辛 建， 刘志强,2， 韩高彬

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000;3.中国水电基础局有限公司 科研设计院，天津 301700)

FBG传感器在PHC管桩竖向静载试验中的应用

辛 建1， 刘志强1,2， 韩高彬3

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070;2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000;3.中国水电基础局有限公司 科研设计院，天津 301700)

根据目前FBG传感器在混凝土管桩中的应用现状，介绍了FBG传感器的数据处理原理，针对试验中最易发生破坏的环节，提出了一种可靠的FBG传感器埋设工艺，结合现场PHC管桩竖向静载试验，将试验数据与传统电阻应变片测试技术相比。试验结果表明：FBG传感器存活率高达97.06 %，测试数据可靠，测试精度满足工程要求，FBG传感器完全可以应用到PHC管桩竖向静载试验中。

FBG传感器； PHC管桩； 竖向静载试验； 埋设工艺

0 引 言

在工程应变测量技术中,电阻应变片是一种传统的获取应变实验数据的方法。电阻应变片因其价格便宜、技术成熟及反应速度快等优点,在实验测试中得到了广泛的应用。但是,电阻应变片易受环境(如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等)影响，寿命短、电磁干扰、存在零漂等原因,其应用受到一定程度的限制[1]。近年来，光纤Bragg光栅(FBG)传感器作为一种新的应变测量技术以其应变灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、体积小、易于安装、可靠性高、使用寿命长等特点,在工程结构的安全监测中得到了广泛的应用，并取得了很好的监测效果[2～5]。但由于混凝土管桩沉桩时冲击力大，对传感器的抗击打能力要求较高，目前国内已有将此传感系统应用于混凝土管桩测试的工程实例,但存在存活率普遍偏低、漂移大、稳定性差、防水要求极高、施工工艺复杂等问题。因此,有必要对FBG传感系统的埋设工艺进行深入研究。

文献[6]对FBG传感系统在灌注桩中的埋设工艺与可行性进行了研究，但均未涉及到将此系统运用于混凝土管桩测试的可行性分析。文献[7]对FBG传感系统在PHC桩中的埋设工艺进行了研究，由于传感器存活率较低，导致研究结果不太理想，然而存活的传感器的测试精度较高，能准确反映桩体内应变的变化。文献[8]成功地将FBG传感技术应用在混凝土预制桩水平载荷试验，得到的试验数据可靠、精度满足要求。

为了进一步丰富和完善FBG 传感技术在管桩的应用，本文提出了FBG传感器可靠的安装工艺，成功地应用到PHC管桩竖向静载试验中，通过与传统电阻应变片进行对比，表明FBG传感器完全适用PHC管桩应变测量。

1 FBG传感器的数据处理

1.1 FBG传感器的测试原理

用FBG传感器测试桩身内力的基本假设是：由于FBG传感器与混凝土是紧密地粘贴在一起的，它们同步变形，位移是连续的，因此，FBG传感器的应变既为混凝土的应变。FBG传感器是利用光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入纤芯，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤波器或反射镜。当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅Bragg条件的波长将产生反射，其余的波长透过FBG继续传输,而FBG的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移,所有引起光栅Bragg波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都会导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所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，这为FBG制成FBG应变传感器提供了最基本的物理特性。其传感原理如图1所示。

由于FBG对温度和应变是交叉敏感的，所以,当用FBG进行应变测量时须进行温度补偿，剔除温度变化带来的影响。在应变测量中，为了克服温度对测量的影响，在测量系统可采用同种温度环境下的FBG温度补偿传感器进行克服。

图1 FBG传感系统的基本原理图Fig 1 Basic principle diagram of FBG sensing system

在每级荷载下沉降接近稳定时，自上而下测试各截面埋设的光栅应变传感器中心波长。由于FBG只能对某个波长进行反射， 反射波长的变化需要通过光纤光栅解调仪来测量，一般需要对多只FBG传感器进行测量，也就是说要进行波分复用，将多只FBG串接、 每只FBG对于一个中心波长，在保证测量的动态范围内，各个FBG的波长之间不重叠，这样通过光纤光栅解调仪实现对不同FBG传感器的反射波长的测量，从而转换成压力或应变的数据。

1.2 数据分析原理

本次试验直接测量波长，经标定，通过式(4)可计算出某次测量的微应变，然后通过图2所示即可求得相应的转角、挠度、应力、弯矩、剪力、载荷等力学量。

微应变

ε=(λi-λ0)×964.22.

(1)

图2 数据分析原理图Fig 2 Principle diagram of data analysis

此图中，M为弯矩，I为截面惯性矩，r为管桩内壁半径，σ为管桩内壁任意点的应力，E为管桩的弹性模量，ε为应变，v″为挠度的二阶导数。

2 工程应用

2.1 地址概况

试验场地位于滨海平原，勘测最大孔深35m，除上部填土外，场地其余土均为滨海相海陆交互沉积地层，地质情况如表1所示。

表1 土层基本参数表Tab 1 Basic parameter list of soil layer

2.2 试验概况

试验对4根PHC管桩进行了竖向载荷试验，4根PHC管桩标号分别为S1,S3,S5，S6。标号为S1,S3的试验桩桩径为400 mm，桩长为24 m；标号为S5,S6的试验桩桩径为500 mm，桩长为21 m；试验中在试桩同一深度的两侧分别对称安装FBG传感器与电阻应变片如图3所示，两侧传感器的安装位置到桩顶的距离如表2所示。

图3 管桩FBG传感器与电阻应变片安装截面图Fig 3 Sectional view of pipe pile FBG sensors and resistive strain gauge installation

序号123456789S1(m)S3(m)1.02.03.04.05.9.08.017.520.022.6S5(m)S6(m)1.02.03.04.06.08.116.020.0-

2.3 FBG传感器埋设工艺

由文献[7]可知在对传感系统进行击打时,发现法兰盘接头和附近的区域最易发生破坏,数据连接线也易损坏,而FBG传感器最不易破坏。本文在试验中对以上最易发生破坏的环节采取了必要的措施。具体的FBG传感器埋设流程如下：1)放线：在水平放置的PHC管桩表面弹线，标出传感器埋设所需开槽的中心线和宽度。2)开槽：用手持式切割机沿放线指示切深度为12 mm的槽，要求槽底面平滑，无突出棱角。3)连线、切槽：将选好的传感器按照顺序连接起来，并放在设计深度平放到桩上，用记号笔标记出需要加宽、加深的部位及范围(主要是传感器和光纤接头部位)。安装标记加宽、加深切槽，如图4所示。4)切槽修饰、清洗：对安装传感器的点进行打磨抛光处理，用吹风机、毛刷将切槽内和周边灰尘、碎石屑清除并用清洗液擦拭，确保传感器能够与混凝土体表面通过胶水高性能结合。5)放置传感器、测试：将传感测线安置于切好的切槽内，然后把传感器串展开分布到每个安装点，传感器安置到指定点之后，涂上卡夫特快速AB 胶，涂胶时要求在传感器区域胶水厚度均匀，防止受力作用时出现多峰现象。同时，在传感器区域和尾纤部分用结构胶进行密封，待胶水凝固后，连接解调仪进行一次数据测试，确保传感器全部存活。6)灌封传感器：用现场配置好的与PHC管桩混凝土强度等级相同的灌封胶把放置有传感器的切槽完全充填，如图5所示。7)光纤引出端保护：光纤测线顶端的引出接头要妥善保护，避免在吊桩与打桩过程中的损坏。一般做法是在引出端桩体上打孔，将光纤引入桩体内部，测试时拉出读取数据，并及时现场配置好的与PHC管桩混凝土强度等级相同的灌封胶将空洞补上，接桩时的处理如图6所示。注意：1)由于FBG传感器可以串联以减少引出线，但为了增加传感器的成活率，每一串的传感器数量不宜太多(一般控制在10只以内)，当传感器数量较多时必须将测线分成若干段，并将每段的首尾光纤分别引出。2)光栅传感器使用光纤作为数据传输线，故在安装过程中必须轻拿轻放，避免折压。当需要改变测线方向时，转角半径应大于测线半径的3倍以上(过小的拐点半径虽然不会使光纤折断，但也会损失一定的信号强度)。应充分考虑到打桩过程中的震动给光纤再来的影响，在必要的位置要增加受力。

图4 传感器铺放图Fig 4 Sensors laying figure

图5 灌胶与封装Fig 5 Glue and encapsulation

图6 接桩桩头连接Fig 6 Pile head connection

2.4 试验结果分析

试验开始前测试初读数，全部68只FBG传感器测点存活66个，存活率较高，达97.06 %。其中，S3与S6桩身上的传感器均成活，限于篇幅，仅对标号为S6试桩进行分析。本次试验考虑到试验桩为工程桩， 避免桩身破坏，桩顶荷载只加到了1 500 kN。此时管桩基本保持弹性变形。通过FBG传感器获取的数据，经过整理换算成PHC管桩桩体的轴力如图7所示。将FBG应变传感器、电阻应变片实测结果进行对比，如图8所示。 。

图7 FBG传感器传递的S6桩压装过程中轴力分布图Fig 7 Axial force distribution of pile pressing process of S6 pile transmitted by FBG sensor

图8 埋深2 m处桩身轴力对比图Fig 8 Axial force contrast figure of embedded depth of 2 m place pile body

由图7可知，由FBG传感器传递的信息计算出来的轴力分布跟文献[9]分布规律相同，轴力均随着埋深的增加逐渐减小，上部减小速度快，下部减小速度慢，这也证明了监测数据的有效性。由图9可知电阻应变片与FBG传感器所得的轴力计算值较为接近，由电阻应变片所得轴力值小于由FBG传感器所得的值，但是所有测点的误差均在 10 %以内，曲线总的变化趋势保持一致。而且，试验加载过程中FBG传感器无一损坏，存活率达到100 %。由此可知，FBG传感器可以完全使用管桩竖向静载试验。

3 结 论

1)本文在介绍FBG 传感器数据处理原理的基础上，提出了一种新的FBG 传感器安装工艺，通过此工艺，传感器存活率达到 97.06%，为能够准确掌握PHC管桩在竖向载荷作用下的工作性状提供了保障。

2)本文结合实际工程的现场成功把FBG 传感技术应用到混凝土管桩的竖向静载荷试验中，通过与传统电阻应变片进行对比可知，FBG 传感器测试数据可靠、精度满足工

程要求，为今后进一步的应用积累了宝贵的经验。

3)本次试验压桩过程中，4根管桩桩身轴力随着埋深均逐渐减小，上部减小速度快，下部减小速度慢，变化规律明显。S6桩桩端分担了5 %～10 %的载荷值。由此可得， S6为摩擦桩。

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Application of FBG sensors in vertical static load test on PHC pipe piles

XIN Jian1， LIU Zhi-qiang1,2， HAN Gao-bin3

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;3.Research and Design Institute of China Hydropower Bureau Co Ltd，Tianjin 301700,China)

According to current application status of FBG sensors in concrete pipe piles,introduce data processing principle of FBG sensors,aiming at most prone to damage part in test,a reliable FBG sensors embedded technology is proposed,combined with field PHC pipe pile vertical static load test,experimental datas are compared with the traditional resistive strain gauge datas.Experimental results show that survival rate of FBG sensors is as high as 97.06 %,test datas are reliable and test precision can satisfy requirement of engineering,FBG sensors can be completely applied to vertical static load tests on PHC pipe piles.

FBG sensor; PHC pipe piles; vertical static load test; embedded technology

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0154—04

2014—06—09

U 655.55

A

1000—9787(2014)08—0154—04

辛 建(1986-)，男，河北石家庄人，硕士，助理工程师，从事岩土工程检测技术研究。