文档介绍：光纤光栅测试技术在桩基检测中的应用
1 引言
在岩土工程监测中,应变是最重要的参数之一,传统的电阻应变片由于自身的一些缺陷,逐渐的难以满足目前岩土工程监测要求,而光纤光栅传感器凭借它的可靠性好,抗干扰能力强,尺寸小,施工工艺简便,以及可复用性强等诸多方面的优势,逐渐受到关注,并被推广应用于各类土木工程实践中。从上世纪八十年代末期美国工程师首次把光纤传感器应用于土木工程领域之后,国外一些发达国家已经做了大量的实验,目前该技术已经较为成熟,而我国还处于起步阶段。本文仅以某工程的一根试验桩为例,简要介绍光纤光栅传感器的工作原理,并比较光纤光栅传感器与电阻应变片的测试结果,分析光纤光栅传感器在岩土工程监测中的发展前景。
2 光纤光栅传感器的工作原理
光纤光栅传感器是利用光纤材料的光敏性,即外界入射光子和纤芯相互作用而引起的后者折射率的永久性变化,用紫外激光直接写入法在单膜光纤的纤芯内形成的空间相位光栅,其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。Bragg光栅传感器是通过对波长光谱的检测,实现被测对象应变的绝对测量。当光栅产生轴向应变时,反射窄带光的波长会发生改变,在忽略温度影响的前提下,波长偏移量与应变的关系满足下式:
其中:
Pe为光纤的弹光系数, 为光纤光栅不受应变作用下的中心波长, 为外加轴向应变,k为光纤光栅相对应的灵敏度系数, 为应变引起的波长偏移。
由此可见,光纤产生的应变于反射波波长的偏移量成正比,只要准确测量出Bragg光栅波长偏移量就可以计算出纤内Bragg光栅的应变。
BRAGG光纤光栅属于反射型工作器件,当光源发出的连续宽带光(下图中Ii)通过传输光纤射入时,它与光场发生耦合作用,对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光(下图中Ir),并沿原传输光纤返回;其余宽带光(下图中It)则直接透射过去。
3 试桩概况: :
试桩概况
,,预计承载力2×34050kN。试桩采用自平衡法来进行。每级加载为预估承载力的1/15,第一级按两倍荷载分级加载,测试采用慢速维持荷载法加载。
本次试验中桩身轴力用两种传感器。每个截面的3个方向采用常规电阻式钢筋应变计量测,另一方向采用埋入式光栅传感器量测,测量分辨率小于1με,测量范围在±3000με之间。光栅数据采用PI04B 系列光纤光栅传感网络分析仪采集并转换成应变数据存入计算机。传感器布置在岩土界面分界处。布设截面位置见图1,共布设7个截面,21只常规钢筋应变计,7只光栅传感器。
图2 埋入式光栅传感器及PI04B系列光纤光栅传感网络分析仪
初始加载阶段向上向下位移均缓慢增加,随着荷载的增加,向上和向下的位移逐渐增加,达到预计加载值时,,,因位移小,故继续增加一级荷载,至2×40160kN,达荷载箱加载极限,然后开始逐级卸载。
测试所加的各级荷载以及相应的向上向下位移如表2和图3所示: