光纤光栅测试技术在锚杆中的应用-1

光纤光栅测试技术在锚杆中的应用

姜红1，张燕2

（四川省川建勘察设计院，助理工程师)

摘要 光线光栅测试技术的出现给土木工程测试技术带来了质的飞跃。将光线光栅测试技术应用到锚杆，通过试验获得土层的物理参数，有利于锚杆的设计，减少试验工作量而降低成本。同时可以判定土压力分布情况，求取土体抗剪强度参数，研究锚杆受力作用机理，判断坡体滑动带位置及破面位移。 关键词 光纤光栅；测试技术；锚杆；传感器

Application of the fiber Bragg grating testing technology in anchor

Jiang Hong1, Zhang Yan2

（Sichuan Chuanjian investigation and Design Institute, assistant engineer)

Abstract The fiber Bragg grating(FBG) testing technology have brought great development to the testing technology in the Civil Engineering. The application of the FBG testing technology is conducive to the design of the Anchor because of reducing the workload and the coast by obtaining thephysical parameters of the rock-soil body in the Anchor test. The test also can determine the distribution of soil pressure, calculate the soil shear strength parameters, study the stress of the anchor mechanism, determine the slope sliding band position and calculate the surface displacement.

Keyword Fiber Bragg grating; Testing technology; Anchor; Sensor

干扰强、可实现分布式传感、实时持续数据采集、灵敏度高、精度高、寿命高。

1 前言

随着科学技术的进步，光纤技术给测试技术带来了质的飞越。光纤光栅(FBG)测试技术已广泛应用于土木工程的各个领域。实践证明，在土木工程中，光纤光栅测试技术是一项可靠，精度高的测试技术。光线光栅测试能量测出多种力学参量，如应变、压力、振动等，其中应变是最重要参数，它反应了材料的结构力学特征，很多力学参量都可根据应变转换得出。

与传统测试技术相比，光纤光栅测试技术的传感器有如下明显的特点：尺寸效应小、可靠性高、抗抗腐蚀性好、抗电磁

2 光纤光栅测试原理概要

入射光源光波经过光栅时，大部分光波会透射通过光栅，而特定波长的光波会被反射，如图2所示，这种特定光波的波长成为布拉格光纤光栅的中心波长。当在同一根光纤中有多个布拉格光栅，前一布拉格光栅透射的光波在该光栅处，某一特定波长的光波会被反射，如此，可以在同一通道中同时使用多个光栅，形成分布式多个光纤光栅列阵，如图3所示。把布拉格光栅粘贴于所测构件上，当所测构件受力时或者温度发生变化，都会引起光栅周

期发生变化，从而该处反射光波波长发生漂移，波长改变。而波长的变化和所测构件的应变变化及温度变化存在特定的关系，只要测出光波波长的变化就测出了应变和温度的变化量。

的分布情况，能较准确地算出同一场地不同长度锚杆的承载能力，有益于锚杆的设计，减少了现场试验，降低了成本。

岩土体对锚杆锚固体的摩阻力等于锚杆锚固体对钢筋的握裹力，且等于钢筋截面所受的拉力。在极限荷载作用下有如下结果：

Naki??Dl?qskj?in'?dfbl?n'?d2?iEs/4（1）

i

图1 光线光栅结构示意图

n'?1Esd2可推出qsk1? （2）

4Dlj?1n'?iEsd2i?1（3） qski???qskj4Dlj?1 式中 Naki是极限荷载作用下光纤光栅i截

图2光纤光栅传感原理

面处锚杆轴力（N）；qsk1是第1段内岩土体对锚杆锚固体的摩阻力强度（Pa）；qski是第i段内岩土体对锚杆锚固体的摩阻力强度（Pa）；fb 是锚杆锚固体对钢筋握裹力强度（Pa）；ε1是光纤光栅1截面处钢筋的应变（με）；εi是光纤光栅i截面处钢筋的应变（με）；Es是膜片弹性模量（MPa）；

n是等分段数；n’是钢筋束钢筋根数；D

是锚杆锚固体直径（m）；d是单根钢筋直径（m）；l是锚杆等分段长度（m）。

计算出每段岩土体对锚杆锚固体的平均摩阻力强度后，同场地同水平位置的其他锚杆（包含长度小于试验锚杆长度的锚杆）的承载能力Nak便可计算得出，如

图3 光线光栅分布传感系统的原理

3 光纤光栅锚杆传感器应用技术

锚杆的设计长度与承载能力一般是通过现场的试验确定，而在锚杆上如图4所示布设光纤光栅传感器，通过少量试验可以获得岩土体对锚杆锚固体的摩阻力

图4 光纤光栅锚杆传感器示意图 下式：

nNak???Dlqskj（4）

j?1

光纤光栅锚杆传感器还可以判断坡体滑动带位置：

当坡体出现滑动时，假定滑动带经过FBGj与FBGj?1之间，FBG1~FBGj所测的锚杆拉力持续增大。滑动带以外的光纤光栅FBGj?1~FBGn与滑坡体是整体，视为协同移动，所测得锚杆拉力持续增大，且值大致相等，与FBGj所测的值相近。如图5所示竖直方向上布置多层光纤光栅锚杆传感器，通过各光纤光栅锚杆传感器所测得结果，便可确定滑动带的位置。

图5 边坡光纤光栅锚杆安装示意图

滑坡体在滑动过程，假定滑动带以下的土体不产生移动，则坡面位移可以由下式表达：

m?1(?i??i?1)ls??i?1???1l2cos?2cos?（5）

式中m是光纤光栅应变不为0的测点数；

?是锚杆倾角；?是常数。

式中0???1，由钢筋应变零点位置决定，当钢筋应变零点位置在光纤光栅

k

测点时，??1，当钢筋应变零点位置在

FBGk+1测点时，??0，所以对?的取值

必然引起误差。为了减小误差，应将每段的长度l取得尽可能小。

4 结论

光纤光栅锚杆传感器不但可以测试锚杆拉力，通过分布式布置，还可以测得岩土体对锚杆锚固体的摩阻力分布情况，为锚杆的设计提供新的方法，还可以判定边坡滑动带的位置，具有很好的应用前景。

参考文献

[1] 徐国权, 熊代余. 光纤光栅传感技术

在工程中的应用[J]. 中国光学, 2013, 6(3): 306-317.

[2] 吴朝霞，吴飞. 光纤光栅传感原理及

应用[M].北京：国防工业出版社，2011. [3] 吴承治. 分布式光纤传感系统和光

纤光栅传感技术探讨[J]. 中国通信学会 2011 年光缆电缆学术年会论文集, 2011.

[4] 朱鸿鹄，殷建华，洪成雨，等. 基于

光纤传感的边坡工程监测技术[J]. 工程勘察，2010，38(3)：6–14. [5] 裴华富，殷建华，朱鸿鹄，洪成雨，

凡友华.基于光纤光栅传感技术的边坡原位测斜及稳定性评估方法[J]. 岩

石力学与工程学报，2010：1000–6915(2010)08–1570–07. [6] 李焕强，孙红月，刘永莉，孙新民，

尚岳全.光纤光栅传感技术边坡模型中的应用[J] 岩土力学与工程学报，2008，8：1000-6915(2008)08-1703-06.