李 君，王 凱，劉捷華

（1、廣東省建筑科學研究院集團股份有限公司廣東省南亞熱帶綠色建筑共性技術工程技術研究中心 廣州 510599；2、廣東省建設工程質量安全檢測總站有限公司廣東省工程智慧檢測及大數據應用工程技術研究中心 廣州 510500）

0 引言

錨桿工程具有施工工藝簡單、安全可靠和經濟高效等優(yōu)點，在基礎工程、支護工程中有較廣泛的應用。錨桿與地質情況緊密相連，具有較大的復雜性與隱蔽性，使得錨桿在工作過程中很難發(fā)現質量問題，一旦出現問題，事故處理會更難。因此，對錨桿工作狀態(tài)的應力分布規(guī)律及變化情況的研究就顯得尤為重要，只有更好地了解錨桿工作時應力的分布規(guī)律及其變化情況，才能真正的確保錨桿工程的質量與安全［1-2］。

目前，國內外進行錨桿應力測試的方法主要有電阻應變式、振弦式等為代表的點式傳感器，分布式測試是錨桿工程中非常關鍵且亟待提高的一項技術。分布式光纖傳感技術研發(fā)始于20 世紀70 年代初，是一種以光為載體，光纖為媒介，集感測與傳輸為一體的高新傳感技術，20 世紀90 年代末，日本等發(fā)達國家開始將不同類型的光纖傳感器用于水電及土木工程領域，近些年來，本項技術開始在我國工程領域開始探索應用。分布式測試是指利用相關的測試技術獲得被測量在空間和時間上的連續(xù)分布信息，與傳統(tǒng)的傳感器對比，具有線性測量、抗干擾、耐久性好等較大的優(yōu)越性。光纖傳感技術以其獨特的優(yōu)勢得到快速發(fā)展且日益成熟，已經成為一種具有變革意義的新技術，該類技術一經問世，就得到土木工程、巖土工程和地質界的廣泛重視，成為地質與巖土工程測試的重要方法［3-11］。

1 分布式光纖傳感技術簡介

1.1 分布式光纖傳感器的組成

光纖感測技術是一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型感測技術，感測光纖也稱為“感知神經”。傳感光纖的主體是纖細的玻璃纖維材料，裸纖極易斷裂或折損，造成傳感系統(tǒng)的失效，因此必須對其進行封裝保護。對光纖的保護一般采用在光纖的外層增加涂敷層和護套的方式。圖1 給出一般傳感光纖的結構示意，從內到外包括光纖內核（玻璃纖維）—包層—涂敷層—護套［12-17］。

圖1 一般傳感光纖結構示意圖Fig.1 The Structural Representation of Optical Fiber

1.2 分布式光纖傳感器的選擇

目前光纖傳感技術分為光纖光柵（FBG 準分布式）和分布式光纖傳感技術，常用的分布式光纖測試技術主要瑞利（Rayleigh）散射光、布里淵（Brillouin）散射光兩種，根據光時域、光頻域解調技術的不同可分為OTDR、OFDR、BOTDR、BOTDA、BOFDA 等。常用分布式光纖應力測試技術參數如表1所示。

表1 常用分布式光纖應力測試技術參數Tab.1 The Technical Parameters of Optical Fiber

1.3 分布式光纖傳感器的原理

光纖傳感器通常包括光源、光纖、傳感頭、光探測器、信號處理電路。光源發(fā)射信號，光纖作為傳輸媒介負責信號傳輸，傳感頭即信號調制器，光源探測器將收到的光信號轉化為電信號，信號處理電路起到還原被測量信息的解調功能。當從外部光纖傳感器輸入的信號發(fā)生變化時，光纖中攜帶的光波的物理量，如頻率、波長等也會相應地改變。光纖傳感器是通過感測這些物理量的變化進而檢測要測量的值。在光纖進行傳感的過程中，光從光纖傳輸到傳感頭上，在此處，被測值與光發(fā)生相互作用，光波的參數發(fā)生變化，成為被調制后的、搭載變化物理量的光信號。此光信號再經過光纖渦合傳輸到探測器，將光信號轉化為電信號，再傳輸到調節(jié)器中進行解調，從而獲得被測參數，基于BOTDR測量原理如圖2所示［11］。

圖2 BOTDR測量原理Fig.2 The Measurement Principle of BOTDR

2 分布式光纖傳感器在錨桿上的安裝

錨桿桿體材料有多種，常用材料為螺紋鋼鋼筋，根據錨桿的施工工藝，在成孔安裝桿體后還需要注漿，因此，分布式光纖在安裝過程中，即需要考慮分布式光纖與桿體材料的協調變形性，還需要考慮在各工序施工過程中對分布式光纖的保護，分布式光纖在桿體上安裝如圖3所示。

圖3 分布式光纖在桿體上的安裝示意圖Fig.3 The Installation Method of Distributed Optical Fiber

為了準確地進行桿體應力測試，采用在鋼筋桿體刻槽埋設分布式光纖的方式進行安裝，具體包括桿體打磨處理、刻槽清潔、光纖鋪設與固定、光纖保護四個環(huán)節(jié)（見圖4），各環(huán)節(jié)的安裝具體步驟如下：

圖4 分布式光纖安裝環(huán)節(jié)Fig.4 Distributed Optical Fiber Installation Link

⑴桿體打磨：對選定的線路進行打磨拋光處理，將縱肋相鄰區(qū)域打磨光滑，打磨區(qū)的寬度大約為3～5 mm，去除錨桿表面的鐵銹和凸起雜質，以防影響分布式光纖的應力測試。

⑵ 刻 槽清潔：沿錨桿長度方向，在錨桿打磨位置進行刻槽，刻槽寬度為2～3 mm，刻槽深度建議為2 mm以內，刻槽后用沾有酒精的砂紙擦拭干凈。

⑶鋪設與固定：在打磨刻槽好的范圍對通長光纖進行埋設，在埋設過程中確保光纖平直，使其繃直，每隔5～8 cm 用502 膠水對一個點涂膠以先初步固定，在鋪設過程中注意光纖的保護，鋪設完成后進行通光檢驗。

黏貼劑采用環(huán)氧樹脂，用膠槍覆涂粘貼，把環(huán)氧樹脂膠水裝于膠槍后，先用熱風筒充分熱化后開始涂覆。在粘貼的同時用熱風機加熱促進硬化并再次檢查氣泡，黏結完成后進行通光檢驗，驗證分布式光纖的黏貼效果。

⑷光纖保護：黏貼完成后，頭部引線，采用穿套入0.9 mm 護套管和3.0 mm 鎧裝護套管的方式，進行加強保護，防止戶外高溫及雨水、異物刮碰等因素對導線的破壞，令自由段處的導線穿入煤氣管使其得到進一步的防護，用膠布纏繞并固定好導線與煤氣管相接處，并用塑料帶將煤氣管綁扎好。最后將所有導線套入PVC管保護。

3 分布式光纖與錨桿的協調變形試驗

為了更好驗證錨桿受力后，驗證分布式光纖與錨桿桿體之間的協調工作情況，在室內開展模擬錨桿的協調變形試驗，具體步驟如下：

3.1 分布式光纖及采集儀的選擇

分布式光纖選用的高傳遞緊包護套應變感測光纜（NZS-DSS-C07），采用HY 料等高包裹性材料封裝保護，可提高分布式光纖的強度和表面摩阻力，且方便刻槽植入，整體剛度得到了大幅下降。光纜對應技術參數如表2所示。

表2 高傳遞緊包護套應變感測光纜參數Tab.2 Parameters of Optical Fiber

數據采集設備采用單端分布式光纖解調儀，其原理基于光頻域反射（OFDR）技術，測試距離、精度等各方面均能滿足錨桿應力測試的要求。

3.2 模擬錨桿與分布式光纖的安裝

模擬錨桿選用3 根直徑為25 mm、長度0.5 m 的鋼筋，采用刻槽黏貼的安裝方式，將分布式光纜安裝在模擬錨桿上，兩頭的光纖引出后并作好保護，考慮到室內模擬加載時間短，溫度影響小，故本次試驗不布設溫補光纜，制作好的模擬錨桿如圖5所示。

圖5 模擬錨桿與分布式光纖的安裝Fig.5 The Installation between Optical Fiber and Anchor

3.3 協調變形分析試驗

分布式光纖與錨桿之間的協調變形在室內萬能試驗機上完成，根據錨桿桿體預估極限荷載后進行分級加載，加載方案同錨桿驗收試驗，每級荷載穩(wěn)定后，采用分布式光纖采集儀進行錨桿桿體的應力測試，分析應力測試結果與實際加載值之間的關系，即可得出分布式光纖與桿體的協調變形情況，室內試驗現場如圖6所示。

圖6 分布式光纖與錨桿協調變形室內試驗Fig.6 Loading Test in Laboratory

3.4 模擬試驗結果及協調變形分析

室內各模擬錨桿試驗在各級荷載作用下，沿錨桿長度方向的應變分布如圖7所示。

圖7 模擬錨桿在各級荷載作用下應變測試結果Fig.7 Strain Test Results of Simulated Bolts under Various Loads

在各級荷載作用，萬能試驗機加載值與分布式光纖解調儀測試計算值之間的相關性結果如圖8所示。

圖8 模擬錨桿的測試值與加載值的相關性Fig.8 The Correlation between the Test Value and the Load Value of the Simulated Anchor

通過室內分布式光纖與錨桿的模擬加載試驗結果可知，分布式光纖與鋼筋進行協調變形平均值為0.94，說明采用在樁基桿體上刻槽黏貼的進行分布式光纖的布設，桿體與光纖有較好的變形協調性，滿足實際工程中應用的要求。

4 結語

目前，國內外進行錨桿應力測試研究開展的不多，且主要為點式傳感器方法，分布式光纖傳感器是近些年發(fā)展的新測試技術，與傳統(tǒng)的傳感器對比具有很大的優(yōu)越性。為探索分布式光纖在錨桿應力測試中的適用性，本文開展了分布式光纖與錨桿協調變形研究，通過探索分布式光纖在錨桿上的安裝方法并進行協調變形試驗，得出分布式光纖在桿體刻槽黏貼安裝方式有較好的變形協調性。研究內容可深入了解工作錨桿力學性能、錨固機理，驗證錨桿設計參數與施工工藝的合理性，確保工程質量與安全，減少造價，有著非常重要的經濟性與實用性。