光纖光柵測(cè)試技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用光柵

光纖光柵測(cè)試技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用1精品PPT|實(shí)用可編輯第一頁(yè)，共二十二頁(yè)。1引言

在巖土工程監(jiān)測(cè)中，應(yīng)變是最重要的參數(shù)之一，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片由于自身的一些缺陷，逐漸的難以滿足目前巖土工程監(jiān)測(cè)要求，而光纖光柵傳感器憑借它的可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，尺寸小，施工工藝簡(jiǎn)便，以及可復(fù)用性強(qiáng)等諸多方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸受到關(guān)注，并被推廣應(yīng)用于各類(lèi)土木工程實(shí)踐中。從上世紀(jì)八十年代末期美國(guó)工程師首次把光纖傳感器應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域之后，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)，目前該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而我國(guó)還處于起步階段。本文僅以某工程的一根試驗(yàn)樁為例，簡(jiǎn)要介紹光纖光柵傳感器的工作原理，并比較光纖光柵傳感器與電阻應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果，分析光纖光柵傳感器在巖土工程監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景。2精品PPT|實(shí)用可編輯第二頁(yè)，共二十二頁(yè)。2光纖光柵傳感器的工作原理

光纖光柵傳感器是利用光纖材料的光敏性，即外界入射光子和纖芯相互作用而引起的后者折射率的永久性變化，用紫外激光直接寫(xiě)入法在單膜光纖的纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其實(shí)質(zhì)是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾光器或反射鏡。Bragg光柵傳感器是通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象應(yīng)變的絕對(duì)測(cè)量。當(dāng)光柵產(chǎn)生軸向應(yīng)變時(shí)，反射窄帶光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，在忽略溫度影響的前提下，波長(zhǎng)偏移量與應(yīng)變的關(guān)系滿足下式：3精品PPT|實(shí)用可編輯第三頁(yè)，共二十二頁(yè)。

其中:Pe為光纖的彈光系數(shù)，為光纖光柵不受應(yīng)變作用下的中心波長(zhǎng)，為外加軸向應(yīng)變，k為光纖光柵相對(duì)應(yīng)的靈敏度系數(shù)，為應(yīng)變引起的波長(zhǎng)偏移。

由此可見(jiàn)，光纖產(chǎn)生的應(yīng)變于反射波波長(zhǎng)的偏移量成正比，只要準(zhǔn)確測(cè)量出Bragg光柵波長(zhǎng)偏移量就可以計(jì)算出纖內(nèi)Bragg光柵的應(yīng)變。4精品PPT|實(shí)用可編輯第四頁(yè)，共二十二頁(yè)。

BRAGG光纖光柵屬于反射型工作器件，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（下圖中Ii）通過(guò)傳輸光纖射入時(shí)，它與光場(chǎng)發(fā)生耦合作用，對(duì)該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光（下圖中Ir），并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光（下圖中It）則直接透射過(guò)去。5精品PPT|實(shí)用可編輯第五頁(yè)，共二十二頁(yè)。3試樁概況:

3.1地質(zhì)條件：6精品PPT|實(shí)用可編輯第六頁(yè)，共二十二頁(yè)。PPT內(nèi)容概述光纖光柵測(cè)試技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用。精品PPT|實(shí)用可編輯。從上世紀(jì)八十年代末期美國(guó)工程師首次把光纖傳感器應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域之后，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)做了大量的實(shí)驗(yàn)，目前該技術(shù)已經(jīng)較為成熟，而我國(guó)還處于起步階段。Bragg光柵傳感器是通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)光譜的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象應(yīng)變的絕對(duì)測(cè)量。試樁樁長(zhǎng)46.5m，樁徑1.8m，預(yù)計(jì)承載力2×34050kN。每級(jí)加載為預(yù)估承載力的1/15，第一級(jí)按兩倍荷載分級(jí)加載，測(cè)試采用慢速維持荷載法加載。每個(gè)截面的3個(gè)方向采用常規(guī)電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)量測(cè)，另一方向采用埋入式光柵傳感器量測(cè)，測(cè)量分辨率小于1με，測(cè)量范圍在±3000με之間。光柵數(shù)據(jù)采用PI04B系列光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀采集并轉(zhuǎn)換成應(yīng)變數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。圖2埋入式光柵傳感器及PI04B系列光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。測(cè)試所加的各級(jí)荷載以及相應(yīng)的向上向下位移如表2和圖3所示：。21第七頁(yè)，共二十二頁(yè)。3.2試樁概況試樁樁長(zhǎng)46.5m，樁徑1.8m，預(yù)計(jì)承載力2×34050kN。試樁采用自平衡法來(lái)進(jìn)行。每級(jí)加載為預(yù)估承載力的1/15，第一級(jí)按兩倍荷載分級(jí)加載，測(cè)試采用慢速維持荷載法加載。本次試驗(yàn)中樁身軸力用兩種傳感器。每個(gè)截面的3個(gè)方向采用常規(guī)電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)量測(cè)，另一方向采用埋入式光柵傳感器量測(cè)，測(cè)量分辨率小于1με，測(cè)量范圍在±3000με之間。光柵數(shù)據(jù)采用PI04B系列光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀采集并轉(zhuǎn)換成應(yīng)變數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。傳感器布置在巖土界面分界處。布設(shè)截面位置見(jiàn)圖1，共布設(shè)7個(gè)截面，21只常規(guī)鋼筋應(yīng)變計(jì)，7只光柵傳感器。8精品PPT|實(shí)用可編輯第八頁(yè)，共二十二頁(yè)。9精品PPT|實(shí)用可編輯第九頁(yè)，共二十二頁(yè)。圖2埋入式光柵傳感器及PI04B系列光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀10精品PPT|實(shí)用可編輯第十頁(yè)，共二十二頁(yè)。

初始加載階段向上向下位移均緩慢增加，隨著荷載的增加，向上和向下的位移逐漸增加，達(dá)到預(yù)計(jì)加載值時(shí)，向上的位移達(dá)到11.15mm，向下的位移為9.22mm，因位移小，故繼續(xù)增加一級(jí)荷載，至2×40160kN，達(dá)荷載箱加載極限，然后開(kāi)始逐級(jí)卸載。測(cè)試所加的各級(jí)荷載以及相應(yīng)的向上向下位移如表2和圖3所示：11精品PPT|實(shí)用可編輯第十一頁(yè)，共二十二頁(yè)。12精品PPT|實(shí)用可編輯第十二頁(yè)，共二十二頁(yè)。3.3測(cè)試結(jié)果

將部分截面處由電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)所測(cè)得的應(yīng)變值的平均值和光柵傳感器所測(cè)得的應(yīng)變值進(jìn)行比較，如圖4～圖9所示。圖4標(biāo)高為5.99m處截面應(yīng)變值圖5標(biāo)高為-4.41處截面應(yīng)變值13精品PPT|實(shí)用可編輯第十三頁(yè)，共二十二頁(yè)。

圖6標(biāo)高為-11.21m處截面應(yīng)變值圖7標(biāo)高為-20.61m處截面應(yīng)變值14精品PPT|實(shí)用可編輯第十四頁(yè)，共二十二頁(yè)。圖8標(biāo)高為-25m處截面應(yīng)變值圖9標(biāo)高為-31m處截面應(yīng)變值

15精品PPT|實(shí)用可編輯第十五頁(yè)，共二十二頁(yè)。精品PPT·收集整理第十六頁(yè)，共二十二頁(yè)。

比較上述測(cè)試結(jié)果，可以得到電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)和光柵傳感器測(cè)試的數(shù)據(jù)比較接近，特別是在應(yīng)變比較大時(shí)誤差更小，但光柵傳感器的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)一些，且更加穩(wěn)定，零漂較小。根據(jù)電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)和光柵傳感器測(cè)得的樁身應(yīng)變采用標(biāo)定斷面法分別進(jìn)行計(jì)算，可以得出各土層和巖層的摩阻力，端阻力,以及等效成樁頂加載情況下的承載力位移曲線,計(jì)算結(jié)果如下圖所示，圖10側(cè)摩阻力－位移曲線，圖11樁端阻力－位移曲線，圖12等效樁頂荷載－位移曲線中的（a）為由電阻式鋼筋應(yīng)變計(jì)測(cè)得的應(yīng)變值計(jì)算出的相應(yīng)結(jié)果，（b）為根據(jù)光柵傳感器測(cè)得的應(yīng)變值計(jì)算出的相應(yīng)結(jié)果。17精品PPT|實(shí)用可編輯第十七頁(yè)，共二十二頁(yè)。

（a）（b）

圖10側(cè)摩阻力－位移曲線18精品PPT|實(shí)用可編輯第十八頁(yè)，共二十二頁(yè)。

（a）（b）

圖11樁端阻力－位移曲線19精品PPT|實(shí)用可編輯第十九頁(yè)，共二十二頁(yè)。

（a）（b）

圖12等效樁頂荷載－位移曲線20精品PPT|實(shí)用可編輯第二十頁(yè)，共二十二頁(yè)。

4結(jié)論從計(jì)算結(jié)果可以看出，用傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變計(jì)和用光柵傳感器測(cè)得的應(yīng)變計(jì)算得出的各個(gè)土層摩阻力比較接近，并且趨勢(shì)變化也基本一致；按照自平衡轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換成的轉(zhuǎn)換荷載——位移曲線也相差很小，只有端阻力位移曲線差別稍大。從本工程來(lái)看，在巖土工程領(lǐng)域光柵傳感器可以取代傳統(tǒng)電阻式應(yīng)變計(jì)，從技術(shù)角度來(lái)講，將光柵傳感器應(yīng)用于巖土工程監(jiān)測(cè)中已經(jīng)不成問(wèn)題。但是