光纖光柵測(cè)試技術(shù)在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)用教案

1、 1 引言(ynyn) 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(yngyng)于各類土木工程實(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(yngyng)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

2、在巖土工程監(jiān)測(cè)中的發(fā)展前景。第1頁(yè)/共20頁(yè)第一頁(yè)，共21頁(yè)。 2 光纖光柵傳感器的工作(gngzu)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(wnd)影響的前提下，波長(zhǎng)偏移量與應(yīng)變的關(guān)系滿足下式：第2頁(yè)/共20頁(yè)第二頁(yè)，共21頁(yè)。BBekP)1 ( 其中: Pe為光纖的彈光系數(shù)， 為光纖光柵不受應(yīng)

3、變作用下的中心波長(zhǎng)， 為外加(wiji)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。 B第3頁(yè)/共20頁(yè)第三頁(yè)，共21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(zhi di)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。 第4頁(yè)/共20頁(yè)第四頁(yè)，共21頁(yè)。3 試樁概況(gikung):3.1地質(zhì)條件：第5頁(yè)/共20頁(yè)第五頁(yè)，共21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234050kN。試樁采用

4、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1，測(cè)量范圍在3000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(fn ji)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。第6頁(yè)/共20頁(yè)第六頁(yè)，共21頁(yè)。第7頁(yè)/共20頁(yè)第七頁(yè)，共21頁(yè)。 圖2 埋入式光柵(gungshn)傳感器及PI04B系列光纖光柵(gun

5、gshn)傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀第8頁(yè)/共20頁(yè)第八頁(yè)，共21頁(yè)。 初始加載階段(jidun)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240160kN，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：第9頁(yè)/共20頁(yè)第九頁(yè)，共21頁(yè)。第10頁(yè)/共20頁(yè)第十頁(yè)，共21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(gungshn)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(bio

6、go)為5.99m處截面應(yīng)變值 圖5 標(biāo)高(biogo)為-4.41處截面應(yīng)變值第11頁(yè)/共20頁(yè)第十一頁(yè)，共21頁(yè)。 圖6 標(biāo)高(biogo)為-11.21m處截面應(yīng)變值 圖7 標(biāo)高(biogo)為-20.61m處截面應(yīng)變值第12頁(yè)/共20頁(yè)第十二頁(yè)，共21頁(yè)。圖8 標(biāo)高為-25m處截面( jimin)應(yīng)變值 圖9 標(biāo)高為-31m處截面( jimin)應(yīng)變值 第13頁(yè)/共20頁(yè)第十三頁(yè)，共21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

7、樁身應(yīng)變采用標(biāo)定(bio dn)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。第14頁(yè)/共20頁(yè)第十四頁(yè)，共21頁(yè)。 （a） （b） 圖10側(cè)摩阻力(zl)位移曲線第15頁(yè)/共20頁(yè)第十五頁(yè)，共21頁(yè)。 （a） （b） 圖11樁端阻力(zl)位移曲線第16頁(yè)/共20頁(yè)第十六頁(yè)，共21頁(yè)。 （a） （b）圖12等效樁頂荷載(hzi)位移曲線

8、第17頁(yè)/共20頁(yè)第十七頁(yè)，共21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。但是由于光柵傳感器價(jià)格相對(duì)昂貴，這也是制約將其廣泛應(yīng)用的主要原因，隨著這項(xiàng)技術(shù)的廣泛推廣，光柵傳感器的價(jià)格也會(huì)有所降低，所以說(shuō)，光柵傳感器在今后( jnhu)的巖土工程中會(huì)發(fā)揮更大的作用。第18頁(yè)/共20頁(yè)第十八頁(yè)，共21頁(yè)。 謝謝(xi xie)大家！第19頁(yè)/共20頁(yè)第十九頁(yè)，共21頁(yè)。謝謝您的觀看(gunkn)！第20頁(yè)/共20頁(yè)第二十頁(yè)，共21頁(yè)。NoImage內(nèi)容(nirng)總結(jié)1 引言。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。光柵數(shù)據(jù)采用