基于高空間分辨率BOTDA的土體沉降監測研究

李林海,郭文娟,丁 強,王光輝,高金良,關 鵬,隋景林,張洪英*,刁美玲

(1.哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院,哈爾濱 150080;2.北京首創生態環保集團股份有限公司,北京100052;3.哈爾濱工業大學 環境學院,哈爾濱 150090;4.鞍山?？乒怆娂夹g有限公司,遼寧 鞍山 114000;5.哈爾濱功達給排水技術有限公司,哈爾濱 150028)

地面沉降因其不易被察覺的特性而經常被忽視,從而會導致多種自然災害,對人類的生命安全造成嚴重威脅.目前對于地面沉降的監測和安全評估已經成為亟待解決的重要課題.土體沉降的空間分布形態受多種環境因素的影響,劉成禹等人[1]為了能夠將地下管道形變對土體沉降的影響可視化,進行了管道破裂誘發沉降的模型預測.

分布式光纖傳感技術利用光纖中的散射效應作為傳感機制,具有實時性好、靈敏度高、易于組網、受環境影響小、抗電磁干擾等諸多優點[2-3].隨著該技術對溫度和應變的監測能力進一步提升,已被應用到了土堤沉降[4-5]、管道[6-7]、橋梁[8]、隧道變形[9]等多個領域.分布式光纖傳感技術應用于土體沉降監測的關鍵在于保證光纖本身與被測對象的變形一致性[10-11],Michael Iten等人[12]通過布設光纖來監測巖土體或結構體的變形穩定性,向伏林等人[13]為了研究光纖與土體的變形一致性對二者的協調性進行了離散元數值模擬.對于耦合變形問題,國內外的專家學者均做了有益探索.例如Zhang等人[14]通過光纖在土中的拉拔實驗,分析了光纖-土體界面的力學特性,進而提出了兩者變形耦合的3個階段.瑞士學者Hauswirth等人[15]對光纖在大尺度剪切工況下的響應模式進行研究,相關結論對工程應用有一定啟發.

在工程實踐中,位移量可作為通用的土體穩定性評價指標,因此建立光纖沉降位移與應變之間的關系模型,即可利用分布式光纖傳感技術通過測量應變分布實現對土體沉降位移的監測.

分布式布里淵光纖傳感技術具有測量范圍廣、精度高[16]、空間分辨率高[17]等諸多優點,本文利用可實現高空間分辨率的差分脈沖對布里淵光時域分析(Differential Pulse-width Pair Brillouin Optical Time Domain Analysis, DPP-BOTDA)技術對土體沉降進行監測研究.通過搭建土體沉降模擬裝置,借助裝置內的活塞運動改變土體沉降位移,對監測段光纖的應變分布進行了測量,并通過建立沉降位移與應變之間的關系模型實現了對土體沉降位移的測量.在此基礎上,研究了光纖的應變測值與土體縱向位移的關系,對比分析了沉降測量結果與實際沉降之間的關系以及光纖與土體的耦合性能對監測效果的影響,研究結果對利用分布式光纖傳感技術進行土體沉降監測具有參考意義.

1 測量技術及原理

1.1 高空間分辨率BOTDA技術

BOTDA技術是基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術,光纖既是傳輸介質又是傳感元件,利用光波在光纖中的傳輸特性,可沿光纖長度方向進行連續測量[18].布里淵散射同時受到應變和溫度的影響,當光纖沿線的溫度發生變化或者存在軸向應變時,光纖中的背向布里淵散射光的頻率(稱為布里淵頻移)將發生漂移,布里淵頻移的變化量與光纖應變和溫度變化呈線性關系,表達式為:

ΔυB=ΔbT+Δbs=CT·ΔT+CS·Δε

(1)

其中:ΔυB是布里淵頻移的變化量;CT和CS分別為光纖布里淵頻移的溫度系數和應變系數;ΔT和Δε分別是溫度和應變的改變量.

如果測量在較短時間內完成,溫度變化可忽略不計,則可以通過測量光纖的布里淵頻移得到應變情況:

Δε=ΔυB/CS

(2)

在BOTDA系統中,泵浦光的脈寬直接影響信噪比和測量精度,泵浦光的脈寬越窄,空間分辨率越高,但信號強度越弱;泵浦光的脈寬越寬,信號強度越強,但空間分辨率越低.而且當泵浦光脈寬小于10 ns時,會使布里淵增益譜展寬,減弱布里淵散射信號,降低信噪比[17].因此傳統BOTDA 技術的空間分辨率最高為1 m,而對于精度要求較高的監測應用而言遠遠不能滿足要求.DPP-BOTDA是利用不同寬度的一對脈沖泵浦光獲得兩個時域的布里淵增益信號,通過一個小的脈寬差獲得遠超傳統 BOTDA 技術的空間分辨率.本文使用的分布式布里淵溫度應變解調儀空間分辨率為5 cm.

1.2 沉降位移測量原理

待測光纖在被測土體中水平布設,當某處土體發生沉降位移時,光纖隨之產生形變,如圖1所示.圖1中L為實驗段光纖原長度,A點為光纖的固定夾點,L1為實驗段光纖向下位移Y1伸長后的長度,L2為實驗段光纖向下位移Y2伸長后的長度.

圖1 土體縱向沉降剪切面示意圖

該段光纖經過沉降分別伸長到L1和L2時發生的應變量ε1和ε2可分別表示為:

ε1=(L1-L)/L

(3)

ε2=(L2-L)/L

(4)

根據圖1所示的幾何關系以及式(3)、(4)可得對應的沉降位移Y1和Y2,以及當光纖隨土體沉降后,由此時測量到的光纖應變值εN可計算出豎向沉降位移YN為:

(5)

(6)

(7)

2 土體沉降實驗設計

2.1 實驗裝置

實驗采用的土體沉降模擬裝置如圖2所示,其中圖2(A)為實驗裝置實物圖,圖2(B)為實驗裝置尺寸示意圖.本模擬實驗箱長220 cm、寬50 cm、高60 cm,填土高度為60 cm,光纖的水平埋設位置距實驗箱底部30 cm,兩端接入分布式布里淵溫度應變解調儀.模擬箱下方安裝有升降臺,通過改變升降臺的高度可以使得實驗箱中的土體發生不同的縱向位移,應變傳感光纖也會隨之受拉變形發生相應的縱向位移.

圖2 實驗裝置

沉降實驗用土取自鞍山市立山區的砂土,曬干后做實驗用.根據土的工程分類標準(GB/T 50145-2007),實驗用砂為粗砂,其干密度為1.65 g·cm-3、天然含水率約為5%.實驗采用的應變傳感光纜型號為RP-S-05-MR,布里淵頻移應變系數為0.0482 MHz/με.

2.2 實驗方案

在模擬土體沉降實驗中,以土體沒有沉降時的初始應變測值為基準,在其他實驗條件相同的情況下,分為3種不同的工況進行實驗,參數如表1所示.其中工況1是在實驗箱內無土,將傳感光纖用地錨固定在升降臺上進行的,用于模擬理想的土體沉降狀態.工況2與工況3均為實驗箱內有土狀態,區別在于有無光纖錨固點,用于對比光纖布設方式對沉降測量結果的影響.

表1 實驗的三種工況

3 實驗結果分析

3.1 應變-位移數據分析

圖3是不同沉降位移下工況1實驗段光纖的應變分布圖.由圖3可知,在實驗箱內無土的狀態下,光纖沿線的應變分布較為均勻,但是在實驗箱兩端對光纖進行固定時會給光纖施加夾力,使得光纖兩端的應變測值較大.隨著升降臺每帶動實驗段光纖向下移動1.3cm,光纖的應變測值遞增,當位移為8.3cm時,最大應變測值約為2 700 με.

圖3 不同沉降位移下工況1實驗段光纖應變分布

圖4、5分別是不同沉降位移下工況2和工況3實驗段光纖的應變分布.由圖4、5可知:光纖埋設在土體中因為布設方式的不同和固定光纖時夾力的不確定性,會使光纖的應變測值呈現出不同的分布形狀和峰值.如圖4所示,在土體帶動光纖沉降的初始階段,工況2光纖周圍的圍壓增大,光纖隨著土體的沉降而下降,應變測值整體上隨之增大,最大應變值約為1 900 με.只是當光纖沉降達到2.44 cm時,光纖的應變測值約為750 με,土體繼續帶動光纖沉降到達3.05 cm,此時光纖的應變測值并未發生變化.緊接著土體繼續沉降到3.66 cm,此時的應變測值又開始增大,達到約850 με.分析是由于工況2光纖沒有任何固定措施直埋于土體中,發生沉降時會發生相對橫向滑移,由于土體的不均勻沉降,使得下沉的砂土會移動到光纖下部將其托起,從而導致光纖在沉降到某個位置時應變值不再發生變化.當土體繼續沉降時,被托起的光纖會發生彈性形變,從而使應變測值繼續增大.工況3條件下光纖上布設有地錨,可以避免光纖發生相對橫向滑移,增大光纖與土體的接觸面積,減少光纖上方砂土的向下移動,所以光纖的應變隨土體沉降位移的增加有規律地增大,如圖5所示,當沉降量為7.32 cm時,測得光纖的應變最大值約為3 200 με.

圖4 不同沉降位移下工況2實驗段光纖應變分布

圖5 不同沉降位移下工況3實驗段光纖應變分布

將圖3～5中傳感光纖中心位置的應變測值分別代入式 (7)計算得到各工況條件下光纖的沉降位移曲線,與土體實際沉降位移對比如圖6所示,圖6中橫坐標表示升降臺位移量,縱坐標表示沉降位移測量值(其中工況2及工況3由于覆土造成沉降時會有固定偏差,故在計算位移時以第一次沉降時的位移作為基準進行位移矯正,默認第一次位移為準確值).由圖6可知:工況1條件下光纖的沉降位移測量值與土體的實際沉降位移吻合很好,這說明運用BOTDA系統監測土體沉降具有可行性.工況2和工況3在土體沉降初始階段沉降測量值都與實際沉降位移符合較好.工況2中當土體沉降達到3.05 cm時,位移測量值與實際位移值發生明顯偏離;而工況3實驗段光纖因為布設有地錨,接觸面積的增大使光纖整體受力增大,當土體沉降到5.49 cm左右時,由于光纖受土體的圍壓過大,實驗箱兩端夾具固定不住光纖使其從實驗箱兩端開始發生滑脫,此時光纖的位移計算值開始偏離實際位移值.由此可以推出光纖在土體中的沉降位移與光纖和土壤間的耦合性存在某種關系,且這種關系可能受土體的不均勻沉降和光纖彈性形變等影響.

圖6 各工況下沉降位移測量值與實際值對比圖

3.2 光纖與土體耦合性分析

國內外的相關研究顯示,直埋式光纖和周圍土體的相互作用是一個相當煩瑣的問題,光纖在土體沉降過程中的應變測量值和真實的土體變形之間有一定的應變損失,并且隱藏的影響因素眾多,至今沒有很好的解決方案.但是通過上述實驗結果及分析可知沉降位移測量值與光纖和土體的耦合性相關.為此,本文提出纖-土沉降耦合變形系數K,定義為沉降位移測量值與土體實際位移的比值,用以表征光纖在伴隨土體沉降過程中與土體之間的耦合性.結合式(7),K可以表示為:

(8)

其中:dN表示土體的實際沉降位移.

當土體發生沉降時,光纖隨之沉降并被拉伸而產生應變.根據式(8)和測得的應變及位移數據,得到三種工況下光纖沉降系數K與實際沉降位移d之間的關系如圖7所示.圖7中的圓圈為沉降系數K的實驗測量結果,K=1的水平實線為理想耦合線,表示沉降位移的測量值與實際沉降值相等.

圖7 光纖沉降耦合系數隨土體實際沉降位移的變化關系

對圖7展開分析如下:

1) 纖-土耦合變形系數K值的大小可以反映出光纖與土體相互作用的效應,也可以用于判斷光纖與土體耦合性的好壞.K值越接近于1,光纖與土體的耦合性就越高,監測到的光纖應變值就越準確.為了更好地分析土體縱向沉降位移逐漸增大時光纖與土體的耦合特征,根據耦合系數K值情況將耦合狀態劃分為纖-土耦合度良好階段和光纖滑移階段,如圖7所示.其中在光纖與土體耦合度良好階段,光纖和周圍土體的耦合度高,沉降系數測量值與理想耦合線符合較好.在光纖滑移階段,光纖應變分布受到多種因素的影響,如光纖兩端固定點滑脫、土體沉降不均勻等,此時測量得到的沉降位移將不能很好地反映出真實的土體變形.

2) 如圖7(A)所示,工況1在土體沉降過程中K值始終在1附近,耦合情況最為理想.對比圖7(B)、(C)可以看出,工況2和工況3的K值變化趨勢相似,都是前期耦合度良好,當實際沉降達到某一個數值后沉降位移測量值與實際位移值開始產生明顯偏差,此時纖-土耦合變形系數驟降.這是由于這兩種工況下光纖周圍有土壓存在,隨著沉降位移的增大,光纖會產生滑移.但是可以清楚地看到,工況2在沉降位移d=3.05 cm時其K值就進入了光纖滑移階段,除了個別點K值較大之外,其余位置明顯降低,這是由于工況2中的光纖沒有固定地錨,光纖的沉降完全靠土體下沉作用;而工況3由于設置了地錨,土體帶動地錨沉降的同時就會帶動光纖移動,因此在沉降位移d=5.49 cm時其K值才開始進入光纖滑移階段,說明地錨增大了光纖與土體之間的耦合面,從而增加了沉降位移的測量范圍.

綜合以上分析得到了如表2所示的纖-土沉降耦合變形程度劃分標準,可以用于定量評價土體沉降過程中光纖與土體的耦合程度.

表2 實驗所得纖-土沉降耦合變形程度劃分標準

4 結 語

本文利用高空間分辨率BOTDA技術對土體沉降進行了監測研究,綜合考慮了土體沉降變形、地錨固定等因素對纖-土沉降耦合變形效應的影響.通過沉降位移監測實驗測量了三種不同情況下直埋式光纖的應變分布,結合應變-位移計算模型得到了相應的沉降位移,并將測量結果與實際沉降情況進行了對比分析.

為表征光纖在位移過程中與土體的耦合程度,提出了纖-土沉降耦合變形系數K,并根據其取值情況將土體沉降過程劃分成兩個階段.在纖-土耦合度良好階段,沉降位移的測量值與實際值符合較好.當土體的沉降位移增大到一定程度時,K值顯著減小,即光纖和土體之間的耦合度降低,處于光纖滑移階段(即光纖發生滑脫),此時根據光纖應變測值無法準確計算土體的沉降位移.此外,通過布設地錨能夠增強光纖與土體之間的耦合效果,從而增大沉降位移的測量范圍.