术应用于该领域，探讨大量程光纤位移计的开发以及适合软基沉降监测的光纤传感器埋设工艺，并应用于德昌(江西德兴—南昌)高速公路D10标的软基沉降监测。研究结果表明：开发的大量程光纤位移计能满足软基沉降监测要求，与常规监测结果相比可靠性高，并能实现软基沉降数据的实时、在线、连续监测。
关键词：Bragg光栅；软基监测；大量程位移计；埋设工艺
中图分类号：TU443 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)05-1442-05
Fiber Bragg grating monitoring technology applied in soft ground settlement of highway
LI Jian-hua1, ZHANG Hong1, LIU You-ping1, ZHOU Yuan-fang2, XIONG Mao-dong2
(1. Department of Civil Engineering, Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330099, China;
2. Jiangxi Highway Exploitation General Company, Nanchang 330038, China)
Abstract: The fiber Bragg grating (FBG) technology was studied based on the current monitoring status of the highway soft ground settlement, such as the low degree of automation, the unsatisfied accuracy of the device, the slow data transmission and the greater measurement errors. The development of the long range optical fiber displacement sensor as well as its burying techniques which are suitable for soft ground settlement monitoring was analyzed. Both of them were applied in Dechang Highway D10 subject. The results show that the long-range optical fiber displacement sensor is able to meet the requirements of the soft ground monitoring. And data can be accurately monitored by means of real-time or on-line continuously.
Key words: fiber Bragg grating; monitoring of soft soil foundation; long-range optical fiber displacement sensor; burying technology
为了确保软土路基在施工过程中的安全稳定及准确预测工后沉降，应在工程全线选定具有代表性的特殊断面和一般断面进行软基监测，以便动态地控制加载速率，监控并指导全线路堤填筑的施工。目前，我国高速公路软基沉降监测中的自动化程度及仪器可靠性低，数据传输不及时，测量精度低，影响软基监测的效果和工后沉降的预测，不利于信息化施工。近年来，光纤传感技术的兴起给工程监测领域提供了一类新的技术和手段，以其抗静电干扰、灵敏度高、能实现网络数据实时传输等优势被日益广泛应用于隧道、边坡、大坝、桥梁等领域的监测[1-11]，但该技术应用于软基沉降监测鲜有报道。在此，本文作者就FBG(Fiber Bragg grating)在软基沉降监测中的技术难题如光纤位移传感器的改进、光纤位移传感器在软基中的埋设安装工艺等关键技术进行探讨。
1 软基沉降监测关键技术
1.1 FBG监测基本原理
光纤光栅传感技术是利用紫外光在光纤内部写入的光栅反射或透射布喇格波长光谱，测量被测结构的应变和温度的变化[12-15]。光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期T和反向耦合模的有效折射率neff，这2个参量发生改变的任何物理过程都将引起光栅Bragg光栅波长漂移，如下式所示：
(1)
式中：
为光栅Bragg中心波长的漂移量；neff为纤芯的有效折射率；
为光栅周期的变化。
所有引起光栅Bragg波长漂移的外界因素中，最直接的为应变、温度参量，这两者的变化都会导致光栅周期T发生变化，并且光纤本身具有弹光效应，使得有效折射率neff也随外界应变的变化而变化，也就是说，光纤光栅反射中心波长的变化反映了外界被测信号的变化。应变引起光栅Bragg波长漂移量可以由下式予以描述：
(2)
式中：Pe为光纤的弹光系数；
为应变变化量。
由于温度变化也会引起Bragg光栅波长发生变化，其两者关系如下式所示：
(3)
式中：
为Bragg的热膨胀系数；
为Bragg的热光系数；
为温度变化。
光栅Bragg波长的漂移量可以通过光纤光栅解调装置来监测，这样就可以推导外界应变、温度参数的变化。
1.2 FBG位移计的改进
FBG位移计具有监测灵敏度高的优点，但目前其监测的量程很有限，国内如北京基康公司生产的FBG位移计量程在20 cm以内，能满足桥梁、隧道、大坝等领域的位移监测，而高等级公路软基沉降值远超出此量程，所以，必须开发适合软基沉降监测的大量程位移计以满足监测要求。
图1所示为大量程位移传感器的原理图，金属管内的2个FBG的弹性系数分别为K1和K2。前部金属杆与1个弹性系数为K3的弹簧相连，后部金属杆与1个弹性系数为K4的弹簧相连。这种位移传感器的本质是将外界被测物发生的位移通过弹簧转化为FBG的应变变化。
图1 大量程位移传感器的原理图
Fig.1 Principle of long-range displacement sensor
FBG1和弹簧1组成的弹性系数K为：
(4)
同样，FBG2和弹簧2组成的弹性系数
为：
(5)
当该位移传感器左端圆盘受到的压缩位移为
时，圆盘可以通过弹簧将位移变化转变成为FBG1的应变改变量。其中FBG1发生的应变
为：
(6)
当位移传感器右端圆盘受到压缩位移为
时，圆盘可以通过弹簧将位移变化转变成为FBG2的应变改变量。其中，FBG2发生的应变
为：
(7)
反过来，通过检测2个FBG的波长变化，即可求得传感器各自发生的应变，而通过传感器发生的应变可以计算出2个圆盘的压缩量。这种位移计所测得的位移为左、右圆盘发生的压缩位移之和，其量程可以达到40 cm以上，经过精心封装加工能基本满足软基沉降监测要求。
1.3 软基中FBG位移计的安装工艺
FBG位移计的安装大致可以分为表面粘贴式和埋入式安装。软基与桥梁、隧道、大坝监测的固体材料不同，软基土体是松散颗粒，如何保证散体颗粒的位移和应变传递到与之弹性模量较大的FBG位移计上是目前的一大难题，这里采取的措施是在土层中放置大直径圆盘，土层沉降带动圆盘沉降，使FBG位移计感应到土层的位移变化。
将位移传感器在现场埋设安装时，先在软基沉降监测点钻孔，钻孔的深度应穿过整个监测的软基地层。钻孔后将注浆锚头下放，与注浆锚头连接的测杆可以不断连接加长，注浆锚头下放到孔底后，进行注浆固定。
光纤位移计安装示意图见图2。位移传感器基座安装在离孔口2~3 m处，其下端与测杆连接，上部与传感器保护罩相连，传感器保护罩里面是封装好的位移传感器，传感器保护罩上部通过连接测杆与1个大直径的圆盘连接。为保证软基沉降位移全部传递到位移计上，圆盘直径不小于20 cm。
图2 光纤位移计安装示意图
Fig.2 Installation of FBG displacement sensor
软基发生沉降时，将带动圆盘下沉。由于传感器底端最终连接的是相对不动的注浆锚头，因此，圆盘的下沉量即为软基沉降量，该沉降量全部作用在光纤位移计上而被监测。
2 软基监测与分析
2.1 工程概况
德昌高速为江西德兴至南昌高速公路是规划的江西省高速公路网的重要组成部分，也是国家高速公路杭州至瑞丽和上海至昆明高速公路之间的横向地方加密高速公路。本次监测范围为软基施工现场D10标段；该标段0~3.5 m深度范围内为粉质黏土，3.5~5.0 m深度内为淤泥质土，5.0~8.0 m深度内为粉质黏土，8.0 m深度以下为细砂、圆砾。软基采用CFG桩处理。
2.2 监测系统
本次软基沉降监测在研究断面上共布置4个监测孔，分别监测路基总沉降以及3.5，5.0和8.0 m分层沉降，解调仪器选用美国MOI公司产的SI425-500型解调仪。该解调设备解调精度高，性能稳定，具有一定防潮、防尘能力，适合在恶劣环境下进行监测，解调波长范围为1.52~1.57 μm，足以满足本次WMD系统测试要求[16]。光纤传感监测现场埋设示意图见图3，监测网络参数见表1。
根据《公路路基施工技术规范》(JTGF 10—2006)要求，本次监测频率原则是每填筑1层至少观测1次；若2次填筑间隔时间较长，则每3 d至少观测1次；路堤填筑完成后，半月观测1次；由于光纤监测自动化程度高、现场取数容易，则在整个软基填筑施工期(2010-01~2010-05)内，坚持每天读取存储数据1次。
图3 软基光纤传感监测系统
Fig.3 Monitoring system of soft soil foundation
表1 位移计参数
Table 1 Parameters of displacement sensors
2.3 监测数据处理与分析
路基总沉降监测结果见图4。从图4可以看出：在整个路堤填筑施工期内，软基沉降速率控制较好，不过在2010-01-19累计沉降较前一天增加13.86 mm，2010-03-13累计沉降较前一天增加10.86 mm，超出了路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于10 mm的控制标准，引起设计单位、建设单位和施工单位的高度重视，及时调整填土速度，使沉降速率得到控制，保证了地基稳定。
图4 路基沉降监测成果
Fig.4 Monitored results of soft ground settlement
图5所示为各分层沉降和路基总沉降曲线。从图5可以看出：分层沉降变化趋势与路基总沉降变化趋势基本一致，淤泥分层的沉降相对不大，表明采用CFG桩处理软基效果较好。
图5 路基分层沉降曲线
Fig.5 Curves of layer soft ground settlement
图6所示为常规沉降板监测的沉降与光纤监测沉降的比较。从图6可见：2种监测方式的沉降变化趋势基本一致；但常规监测的沉降漂移较大。这可能是监测过程中人为及仪器误差所致，而光纤监测的沉降没有出现上、下反复漂移，误差较少。
图6 常规监测与光纤监测数据的比较
Fig.6 Comparison of settlement between conventional and FBG monitoring
3 结论
(1) 本工程对路基的地表沉降进行了较完整的监测，掌握软基在路堤填筑过程中的沉降变形情况，对指导施工、合理控制路堤填土速率、确保工程质量、实行信息化管理具有重要作用。
(2) 开发的大量程光纤位移计能满足软基沉降监测要求，与常规监测沉降相比可靠性高，并能实现软基沉降的实时、在线、连续监测，实现了光纤传感技术在软基沉降监测领域的发展与应用。
参考文献：
[1] 魏广庆, 施斌, 胡盛, 等. FBG在隧道施工监测中的应用及关键问题探讨[J]. 岩土工程学报, 2009, 31(4): 571-576.
WEI Guang-qing, SHI Bin, HU Sheng, et al. Several key problems in tunnel construction monitoring with FBG[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(4): 571-576.
[2] 胡宁. FBG应变传感器在隧道长期健康监测中的应用[J]. 交通科技, 2009, 234(3): 91-94.
HU Ning. Application of optical FBG sensors to long term health monitoring for tunnel[J]. Transportation Science & Technology, 2009, 234(3): 91-94.
[3] 隋海波, 施斌, 张丹, 等. 边坡工程分布式光纤监测技术研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(2): 3725-3731.
SUI Hai-bo, SHI bin, ZHANG Dan, et al. Study on distributed optical fiber sensor-based monitoring for slope engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(2): 3725-3731.
[4] 李焕强, 孙红月, 刘永莉, 等. 光纤传感技术在边坡模型试验中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(8): 1703-1708.
LI Huan-qiang, SUN Hong-yue, LIU Yong-li, et al. Application of optical fiber sensing technology to slope model test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(8): 1703-1708.
[5] 蒋卿. 分布式光纤传感网络在边坡变形监测中的应用[J]. 安徽水利水电职业技术学院学报, 2008, 8(1): 13-15.
JIANG Qing. The application of distributed optical fiber sensing net in slope monitoring[J]. Journal of Anhui Technical College of Water Resources and Hydrol Electric Power, 2008, 8(1): 13-15.
[6] 徐卫军, 侯建国, 李端有. 分布式光纤测温系统在景洪电站大坝混凝土温度监测中的应用研究[J]. 水力发电学报, 2007, 26(1): 97-101.
XU Wei-jun, HOU Jian-guo, LI Duan-you. Application research on temperature monitoring in concrete of Jinghong hydropower station by distributed optical fiber temperature measurement system[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2007, 26(1): 97-101.
[7] ZHANG Xu-she, DU Yan-liang, NING Chen-xiao. A new monitoring method of cable tension of cable-stayed bridge-fiber Bragg grating method[J]. Journal of Central South University of Technology, 2005, 12(2): 261-263.
[8] WU Zhan-jun, ZHANG Bo-ming, WAN Li-bing, et al. Engineering approach to in-situ bridge health monitoring with fiber Bragg gratings[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2006, 13(5): 588-594.
[9] 葛捷. 分布式布里渊光纤传感技术在海堤沉降监测中的应用[J]. 岩土力学, 2009, 30(6): 1856-1860.
GE Jie. Application of BOTDR to monitoring sea dyke subsidence[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(6): 1856-1860.
[10] 胡建华, 汪稔, 胡明鉴, 等. 多年冻土路堤水平排水板的作用机理与试验研究[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2009, 40(5): 1451-1456.
HU Jian-hua, WANG Ren, HU Ming-jian, et al. Test and mechanism of horizontal plastic drain in permafrost regions embankment[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2009, 40(5): 1451-1456.
[11] 乔迎欣, 黎剑华, 贺跃光. 光纤监测技术在土木工程中的应用现状及展望[J]. 南昌工程学院学报, 2007, 26(1): 13-18.
QIAO Ying-xin, LI Jian-hua, HE Yue-guang. Application and prospect of fiber optic monitoring technology in civil engineering[J]. Journal of Nanchang Institute of Technology, 2007, 26(1): 13-18.
[12] 李宏男, 任亮. 结构健康监测光纤光栅传感技术[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2008: 16-27.
LI Hong-nan, REN Liang. Structural health monitoring FBG sensing technology[M]. Beijing: China Architecture & Building Press, 2008: 16-27.
[13] 井浩宇, 张宇, 陈奇, 等. 光纤Bragg光栅温度传感的机理分析[J]. 长春理工大学学报: 自然科学版, 2009, 32(2): 227-229.
JING Hao-yu, ZHANG Yu, CHEN Qi, et al. Mechanism analysis on fiber Bragg grating temperature sensing[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology: Natural Science Edition, 2009, 32(2): 227-229.
[14] 阎石, 丁傲, 任亮. 光纤Bragg光栅温度传感器光学特性研究[J]. 沈阳建筑大学学报: 自然科学版, 2009, 25(2): 250-254.
YAN Shi, DING Ao, REN Liang. Study on the optical charactertic of FBG temperature sensor[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University: Natural Science, 2009, 25(2): 250-254.
[15] 于国庆, 韩兴德, 李永伟. 光纤布拉格光栅(FBG)温度传感器增敏封装技术[J]. 河北工业科技, 2009, 26(1): 1-4.
YU Guo-qing, HAN Xing-de, LI Yong-wei. Packaging technique of enhancing temperature-sensitivity for fiber Bragg grating sensor[J]. Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2009, 26(1): 1-4.
[16] 陈亮, 黄俊斌. 光纤布拉格光栅传感器阵列实时解调方案的研究[J]. 舰船电子工程, 2008, 28(12): 185-188.
CHEN Liang, HUANG Jun-bin. A real-time demodulation method of fiber Bragg grating sensor array[J]. Ship Electronic Engineering, 2008, 28(12): 185-188.
(编辑 陈灿华)
收稿日期：2010-08-10；修回日期：2010-10-28
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50969007)；江西省科技计划项目(2010BGB01302)；江西省交通运输厅重点科技项目(2010C00013，2010C00014)
通信作者：黎剑华(1967-)，男，江西南康人，博士，教授，从事岩土工程及光纤传感监测技术等研究；电话：13979123448；E-mail: gdwjljh@163.com
