FBG传感技术用于土工格栅加筋土边坡监测的试验研究
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摘 要：光纤传感技术作为近年迅速发展起来的一种新型传感技术，有许多传统传感技术不具备的优点，而光纤布拉格光栅(fbg)是其中开发最为成熟、应用最为广泛的光纤传感技术。本文采用土工格栅边坡模型试验的方式，研究使用FBG传感器测量土工格栅应变，同时又反映土体变形的可行性。
关键词：FBG土工格栅
Abstract:Optical fiber sensing technology has developed rapidly in recent years as a new type of sensing technology, and it has many advantages which traditional sensing technologies don’t have. And Fiber Bragg Gratting (FBG) is one of the most mature, widely used fiber-optic sensing technologies. The feasibility of measuring strain of geogrids and reflecting the soil deformation simultaneously by FBG sensors were studied in this paper by means of the slope model test of geogrids.
KEYWORDS: FBG；Geogrid
中图分类号：C33文献标识码：A 文章编号：
1 引 言
加筋土技术是一种应用比较广泛的边坡稳定防护技术，而土工格栅作为一种新型土工合成加筋材料,被广泛应用于边坡、挡墙、路堤和地基的加筋土工程中。但是目前由于比较少开展对边坡结构的应变监测，导致对加筋土在工作应力条件下的应变分布研究缺乏现场数据而只能人为做出假定，设计往往偏于保守。因此引入光纤布拉格光栅(FBG)传感技术对受力条件下土工格栅的应变进行实时连续监测，利用FBG的波分复用构成不同层不同部位土工格栅应变监测的传感网络，了解土工格栅整体应变分布情况，同时也反映土体的变形情况。
光纤布拉格光栅（FBG）技术
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratting, 简称FBG)是利用光纤材料的光敏性在纤芯内形成空间相位光栅[1]，光纤光栅传感器的原理如图1所示。利用紫外光从光纤侧面直接在光纤材料芯区写入一段轴向Bragg光栅，当光源发出的连续宽带光Ⅰi通过传输光纤射入时，如果入射光波的波长满足布喇格衍射条件：
（1）
其中：为布喇格波长
为有效纤芯的折射率
为布喇格传感器光栅的栅距
该波长的光波将沿来路发生反射，该反射光就是布喇格反射光Ⅰr，而其余波长的光波Ⅰt透射后仍然照常传播。
图1 光纤光栅传感器原理
反射光的中心波长随着作用于光纤光栅的应变和温度变化成线性变化，同时考虑应变与温度变化时，所引起的波长移动为：
（2）
式中：为有效光弹系数，它的值约为0.22
为光纤的热膨胀系数，
为光纤的热光系数，
根据式（2），只要测出布喇格波长的变化，就可以得到外界的应变或温度扰动。并且由于布喇格反射光的光谱只占入射光光谱中很小的一部分，调整各光纤光栅传感器的栅距，使它们具有不同的，且其布喇格光谱互不重叠，就可以将若干个FBG传感器串联起来，实现对待测结构定点的分布式的测量。
相对于传统监测手段及其他光纤传感器而言，FBG传感器具有不少优势，如灵敏度高，抗电磁干扰，稳定性和可靠性好，传输损耗低，容易实现对被测信号的远距离检测，可用于一些恶劣环境的测量，可级联，作准分布测量等。
3土工格栅加筋土边坡模型试验[2-6]
3.1 试验模型
边坡模型采取在地面挖土形成模型坑并回填砂土成坡的方式制作，模型坑尺寸为2m×1m×1.2m，模型截面尺寸如图2 所示，成坑后，在坑底先回填一层砂土并夯实，控制该层厚度为20cm，然后按45°坡角逐层缩进填筑，每层的厚度控制在10-20cm，每层回填并夯实，回填过程中在靠近坡面处施加临时支撑，以免对土体进行夯实时在边缘处被挤出，夯实一层后再根据模型比例缩进一段距离加支撑后继续回填，回填20cm砂土并夯实后铺设第一层土工格栅，再向上分层回填50cm砂土后铺设第二层土工格栅，继续向上分层填筑至坡顶面与地面齐平，此时坡面位置为阶梯状。撤除最底层的临时支撑，在层面阶梯处填土，以上下两层底面外缘线为准，将填土抹平形成45°坡面，沿坡面将填土夯实。每层重复此步骤，这样逐层构筑坡面直至坡顶，形成完整的边坡模型。
模型制作完成后静置一周，主要是为了使反力架装置底部混凝土达到预计强度，同时使砂土在自重应力下达到初始应力平衡状态，由于边坡模型位于室外，表面无遮挡结构，为了避免静置期间遇降雨冲刷使模型破坏，在模型表面铺设木板并外覆数层塑料防水布进行防水保护。
图2 边坡模型尺寸示意图
3.2传感器布设
共铺设土工格栅两层，A层铺设位置距坡顶垂直距离30cm，B层在A层下垂直距离50cm处铺设。A层共设置3个测点A1、A2、A3，距边坡后缘距离分别为100cm、65cm、30cm；B层共设置4个测点B4、B5、B6、B7，距边坡后缘距离分别为130cm、100cm、65cm、30cm，各测点位置如图2所示。
由于此次FBG测试采取一次读取所有测点数据的方式，将A1-B7测点FBG的中心波长以从小到大的方式排列，这样在读取数据时，A1-B7的波长数据也是以从小到大的顺序显示，方便了数据记录。
每个测点布设裸光栅一条，分别布设在相邻的两根筋条上，位置相近，所有的光栅经过封装保护后通过光纤连接到光纤分路盒。
在模型回填至距坡顶垂直距离80cm时铺设B层格栅，铺设时注意不让格栅发生较大弯曲变形，沿夯实的层面铺平后，回填砂土，在回填时注意保持格栅平整伸展，先将少量砂土均匀平铺在土工格栅上，再逐渐增大回填砂土量，回填20cm砂土后小心夯实，避免直接夯击格栅表面，在布设传感器的部位尤其要注意，避免冲击力过大破坏传感器。在模型回填至距坡顶垂直距离30cm时铺设A层格栅，具体步骤同上。
3．3 模型试验设备及材料
试验中采用的设备包括：油压千斤顶加压装置和数据采集装置，油压千斤顶加压装置通过反力架对下部1m×0.3m的载荷板进行人工加载，反力架装置采用在模型坑底部横向浇筑混凝土梁并伸入坑壁内土体，将由两根钢筋焊接而成的矩形钢筋圈沿两侧坑壁竖向放置并使其下部与混凝土梁结合，上部钢筋高出坑顶地面约60cm，加载时，在坡顶平面两侧钢筋之间横向放置载荷板，将一钢梁穿入两侧钢筋圈之间，钢梁用混凝土试块在两端支撑，使其与钢筋圈上部圈顶接触，将千斤顶放置在载荷板中间位置，上部放置压力传感器，调整好高度，使压力传感器上表面与上部钢梁接触。数据采集装置包括荷载量测、位移量测和应变量测。将荷载传感器放置于千斤顶与反力架之间，连接到应变仪，从应变仪中读取应变数据，并根据30με=1kN的关系来控制所加荷载。位移量测使用位移计进行量测，共3个测点，测量坡顶加载处的竖向位移和两组格栅所在土层的水平向位移，位移计与应变仪相连，读出的应变数值根据200με=1mm换算成位移量。应变量测光栅的应变采集，光栅通过传导光纤连接到FBG波长解调仪，读出波长数据，根据波长的变化量计算出应变值。