基于fbg技術(shù)的新型棒式光纖位移傳感器

基于fbg技術(shù)的新型棒式光纖位移傳感器

對于大型土木工程結(jié)構(gòu)，物理模型試驗是彌補現(xiàn)場監(jiān)測限制、驗證數(shù)值計算結(jié)果的有效方法。通過對水文條件變化、載荷配置工具的全過程模擬，我們可以直觀地全球地理解各種工程措施引起的巖石變形和潛在破壞的性質(zhì)，這對指導(dǎo)土木工程和工程布局具有重要意義。對設(shè)計和施工活動的規(guī)劃和設(shè)計具有重要意義。對。在模型試驗中,變形作為一個揭示結(jié)構(gòu)體對荷載的響應(yīng)和安全狀態(tài)的最重要指標(biāo),是室內(nèi)監(jiān)測的關(guān)鍵點.在目前的技術(shù)條件下,一般采用表面安裝式位移計、表面黏貼式電阻應(yīng)變片、非接觸式激光位移傳感器等監(jiān)測模型各個方向上的位移.對于地質(zhì)力學(xué)模型而言,模型須最大程度地還原工程現(xiàn)場的地形變化特征以及包括巖層、節(jié)理、斷層等在內(nèi)的復(fù)雜地質(zhì)條件,所以模型在荷載下產(chǎn)生的內(nèi)部和外部變形通常有著很大的差別.由于模型尺寸空間的限制,模型內(nèi)部位移的直接量測較難實現(xiàn),而安裝在模型表面的監(jiān)測儀器卻又無法獲取模型內(nèi)部真實的結(jié)構(gòu)響應(yīng).近年來,光纖傳感技術(shù)得到了突飛猛進的發(fā)展,光纖傳感器體積小巧、靈敏度高、抗干擾能力強,在土木工程模型試驗的應(yīng)變、位移監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢.但是,目前相關(guān)的應(yīng)用一般局限于監(jiān)測結(jié)構(gòu)體在外部荷載作用下產(chǎn)生的變形,光纖傳感器在監(jiān)測巖土體開挖措施引起變形這方面仍有待于研究.本文介紹了一種新型的基于光纖光柵(fiberbragggrating,FBG)技術(shù)的棒式位移傳感器,可以埋入地質(zhì)力學(xué)模型中進行內(nèi)部位移的監(jiān)測.通過假定不同的邊界條件,該位移傳感器不僅可以監(jiān)測模型在外荷載作用下的變形情況,還可以針對地下開挖活動進行實時、遠(yuǎn)程的變形監(jiān)測.本文介紹了該位移傳感器的工作原理以及標(biāo)定試驗結(jié)果,并就其在雙江口水電站地下洞群開挖三維模型試驗中的應(yīng)用,詳細(xì)闡述了傳感器的埋設(shè)技術(shù)、溫度補償方案,最后基于光纖監(jiān)測結(jié)果分析了模型開挖過程中的變形規(guī)律.1光纖位移傳感器的工作原理1.1光柵所受的線性關(guān)系光纖光柵技術(shù)是利用光柵反射特定波長光的特性來實現(xiàn)傳感的.當(dāng)寬帶入射光進入光纖時,光柵會反射特定波長的光,該反射光的中心波長值λB與光柵所受的軸向應(yīng)變和溫度有著線性關(guān)系.當(dāng)光柵受到拉伸應(yīng)變或者受熱膨脹時,波長增大;反之則波長減小.該線性關(guān)系可以表達(dá)為ΔλBλB=cεΔε+cTΔT,(1)ΔλBλB=cεΔε+cΤΔΤ,(1)式中:λB為反射光的初始中心波長;ΔλB為中心波長的漂移量;Δε,ΔT分別為光柵所受的應(yīng)變、溫度變化量;cε,cT分別為光纖光柵的應(yīng)變、溫度標(biāo)定系數(shù),其取值約為0.78和6.67×10-6℃-1.1.2u3000撓度分布光纖位移傳感器的主要思路來源于Euler-Bernoulli彎梁理論.對于長為L,半徑為R的圓形截面彈性梁(見圖1),梁上各點撓度和上下表面軸向應(yīng)變的關(guān)系為d2v(x)dx2=ε(x)R.(2)d2v(x)dx2=ε(x)R.(2)對式(2)兩端積分2次,得到v(x)=1R∫∫ε(x)dxdx+Ax+B.(3)v(x)=1R∫∫ε(x)dxdx+Ax+B.(3)對于兩端簡支梁,邊界條件為v|x=0=0,(4)v|x=L=0.(5)v|x=0=0,(4)v|x=L=0.(5)將以上邊界條件代入式(3),可得到A=?1RL∫L0∫L0ε(x)dxdx,(6)B=0,(7)A=-1RL∫0L∫0Lε(x)dxdx,(6)B=0,(7)所以v(x)=1R∫x0∫x0ε(x)dxdx?xRL∫L0∫L0ε(x)dxdx.(8)v(x)=1R∫0x∫0xε(x)dxdx-xRL∫0L∫0Lε(x)dxdx.(8)式(8)說明,當(dāng)兩端簡支梁受到彎曲產(chǎn)生變形,只要測出梁上軸向應(yīng)變分布,即可推算出撓度分布.反之,軸向應(yīng)變也可由撓度推算出,兩者為一一對應(yīng)關(guān)系.根據(jù)這一思路,采用半徑為5mm的膠棒,將準(zhǔn)分布式的光纖光柵對稱黏貼于棒體表面的預(yù)制槽內(nèi),并用環(huán)氧樹脂密封.棒體的長度和傳感器布設(shè)間距可以根據(jù)實際需要進行設(shè)計.當(dāng)光纖位移傳感器沿豎向(或水平向)埋入地質(zhì)力學(xué)模型內(nèi)部以后,模型的分級開挖或者局部加荷導(dǎo)致某些部位發(fā)生變形,使得棒體受到橫向力作用并產(chǎn)生相應(yīng)的彎曲變形.此時棒體表面的光纖光柵可測出各點的拉、壓應(yīng)變,從而可以擬合出棒體表面的軸向應(yīng)變分布曲線.根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理,該棒在水平方向上的受彎撓曲分布曲線即為模型的水平位移值.在傳感器埋設(shè)時,如果保證棒體穿越模型內(nèi)部的變形區(qū),進入相對穩(wěn)定區(qū),就可以視其兩端的水平位移為零,基本符合以上的假定條件.2波場表現(xiàn)對比光纖位移傳感器的標(biāo)定試驗在香港理工大學(xué)土力學(xué)實驗室中完成.首先,制作了多根不同長度、光柵布設(shè)間距的光纖位移傳感器.在試驗中,采用位移臺在位移傳感器上各個位置逐級施加撓度,并用傳統(tǒng)的數(shù)字式位移計(LVDT)讀取棒體的實際位移.標(biāo)定試驗分為單向彎曲和雙向彎曲2類,見圖2.表1和圖3顯示了部分標(biāo)定試驗中普通位移計與光纖位移傳感器量測結(jié)果的對比.這表明,光纖位移傳感器可較為精確地測量撓度沿棒長的分布,并具有精度高、量程大等優(yōu)點.3地下孔群模型的光纖位移監(jiān)測3.1地質(zhì)模型試驗研究雙江口水電站位于大渡河上源足木足河與綽斯甲河匯口以下約2km河段處.該水電站的地下廠房包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、母線洞、尾水洞、進入交通洞等.廠房內(nèi)三大洞室平行布置,其中主廠房全長196m,寬29.3m,高63m.該地下洞群結(jié)構(gòu)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地應(yīng)力極高,洞室開挖后相互作用效應(yīng)突出.本次模型試驗是在山東大學(xué)最新研制的全三維模型試驗鋼結(jié)構(gòu)架上進行的.模型的幾何比尺取1∶150,模型具體尺寸和開挖部位如圖4所示.該三維模型采用山東大學(xué)自行研制的鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料進行建造.采用了預(yù)制模型塊和預(yù)留監(jiān)測孔然后堆砌成型的工藝方法,較好地保證了模型材料在力學(xué)性能上的一致性.在該地質(zhì)力學(xué)模型試驗中,開挖部位包括廠房區(qū)的主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室、母線洞和尾水洞,較真實地模擬了洞群開挖的三維效應(yīng).試驗中設(shè)計了4個開挖分層,整個開挖過程共分21大步、52小步,開挖采用人工鉆、鑿掘進方式,并同步安裝微型錨桿、錨索以模擬現(xiàn)場的支護措施.3.2試驗方法和過程地下洞群開挖會引起圍巖的卸荷回彈、應(yīng)力重分布,開挖引起的變形通常是從洞室周邊開始,而后逐漸向圍巖深部發(fā)展.為了獲得模型開挖時洞群圍巖周邊的變形特征,在距離主廠房、尾水調(diào)壓室邊墻19mm處預(yù)留了3個直徑為18mm的豎孔,設(shè)置了3根長為1m、直徑為10mm的光纖位移傳感器,見圖5.每根傳感器棒體的兩側(cè)各布置了5個光纖光柵,布設(shè)間距為200mm.為了實現(xiàn)光柵應(yīng)變讀數(shù)的溫度補償,模型內(nèi)埋設(shè)了一個金屬管封裝的基于光纖光柵技術(shù)的光纖溫度傳感器,在試驗全過程中,對模型內(nèi)部由于室溫變化引起的光纖光柵波長變化量進行實時監(jiān)測.采用這種參考光柵法,光柵測得的應(yīng)變讀數(shù)可進行溫度效應(yīng)修正,提高了監(jiān)測精度.為了保證光纖棒式傳感器安全順暢地進入預(yù)制孔中,在埋設(shè)前先用鋼絲綁住棒體兩端,并使鋼絲穿過預(yù)制孔.然后,從孔口灌入預(yù)先調(diào)配好的高模量雙組份硅膠,并緩慢拉動鋼絲,使棒體逐漸沒入孔中,并定位至設(shè)計標(biāo)高.24h后檢測發(fā)現(xiàn)硅膠已完全凝結(jié)硬化,棒體和模型基本滿足變形協(xié)調(diào)條件.在模型試驗中,除了光纖位移傳感器,還應(yīng)用了埋入式微型多點位移計、數(shù)字照相系統(tǒng)等多種量測技術(shù).由于不在本文討論范圍,故不詳細(xì)說明.3.3光纖監(jiān)測前期的數(shù)值分析結(jié)果表明,在洞群開挖過程中,由于開挖面應(yīng)力釋放,使得光纖光柵棒式傳感器主要受到水平向的推力作用,并發(fā)生相應(yīng)的側(cè)向變形.這與標(biāo)定試驗中的工作狀態(tài)近似.圖6是開挖階段光纖光柵棒式傳感器中初始波長為1520nm的光纖光柵測得的應(yīng)變值.由圖6可見,通過對模型內(nèi)部溫度的補償,光纖光柵應(yīng)變量測準(zhǔn)確性有了很大的提高.光纖監(jiān)測結(jié)果顯示,在地下洞群的開挖過程中,主廠房和尾水調(diào)壓室水平位移最大值均出現(xiàn)在邊墻的中部位置.主廠房兩側(cè)邊墻、尾水調(diào)壓室下游邊墻中部水平位移的光纖監(jiān)測結(jié)果詳見圖7.從圖7中可以看到,隨著開挖的進行,可觀察到洞周圍巖向洞室臨空方向逐漸發(fā)生相應(yīng)的側(cè)向變形.洞室周邊位移緩慢增大,但未出現(xiàn)明顯的位移速率過大的現(xiàn)象.由于尾水調(diào)壓室開挖高度較主廠房要大,因此尾調(diào)室邊墻處測得的位移要大于主廠房.由光纖監(jiān)測結(jié)果可知,開挖階段圍巖變形都控制在很小的范圍內(nèi),這說明圍巖始終保持相對穩(wěn)定的狀態(tài).4光纖監(jiān)測和位移檢測1)光纖位移傳感器在地質(zhì)力學(xué)模型開挖時內(nèi)部位移監(jiān)測的有效性在本文中得到了首次驗證.光纖光柵技術(shù)在模型試驗中