張 萍,于家武,朱安龍

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310014; 2.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司,河北 三河 065201)

0 引 言

錨桿支護(hù)系統(tǒng)因其構(gòu)造簡單、可及時(shí)施加預(yù)應(yīng)力和不占用洞內(nèi)施工空間等優(yōu)點(diǎn),是隧道工程中最為普遍的支護(hù)手段[1-2]。但受限于地質(zhì)條件多變性、施工環(huán)境復(fù)雜性和錨桿支護(hù)系統(tǒng)隱蔽性等不利因素,采用何種方式對(duì)錨桿支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行合理、準(zhǔn)確的測(cè)試依舊是巖土錨固技術(shù)研究的一個(gè)熱點(diǎn)方向[3-4]。近年來,光纖光柵(FBG)傳感技術(shù)的發(fā)展給巖土工程測(cè)試技術(shù)增添了新的手段,除具有光纖傳感器的傳統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)外,它還具有體積小、便于集成、穩(wěn)定性好、高靈敏度及高分辯力等優(yōu)點(diǎn)[5-6],因而被眾多學(xué)者應(yīng)用于隧道結(jié)構(gòu)健康與安全監(jiān)測(cè)中,例如丁勇等[7]、王宏偉等[8]將FBG傳感技術(shù)成功應(yīng)用于盾構(gòu)隧道變形監(jiān)測(cè);姜學(xué)鵬等[9]研究了隧道光纖光柵探測(cè)器在不同風(fēng)載環(huán)境下的溫度響應(yīng)特性,為其合理布置方法及定位精度設(shè)置提供科學(xué)依據(jù);葉肖偉等[10]以武漢地鐵2號(hào)線越江隧道為依托,開展了基于FBG傳感技術(shù)的凍結(jié)法施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲取了凍土溫度和應(yīng)變?cè)诓煌穸群蜕疃壬系姆植?Song等[11]基于FBG技術(shù),實(shí)現(xiàn)了隧道開挖施工對(duì)周圍土體變形擾動(dòng)的監(jiān)測(cè)分析;Li等[12]采用FBG量測(cè)隧道鎖腳管的力學(xué)體系,驗(yàn)證了其可行性和準(zhǔn)確性;Xu等[13]采用基于FBG技術(shù)的長期自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),獲取了雙層高填方明挖隧道回填過程中土壓力和結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化規(guī)律。但是,因裸光纖光柵非常纖細(xì),直徑僅125 μm,抗剪能力差,未封裝狀態(tài)下一般難以在工程施工中存活,故光纖光柵在前述工程中的成功應(yīng)用與封裝方式密切相關(guān)[14]。

常見光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝方式主要有3種,即嵌入式、基片式和兩端夾持式(管式)[15-16]。其中,嵌入式封裝指將裸光柵直接埋入至結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部,也是目前普遍應(yīng)用的方式。對(duì)錨桿此類細(xì)長型的桿系構(gòu)件,一般采取沿桿體開小槽,把傳感器埋入其中,后采用環(huán)氧樹脂膠等黏結(jié)材料加以封裝的技術(shù)工藝。但上述裸光纖光柵的封裝技術(shù)對(duì)封裝條件、設(shè)備及工藝等要求均很高。如李廷博[17]自行制作了嵌入式封裝測(cè)力錨桿并進(jìn)行室內(nèi)拉拔試驗(yàn),直至第6次試驗(yàn),方才成功獲取了錨桿的軸力值。同時(shí),裸光柵的具體埋設(shè)位置和膠結(jié)劑的使用均會(huì)影響最終的應(yīng)變傳遞效果,故由裸光纖光柵制作而成的測(cè)力錨桿,一般需定制加工,難以自行加工制作,存在難以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)監(jiān)測(cè)需求的缺點(diǎn)。對(duì)于基片式和兩端夾持式(管式)封裝,鑒于錨桿為細(xì)長型桿系構(gòu)件,管式封裝的適用性仍更佳。

本文根據(jù)錨桿體自身特性,采用自行設(shè)計(jì)并加工的微型夾持式FBG應(yīng)變傳感器制作測(cè)力錨桿,對(duì)比由理論計(jì)算和室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)獲得的傳感器的應(yīng)變靈敏度差異,評(píng)價(jià)分析該測(cè)力錨桿的適用性,最終將其成功應(yīng)用于木寨嶺公路隧道的錨桿軸力監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)錨桿力學(xué)狀態(tài)的及時(shí)、快速、準(zhǔn)確量測(cè)。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 FBG應(yīng)變感知原理

FBG利用紫外光將特定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寫入光纖中形成光纖波導(dǎo)器件,其纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡,當(dāng)光波通過時(shí),只有滿足光纖光柵波長條件的光波能被反射回來,反射光的峰值波長稱為布拉格波長λB(圖1),其滿足下列條件[18]：

λB=2neffΛ

(1)

式中:neff為光纖纖芯的有效折射率;Λ為光柵周期,nm。

圖1 光纖光柵工作原理

由式(1)可知,任何使這2個(gè)參量(neff、Λ)發(fā)生改變的物理過程都將引起反射和透射波長的漂移。對(duì)實(shí)際工程而言,最主要的物理過程為應(yīng)力應(yīng)變與溫度,具體如下:

(1) 軸向應(yīng)變引起的波長的漂移,對(duì)式(1)兩邊微分:

dλB=2neffdΛ+2Λdneff

(2)

將式(2)與式(1)相除:

(3)

(4)

式中:Kε為應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

(2) 溫度引起的波長的漂移。溫度的變化,一方面會(huì)引發(fā)熱敏效應(yīng),使neff改變;另一方面會(huì)產(chǎn)生熱膨脹效應(yīng),使Λ變化。將式(1)對(duì)溫度T取微分,并再除以式(1):

(5)

(6)

式中:KT為溫度靈敏度系數(shù)。

1.2 微型夾持式FBG應(yīng)變傳感器

微型夾持式封裝技術(shù),采用細(xì)徑管封裝光纖光柵兩端,避免使用膠粘劑接觸光纖光柵區(qū)域,消除了多峰值現(xiàn)象;使用細(xì)徑管密封保護(hù)光纖光柵區(qū)域,未對(duì)其進(jìn)行直接封裝,消除了膠粘劑對(duì)傳感器應(yīng)變傳遞的影響,其由毛細(xì)鋼管、光纖光柵、傳輸光纖、夾持部件組成(圖2)。夾持式FBG傳感器可直接粘貼或焊接在結(jié)構(gòu)表面,也可采用預(yù)埋件焊接于構(gòu)件上,或用鉚釘鉚到結(jié)構(gòu)上,具有布設(shè)簡單、可拆換、耐久性好、布線方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 夾持式FBG應(yīng)變傳感器

微型夾持式FBG應(yīng)變傳感器工作原理如圖3所示,夾持部件為鋼管,直徑為d;加持部件膠接于基底材料上,兩端固定的等效距離為L,光纖光柵長為Lf。現(xiàn)假定夾持部件之間的軸向變形為ΔL,夾持部件變形為ΔLs,光纖光柵變形為ΔLf,忽略夾持鋼管內(nèi)外膠層和光纖的影響。根據(jù)材料力學(xué)基本原理得到夾持部件應(yīng)變?chǔ)舠與光纖光柵εf的比值:

圖3 夾持式FBG應(yīng)變傳感器工作原理

(7)

式中:Ps和Pf為夾持部件和光纖光柵受到的軸力,為相互作用力,Ps=Pf;Ef和Es為光纖彈性模量和夾持鋼管彈性模量;Af和As為光纖面積和夾持鋼管面積。傳感器各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 光纖和夾持鋼管的材料性質(zhì)

將表中參數(shù)帶入式(7)可得:

(8)

由上式可見,夾持鋼管相對(duì)光纖光柵的應(yīng)變?cè)谡麄€(gè)傳感結(jié)構(gòu)中可以忽略,即兩夾持端之間的變形幾乎全部加載在光纖光柵上。得到基底應(yīng)變?chǔ)排c光纖光柵應(yīng)變?chǔ)舊間相互理論關(guān)系:

ε=εf

(9)

定義測(cè)試靈敏度系數(shù)為K=L/Lf,代入式(9)得

εf=Kε

(10)

由式(10)可看出,調(diào)節(jié)K值,可改變傳感器的測(cè)試靈敏度。當(dāng)K>1時(shí),測(cè)試靈敏度上升;當(dāng)K<1時(shí),測(cè)試靈敏度降低。

2 微型夾持式FBG測(cè)力錨桿制作

根據(jù)GB/T 228.1-2002《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對(duì)試驗(yàn)試件尺寸的規(guī)定,錨桿桿體選用Q420鋼,長度取60 cm,外徑為φ32 mm,壁厚6 mm,截面積490.0 mm2。測(cè)力錨桿(圖4)制作程序:首先對(duì)φ32 mm桿體一側(cè)開3 mm(寬)×2 mm(深)矩形凹槽,使用粗砂紙打磨凹槽表面,去掉銹跡、油污、不平整的凹凸,并用酒精擦拭清潔凹槽;其后用502膠水將FBG傳感器預(yù)固定在凹槽內(nèi)既定位置處(固定支點(diǎn)),預(yù)固定過程中對(duì)傳感器預(yù)拉伸0.2～0.8 nm;將傳感兩側(cè)部分的白色尾纖固定于凹槽內(nèi),防止拉扯尾纖使傳感器受力;最后使用環(huán)氧樹脂膠對(duì)固定支點(diǎn)兩側(cè)進(jìn)行封裝固定,并在室溫下靜置24 h,待樹脂膠完全固化成型,即制作完成。

圖4 測(cè)力錨桿結(jié)構(gòu)

本次采用3個(gè)光纖光柵,記為FBG-1、FBG-2和FBG-3,中心波長分別為1 559.790 0,1 525.065 2,1 535.158 5 nm,光纖光柵長度8 mm,初始標(biāo)定距離為12 mm,靈敏度系數(shù)依次為1.400 88,1.385 63,1.336 76 pm/με。相應(yīng)制作了3根測(cè)力錨桿,封裝參數(shù)如圖5～7所示。根據(jù)測(cè)試靈敏度系數(shù)的定義和初始標(biāo)定距離,得到封裝完成后FBG-1、FBG-2和FBG-3的理論應(yīng)變靈敏度系數(shù)分別為1.867 84,2.309 38,2.673 52 pm/με。

圖5 FBG-1結(jié)構(gòu)(尺寸單位：mm)

圖6 FBG-2結(jié)構(gòu)(尺寸單位：mm)

圖7 FBG-3結(jié)構(gòu)(尺寸單位：mm)

3 測(cè)力錨桿室內(nèi)拉伸試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)(圖8)對(duì)測(cè)力錨桿進(jìn)行拉伸試驗(yàn),FBG波長采集與識(shí)別系統(tǒng)為Micron Optic公司生產(chǎn)的Sm125光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀。

圖8 微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)

3.2 測(cè)試過程及結(jié)果分析

鑒于試驗(yàn)在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室開展,且試驗(yàn)時(shí)間短,溫度變化基本可忽略,故本次試驗(yàn)不考慮溫度變化對(duì)FBG傳感器的影響,即認(rèn)為FBG傳感器波長的變化均來自于應(yīng)變。補(bǔ)充說明的是,當(dāng)需考慮溫度影響時(shí),溫度的影響同樣可采用該FBG傳感器實(shí)施。即實(shí)際封裝中,僅需對(duì)一側(cè)加持部件進(jìn)行固定,另一側(cè)加持部件自由即可,此時(shí)FBG傳感器將不傳遞應(yīng)變變化,僅受溫度效應(yīng)影響,可視為FBG溫度(補(bǔ)償)傳感器。由此,其余FBG傳感器測(cè)得波長偏移量與該FBG溫度傳感器測(cè)得量值的差值即為錨桿受荷引發(fā)的波長偏移值。

試驗(yàn)采用等梯度載荷加載方式勻速從0加載至100 kN,加載過程中每隔10 kN記錄一次光纖光柵傳感器中心波長,每個(gè)試件均循環(huán)加載3次,取平均中心波長,標(biāo)定數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光纖光柵測(cè)力錨桿的標(biāo)定數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制載荷-波長偏移量的散點(diǎn)圖并線性擬合,如圖9所示。

由FBG-1、FBG-2和FBG-3線性擬合得出線性關(guān)系:

圖9 光纖光柵標(biāo)定結(jié)果

Δλ1=0.0197×F-0.0087

(11)

Δλ2=0.0234×F-0.0220

(12)

Δλ3=0.0274×F-0.0296

(13)

對(duì)應(yīng)線性擬合度R2依次為0.999 8、0.999 5和0.999 6,均在0.99以上,顯示上述封裝完成后的夾持式FBG光纖光柵應(yīng)變傳感器具有良好的穩(wěn)定性,可很好地測(cè)試錨桿的受力狀態(tài)。

FBG-1、FBG-2和FBG-3的受力靈敏度系數(shù)(波長差/荷載)依次為0.019 7,0.023 4,0.027 4 nm/kN。根據(jù)ε=F/EA,對(duì)應(yīng)實(shí)測(cè)應(yīng)變靈敏度系數(shù)(波長差/應(yīng)變)依次為1.938 2,2.302 2,2.695 8 pm/με,對(duì)比理論應(yīng)變靈敏度系數(shù)(1.867 8,2.309 4,2.673 5 pm/με),兩者量值上較為接近。

圖10進(jìn)一步給出了理論與實(shí)測(cè)應(yīng)變靈敏度系數(shù)的對(duì)比,可看出,最大差值僅為0.07 pm/με(FBG-1)。表明利用夾持式光纖光柵應(yīng)變傳感器作為敏感元件,測(cè)量精度高,波長偏移量與載荷之間具有很好的線性關(guān)系,線性度超0.99。同時(shí),測(cè)力錨桿測(cè)量穩(wěn)定性好,安裝完成的FBG測(cè)試元件應(yīng)變靈敏度與理論計(jì)算基本一致,無需封裝后再次進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。

圖10 理論、實(shí)測(cè)應(yīng)變靈敏度系數(shù)對(duì)比

4 錨桿受力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)選擇木寨嶺公路隧道2號(hào)斜井K1+763(圖11)左側(cè)邊墻,斷面埋深約513.0 m。試驗(yàn)段巖性以砂質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖(千枚巖)為主,裂隙發(fā)育、巖體破碎,受擠壓作用較為明顯。地下水為基巖裂縫水,不發(fā)育。受地形地質(zhì)條件控制,斷面變形大,測(cè)點(diǎn)位移曲線如圖12所示。拱頂(測(cè)點(diǎn)A)沉降超25 cm,左側(cè)上中臺(tái)階交接處(測(cè)點(diǎn)B)37 cm,左側(cè)中下臺(tái)階交接處(測(cè)點(diǎn)C)14 cm。

圖11 K1+763.2掌子面圍巖照片

圖12 斷面位移曲線

采用YT28鉆打設(shè)鉆孔,插入測(cè)力錨桿(圖13),安裝墊板,并注入0.4水灰比P.O 42.5水泥漿。完成后,使用光纖光柵解調(diào)儀測(cè)量測(cè)力錨桿初始讀數(shù),其后每天對(duì)測(cè)力錨桿進(jìn)行一次測(cè)量(圖14),并記錄讀數(shù)。

圖13 4.2 m長光纖光柵測(cè)力錨桿

圖14 測(cè)力錨桿FBG傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量

4.2 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)測(cè)得4.2 m測(cè)力錨桿軸力數(shù)據(jù)如圖15所示。

圖15 4.2 m測(cè)力錨桿軸力曲線

根據(jù)圖15所示關(guān)系,可以得出以下規(guī)律。

(1) 11月7日測(cè)得錨桿桿體受力規(guī)律表現(xiàn)為孔口部位受力小,隨入巖深度增加,桿體軸力先大后小,在1.0～2.5 m內(nèi)受力最大。

(2) 11月8日往后,FBG-1測(cè)點(diǎn)(離圍巖面最近測(cè)點(diǎn))顯示錨桿受壓,推測(cè)桿體受到外部因素?cái)_動(dòng),出現(xiàn)了彎曲;FBG-2～FBG-5號(hào)測(cè)點(diǎn),量值基本維持不變,而斷面測(cè)點(diǎn)位移(圖12中B測(cè)點(diǎn))一直在增大,表明錨桿位移未反應(yīng)出圍巖位移,錨桿對(duì)于圍巖徑向位移差的“捕獲率”低,究其原因,一方面受特定的圍巖地質(zhì)條件因素影響,出現(xiàn)錨固深度內(nèi)(0～4.5 m)圍巖整體位移較大,而徑向位移差小的情形;另一方面為界面黏結(jié)力小導(dǎo)致,即注漿效果差。

(3) 錨桿軸力在入巖3 m后出現(xiàn)了較為明顯的下降趨勢(shì),且FBG-5測(cè)點(diǎn)(入巖4.5 m)測(cè)得的軸力值為0,因此,建議短錨桿長度不宜小于4.5 m。

5 結(jié) 論

(1) 微型夾持式光纖光柵應(yīng)變傳感器尺寸小,便于集成于錨桿桿體,可自行制作測(cè)力錨桿,無需定制加工,且其波長偏移量與施加荷載間存在很好的線性相關(guān)性,線性擬合度0.99以上,表明具有良好的應(yīng)變測(cè)試性能。

(2) 室內(nèi)拉伸試驗(yàn)和理論分析計(jì)算獲得兩組應(yīng)變靈敏度基本一致,表明制作完成的測(cè)力錨桿無需進(jìn)行重復(fù)標(biāo)定,在已知封裝參數(shù)(固定距離)的前提下,即可得到應(yīng)變靈敏度。

(3) 工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明:桿體隨入洞深度增加,軸力呈現(xiàn)先大后小趨勢(shì),較好地反映了圍巖的變形特征和錨桿的工作狀態(tài),為調(diào)室錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。