徐輝華，李俊宏，覃荷瑛*

(1.廣西建設職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530007；2.桂林理工大學 土木與建筑工程學院)

預應力錨索加固作為一種可靠的邊坡加固方法，能有效改善巖體不利的受力狀態(tài)，提高巖體的自身強度和自穩(wěn)能力，被廣泛應用于邊坡加固工程中。錨索的有效預應力是影響加固工程成敗的重要因素，因此對錨索的受力狀態(tài)進行實時監(jiān)測，對邊坡加固工程的安全具有重要作用。目前，許多邊坡加固工程通過各種不同的方法對錨索的受力狀態(tài)進行監(jiān)測。三峽永久船閘高邊坡使用了預應力錨索進行加固，并安裝了113臺錨索測力計對錨索的受力狀態(tài)進行長期監(jiān)測；廣鄰高速公路4#邊坡在進行預應力錨索加固后，安裝了5個壓力傳感器對錨索預應力進行監(jiān)測，以確定錨索的受力和邊坡的變形情況；胡時友等設計了一種數(shù)字式智能化錨索預應力傳感器，其具有精度高、抗干擾性強等優(yōu)點，在室內(nèi)試驗和實際工程長期監(jiān)測中都已成功運用；姜德生等在從應用現(xiàn)場取回的錨索鋼絞線表面粘貼光纖光柵傳感器，并進行軸向受拉下的應力應變監(jiān)測，結果與工程實際應用情況相近；王蓉川在大崗山拱壩抗力體邊坡加固的部分巖體預應力錨索上使用光纖光柵傳感技術，將光纖光柵傳感器置于錨索測力計的高強度合金筒中，實現(xiàn)對錨索預應力的監(jiān)測。

常規(guī)的錨索監(jiān)測主要采用測力環(huán)，電阻應變片，差動電阻應變計，鋼弦頻率式傳感器等。測力環(huán)安裝在錨索墊板和錨環(huán)之間，安裝簡便、使用簡單、測量效果直觀。但其易受施工安裝時偏載的影響，精度不高。電阻應變片是將應變片直接粘貼在彈性體上，其結構簡單，測量精度高，但容易受損，耐久性較差。差動電阻式傳感器容易受環(huán)境溫度影響，測量精度偏低。電阻應變式和差動電阻式傳感器輸出的都是模擬信號，無法進行遠距離傳輸，無法滿足遠距離監(jiān)測的要求。鋼弦式傳感器具有結構簡單，信號傳輸距離較遠等優(yōu)點，但其靈敏度受制于壓力盒尺寸，且不能用于動態(tài)測試。光纖光柵以光為傳感媒介，具有傳感特性穩(wěn)定、精度高、抗電磁干擾等優(yōu)點，非常適合用于錨索預應力的監(jiān)測。但光纖光柵體積纖細，直徑僅為125 μm，加上材質(zhì)的玻璃脆性，抗剪能力差，易折斷，為保證其在復雜工程環(huán)境中的存活率，須進行封裝。該文通過在錨索的鋼絞線中心絲上設置凹槽封裝光纖光柵制成光纖光柵自感知錨索，并用于某廣場邊坡加固工程中，以實現(xiàn)對錨索預應力施工張拉的監(jiān)測。

1 自感知錨索封裝設計及應變傳遞

取預應力錨索的鋼絞線中心絲，在其上設置凹槽，將光纖光柵傳感器用膠黏劑封裝在凹槽內(nèi)，待膠黏劑達到足夠的黏結強度后，將中心絲與邊絲扭絞成型并對端部進行封裝保護如圖1、2所示。

圖1 自感知鋼絞線封裝設計

圖2 自感知鋼絞線端部封裝保護

采用此凹槽嵌入式封裝法，一方面可以避免施工過程中因拉拽擠壓造成光纖光柵斷裂，提高光纖光柵在惡劣施工環(huán)境下的布設存活率和使用壽命；另一方面，膠黏劑作為光纖光柵粘貼層的同時，也成為光纖光柵的保護層，起到吸收外界沖擊振動的作用。

光纖光柵應變傳感原理：基體產(chǎn)生形變，通過中間層傳遞給裸光柵。由于中間層吸收微小變形，因此，光纖光柵與基體的應變存在差異，二者的應變之比即為傳感器的應變傳遞能力，稱之為應變傳遞率。根據(jù)剪滯理論，光纖光柵的平均應變傳遞率見式(1)、(2)：

(1)

(2)

式中：εg和εm分別為光纖光柵傳感器的應變和基體的應變；2L為光纖傳感器粘貼長度；Gp和Eg分別為粘貼層的剪切彈性模量和光纖光柵的楊氏模量；rm和rg分別為粘貼層的外徑和光纖的外徑。

該文凹槽深度取0.6 mm，寬度取1 mm，光纖光柵傳感器的粘貼層厚度取0.5 mm，粘貼長度為50 mm，膠黏劑的彈性模量為2.5 GPa。根據(jù)式(1)計算可得，自感知鋼絞線的平均應變傳遞率為β=96%，滿足應變傳遞要求。

2 光纖光柵自感知錨索試驗研究

2.1 試驗概況

取長度為3 m的普通鋼絞線，鋼絞線為1×7標準型，公稱直徑為15.2 mm，公稱截面面積為140 mm2，抗拉強度為1 860 MPa，屈服荷載為225 kN，極限承載力為260 kN；光纖布拉格光柵3 dB帶寬，反射率為99.64%，中心波長為1 540 nm；光纖光柵解調(diào)儀為Agilent86142B 光譜儀，采樣頻率為3 Hz，波長范圍為1 525～1 560 nm，波長精度為2 pm，分辨率為1 pm。將鋼絞線打散取出中心絲，在中心絲上設置0.6 mm深、1.0 mm寬的凹槽；張拉中心絲，在持荷狀態(tài)下將光纖光柵傳感器用膠黏劑封裝在凹槽內(nèi)，封裝長度需保證在光柵左右各20 mm均勻地覆蓋膠黏劑，待膠黏劑達到足夠黏結強度時，卸載中心絲，制成自感知中心絲，再將自感知中心絲與邊絲扭絞成型。

根據(jù)鋼絞線中心絲持荷值的不同，分別設計4組(每組3根)試樣進行研究，把中心絲持荷值為0作為A組，中心絲持荷值分別為0.2Pb、0.3Pb、0.4Pb(Pb為中心絲的極限承載力，Pb=39.5 kN)作為B組、C組、D組。加載方案：① 首先記錄光纖光柵傳感器的原始波長；② 施加0.2Pn荷載(Pn為鋼絞線極限承載力，Pn=260 kN)進行預張拉，檢測儀器和構件狀態(tài)，確保鋼絞線與錨具無滑移；③ 以0.05Pn(取10 kN)逐級施加荷載，張拉速度不大于100 MPa/min，持荷5 min后同時記錄光柵解調(diào)儀、張拉力和千分表讀數(shù)；④ 當光纖光柵傳感器失效時，記錄對應的荷載、鋼絞線和波長的變化值；⑤ 張拉至鋼絞線斷裂，記錄極限荷載。

2.2 試驗結果及分析

通過對試驗結果分析整理,對同組的3根試件數(shù)據(jù)進行擬合，得到不同中心絲持荷值光纖光柵傳感器的受拉波長變化、最大波長變化、極限應變，最大張拉力及鋼絞線的屈服應變和極限張拉力等如表1所示。其中λ0為光纖光柵傳感器初始波長；λ0′為光纖光柵傳感器預壓后的波長；λ為光纖光柵傳感器極限受拉波長；Δλ′為光纖光柵傳感器預壓后的波長變化值，Δλ′=λ′0-λ0；Δλ為光纖光柵傳感器受拉總波長變化值，Δλ=λ-λ0；Δλ*為光纖光柵傳感器極限總波長變化值，Δλ*=λ-λ′0；ε*為光纖光柵傳感器達到極限受拉波長時，鋼絞線對應的應變；εy為鋼絞線屈服時的應變；P*為光纖光柵傳感器達到極限受拉波長時，鋼絞線對應的張拉力；Ps為鋼絞線的極限張拉力。

表1 光纖光柵自感知鋼絞線拉伸試驗數(shù)據(jù)

由表1可知：A組試件光纖光柵的應變監(jiān)測量程為鋼絞線屈服應變的70%，應力監(jiān)測量程為極限張拉力的65%。通常，對鋼絞線施加預應力時，其張拉力為鋼絞線極限張拉力的70%，采用超張拉時，張拉力為極限張拉力的75%，這意味著光纖光柵傳感器在施加預應力過程中，將因超過量程而斷裂；B組試件光纖光柵的應變監(jiān)測量程為鋼絞線屈服應變的85%，應力監(jiān)測量程為極限張拉力的80%。相對于A組試件，量程提高不明顯；C組試件光纖光柵的應變監(jiān)測量程超過鋼絞線屈服應變，應力監(jiān)測量程為鋼絞線極限張拉力的98%。相對于A組試件，量程提高十分明顯，基本可以實現(xiàn)對鋼絞線全生命周期應力應變的監(jiān)測；D組試件光纖光柵應變監(jiān)測量程超過鋼絞線屈服應變，應力監(jiān)測量程為鋼絞線極限張拉力的98%，相對于A組試件，量程提高同樣十分明顯，基本可以實現(xiàn)對鋼絞線全生命周期應力應變的監(jiān)測。但相對于C組試件，量程提高優(yōu)勢不明顯，線性和重復性不如C組試件。

分析試驗數(shù)據(jù)可知：光纖光柵傳感器在中心絲持荷狀態(tài)下進行封裝，卸載后會對光纖光柵傳感器形成預壓效果，經(jīng)預壓后的光纖光柵傳感器的量程會得到顯著提高。比較不同的預壓值發(fā)現(xiàn)，在光纖光柵傳感器封裝時進行0.3Pb的預壓，能達到最佳效果。

3 自感知預應力錨索工程應用

為驗證自感知預應力錨索在邊坡加固工程中的應用效果，取3根應用于某廣場深基坑排樁與錨索支護體系中。加固過程采用注漿錨索工藝，3根自感知預應力錨索試件分別布置在3個不同的深孔中，自感知試件制作時中心絲持荷值均為0.3Pb，設計的張拉預應力分別為：1號鋼絞線為120 kN；2號鋼絞線150 kN；3號鋼絞線170 kN，現(xiàn)場施工如圖3、4所示。

圖3 自感知鋼絞線埋設

圖4 自感知鋼絞線現(xiàn)場監(jiān)測

錨索張拉在注漿體強度達到5 MPa后進行，使用穿心型千斤頂和電動油泵加載系統(tǒng)進行張拉，達到設計張拉力時，記錄中心波長變化值，再通過式(3)、(4)計算出監(jiān)測應力。

當光纖光柵傳感器處于均勻應變場時，其波長變化與應變關系為：

(3)

式中：Δλ為波長變化值；n為光柵折射率；p11、p12為光彈效應系數(shù)；υ為泊松比；εg為光柵應變；h為光柵應變靈敏度。

監(jiān)測應力與應變的關系為：

(4)

式中：F為監(jiān)測應力；E為彈性模量；β為光纖光柵平均應變傳遞率；εm為基體應變；A為基體截面面積。

將計算出的監(jiān)測應力與現(xiàn)場油表顯示的實際張拉應力進行對比，結果如表2所示。其中λ0為光纖光柵傳感器初始波長；λFBG為鋼絞線達到張拉應力值時的監(jiān)測波長；ΔλFBG為鋼絞線達到張拉應力值時的波長變化；εFBG為鋼絞線達到張拉應力值時的應變；FFBG為監(jiān)測應力；FCON為實際張拉應力。

表2 鋼絞線監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際張拉力值對比

從表2可知：1號試件的中心波長變化為5.244 nm，光柵應變?yōu)? 396 με，監(jiān)測應力為123.722 kN，與實際張拉值120 kN的絕對誤差值為3%；2號試件的中心波長變化為6.101 nm，光柵應變?yōu)? 495 με，監(jiān)測應力為154.653 kN,與實際張拉值150 kN的絕對誤差值為3.1%；3號試件的中心波長變化為6.944 nm，光柵應變?yōu)? 227 με，監(jiān)測應力為175.254 kN，與實際張拉值170 kN的絕對誤差值為3.1%。3根自感知錨索預應力施加結束后均存活，存活率為100%，其監(jiān)測應力與實際張拉應力相比，誤差均比較小，能夠滿足對整個預應力施加過程的監(jiān)測。

4 結論

通過在鋼絞線中心絲上設置凹槽，設計了可將光纖光柵傳感器封裝在凹槽內(nèi)部的自感知錨索，理論分析了光纖光柵傳感器與基體的應變傳遞率；以中心絲持荷值為變化參數(shù)，對自感知試件進行了張拉試驗；依據(jù)理論推導及試驗結果對自感知錨索進行了邊坡加固工程試點應用，結果表明：

(1)內(nèi)嵌式凹槽封裝工藝能夠提高光纖光柵傳感器在復雜環(huán)境和惡劣施工狀況下的存活率，在拉伸試驗與邊坡加固工程試點應用中，光纖光柵傳感器存活率為100%。

(2)采用預壓方法封裝光纖光柵傳感器，解決了光纖光柵傳感器監(jiān)測量程過小的問題。試驗中，在光纖光柵封裝時進行0.3Pb的預壓，量程提高效果十分明顯且線性度和重復性良好。

(3)在邊坡加固工程試點應用中，光纖光柵自感知預應力錨索監(jiān)測應力與實際張拉力值誤差約為3%，誤差較小，驗證了自感知預應力錨索監(jiān)測量程的有效性和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。