基于BOTDA光纤传感技术的SMW工法桩分布式测量研究
第33卷 第5期 岩 土 工 程 学 报 Vol.33 No.5 2011年5月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering May 2011
基于BOTDA光纤传感技术的SMW工法桩
分布式测量研究
丁 勇1, 3，王 平2，何 宁3，赵维炳3，王国立3
(1. 南京理工大学，江苏 南京 210094；2. 中国第一冶金建设公司，湖北 武汉 430081；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)
摘要：利用BOTDA分布式光纤传感技术，将普通H型钢改造成为具有自感知能力的桩体，使之能够在基坑开挖过程中自动获取H型钢翼缘应变、桩身弯矩、挠度等受力变形数据；通过对H型钢受力结构的分析，提出了不需要确定中性面位置的桩身弯矩连续计算方法，实现了桩身测量的温度自补偿。该技术在某基坑工程中的成功应用表明，它具有良好的现场适应性，可以对基坑安全进行远程实时监测，并具有分布式测量、温度自补偿等优点，可作为一种新型的基坑围护结构加以推广应用。
关键词：SMW工法桩；BOTDA；温度自补偿；应变；弯矩；挠度
中图分类号：TU473 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2011)05–0719–06
作者简介：丁勇(1977–)，男，江苏海安人，讲师，从事岩土工程安全监测研究。E-mail: danpub1977@https://www.360docs.net/doc/5e7140978.html,。
New method to measure deformation of SMW piles based on BOTDA
DING Yong1, 3, WANG Ping2, HE Ning3, ZHAO Wei-bin3, WANG Guo-li3
(1. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China; 2. China First Metallurgical Construction Co., Ltd., Wuhan
430081, China; 3. Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)
Abstract: By using BOTDA distributed optical fiber sensing technology, the ordinary H-pile is transformed into a pile body with a self-sensing ability, so that it can automatically acquire structural health data like strain, bending moment, deflection and so on during excavation process. Through analysis of the forces acting on the H-pile, a method for continuous calculation of bending moment of the piles, which doesn’t need to determine the location of neutral face, is proposed, and it can make temperature compensation. The technology has been applied in a foundation pit, and the a successful application shows that it has good in-situ adaptability. It can be employed to monitor the real-time deformation of the foundation pit. Moreover, it has some advantages like distributed measurement, temperature self-compensation, etc., therefore it can be widely used as a new type of protective structure in foundation pits.
Key words: SMW pile; BOTDA; temperature compensation; strain; bending moment; deflection
0 引 言
SMW工法具有构造简单、止水性能好、工期短、造价低、环境污染小等特点，目前已被广泛应用于各类基坑工程之中。但是，受到传统监测手段的限制，对SMW工法桩的实时变形监测还比较困难，目前工程上广泛采用的基于常规电测式传感器的人工采集数据的方法，有限的测点难以反映目标系统的整体情况，存在漏检的弊端，而且传感器使用寿命较短，存在长期的零点漂移问题，同时容易受到外界环境的各类不利因素（如温度、湿度变化及电磁干扰）的影响，往往无法保证监测数据的长期稳定性与准确性。
近年来兴起的BOTDA分布式光纤传感技术具有防水、抗腐蚀和耐久性长等特点，其传感元件体积小、重量轻、测量范围广、便于铺设安装，将其植入监测对象中不存在匹配的问题，对监测对象的性能和力学参数等影响较小[1]；光纤本身既是传感元件又是信号传输介质，可实现对监测对象的远程分布式监测[2-4]。因此，利用BOTDA技术对SMW工法桩进行实时变形监测，可以有效的克服传统监测技术的不足，不失为常规基坑监测手段以外的有益补充。
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基金项目：国家自然科学基金项目（40872172）；南京理工大学自主科研专项计划（2010ZYTS055）
收稿日期：2010–01–19
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本文将介绍一种测量SMW 工法桩芯材（即H 型钢）受力变形的新方法：以BOTDA 技术为基础，通过布设分布式传感光纤等方法，对普通H 型钢进行封装，使之能够在基坑开挖过程中自动获取H 型钢翼缘应变、桩身弯矩、挠度等受力变形数据。并通过对广州某大型厂房深厚软土基坑的监测实例分析，验证该技术良好的现场适应性、温度自补偿、远程分布式测量等优点。
1 测量原理
1.1 光纤布设工艺
在普通H 型钢基础上，运用分布式光纤传感技术（BOTDA ）对桩身进行光纤布设，通过分布式传感光纤测定桩身全长的应变分布，再经过算法去噪、温度自补偿等数据处理之后，计算出桩身的弯矩和挠度分布，最终形成一个能够实时获取桩身受力变形状态的监测系统（见图1）。
图1 H 型钢光纤测量线路构成示意图 Fig. 1 Composition of optic fiber sensor in H-pile
1.2 BOTDA 简介
BOTDA 是在光导纤维及光纤通信技术的基础上发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。它的工作原理是分别从光纤两端注入脉冲光和连续光，制造布里渊放大效应（受激布里渊），根据光信号布里渊频移与光纤温度和轴向应变之间的线性变化关系（见式（1）），在温度补偿（或应变补偿）条件下得到光纤的应变变化量（或温度变化量）[5]。
B νt νε
C t C νε?=??+?? (1) 式中 B ν?为布里渊频移量；νt C 为布里渊频移温度系数；C νε为布里渊频移应变系数；t ?为温度变化量；
ε?为应变变化量。 1.3 工作原理
作为基坑围护体系的一部分，安装有分布式传感光纤的H 型钢被竖直沉入基坑边缘的水泥搅拌桩内，在基坑开挖过程中支挡基坑外部土体向内的滑移（见图（2））。因此，H 型钢主要承受水平方向上的土压力作用，以及少量的桩身侧摩擦力；在此作用下，桩身
将发生中性面位置未知的复杂受弯变形。
图2 H 型钢测量系统基坑布置示意图
Fig. 2 Installation of optic fiber sensor for H-pile in a pit
从图2（b ）中不难看出，安装有分布式传感光纤
H 型钢的两个翼缘是桩身受弯变形的主要受力结构，在材料性质一致的情况下，翼缘部位的变形将比桩身其它部位更大，因而成为铺设传感光纤、监测桩身变形的最佳部位。
2 分布式传感光纤安装工艺
如图3所示，光纤沿H 型钢轴向共铺设了4条光纤传感回路，分别是1-1'，2-2'，3-3'和4-4'，其中1-1'和4-4'是铺设在翼缘两边，而2-2'和3-3'铺设在翼缘与腹板的夹角处（靠近腹板一侧，离翼缘有14 mm 的距离）。以2-2'回路为例，光纤由桩顶开始沿H 型钢轴向铺设，在桩底部拐弯180°再沿轴向返回桩顶，从而形成一进一出的光纤传感回路。
图3 光纤布置横断面图
Fig. 3 Cross section of fiber optic sensor in H-pile
第5期 丁 勇，等. 基于BOTDA 光纤传感技术的SMW 工法桩分布式测量研究
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在室内对H 型钢进行的四点弯荷载试验发现，铺设在翼缘上的光纤容易受到翼缘附加变形的干扰，因而不能代表H 型钢主体的变形状态。图4显示的是铺设在翼缘与腹板夹角处的光纤应变分布，上下翼缘的应变测量值以y =0为对称轴，波形相互对称，符合H 型钢受4点弯作用的变形规律。图5显示的是铺设在翼缘上的光纤应变分布，下翼缘的应变测量值波形不规律，且不能与上翼缘的应变测量值相对称，这主要是因为翼缘在荷载作用下发生了附加变形。
图4 翼缘与腹板夹角处的光纤应变测量值
Fig. 4 Distribution of measured strain of fiber optic in corner of
flange and web
图5 翼缘处的光纤应变测量值
Fig. 5 Distribution of measured strain of fiber optic on flange
因此，在利用安装有分布式传感光纤的H 型钢监测基坑土体向坑内滑动时，一般以翼缘与腹板夹角处铺设的光纤（即2-2'和3-3'）作为主要依据，翼缘两边的光纤只能作为辅助参考使用。
3 数据处理
BOTDA 所测量到的分布式传感光纤应变数据，
是针对桩身某特定位置（如翼缘与腹板夹角处）的变形，在中性面位置不确定的情况下，不能代表桩身整体的变形状态，更加不能成为计算桩身弯矩、挠度的依据，因此必须经过一系列的数据处理，以消除中性面位置不确定的影响。另外，基坑监测周期一般长达数月，周围环境温度变化较大，必须进行温度补偿，以消除温度场变化的影响；针对环境影响较大、信号噪声过强的问题，还需要对应变数据进行算法拟合，以消除信号噪声。 3.1 确定中性面位置
H 型钢由于受到桩身材料性质不均匀等因素的影响，中性面位置并不一定与腹板中心重合，因而，在不能确定其位置的情况下，必须通过数据处理的方法来回避中性面位置在计算桩身弯矩、挠度中的影响。
假定以桩身轴线为x 轴，在桩身某截面处，如图3中#2光纤和#2'光纤相对于中性面的距离分别为2y 和
2'y ，那么根据式（2）和（3）可推导出式（4）：
22'22'()()
()()()
z z I E x I E x M x y x y x εεεε=
= ， (2)
2'2()()()Y x y x y x =? ， (3) 2'2(()())
()()
z I E x x M x Y x εεεε?= ， (4)
式中
()M x 为某截面处桩身弯矩；z I 为桩身截面惯
性矩（桩身各截面基本一致）；E 为桩身材料弹性模量（桩身各截面基本一致）；2()x εε为某截面处#2光纤受结构作用而产生的真实应变；2'()x εε为某截面处#2'光纤受结构作用而产生的真实应变；()Y x 为某截面处
#
2光纤与#2'光纤之间的距离。
因此，虽然不能确知中性面的位置，但#2光纤与
#
2'光纤之间的距离是可以通过精确测量得到的，从而
可以计算出某截面处桩身所受的弯矩。又因为#2光纤与#2'光纤都是铺设在翼缘与腹板夹角处，两条光纤基本保持水平，因此()Y x Y =，式（4）可简化成为
2'2(()())
()z I E x x M x Y
εεεε?= 。 (5)
根据式（5）得出的弯矩分布计算桩身挠度分布：
D ()()d d z I Ey x M x x x Cx D ??=?++??∫∫ 。 (6)
式中 D y 为某截面处的挠度；C 和D 为根据边界条件所确定的参数。
3.2 温度自补偿
由式（1）可知，BOTDA 的测量值包含了温度和应变的共同影响，假定BOTDA 的测量值为应变测量值，则该应变测量值由两个部分组成：
c t εεεε=+ 。 (7)
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表1 地基土物理力学性质指标 Table 1 Physical and mechanical indices of soil
土层 编号 土层 名称 层底埋深
/m
ρ0 /(g·cm -3) ρd /(g·cm -3
)w /％ G s e S r /％ I r
c
/kPa φ /(°)
1 吹填砂 2.0 — — — — — — — — —
2 淤泥 20.6 1.61 1.02 57.8 2.6
3 1.5995.6 1.48 7.9 4.3 3 粉土 23.1 1.96 1.61 21.8 2.67 0.6687.6 1.11 16.6 15.8
4 淤泥质土 28.9 1.72 1.19 44.7 2.6
5 1.2995.7 1.29 14.1
6 8.25
其中 c ε是BOTDA 对光纤的应变测量值；εε是光纤
受结构变形而产生的真实应变；t ε是环境温度变化造成测量值上的假应变。
因此，式（4）可以改写为
2'c 2't 2c 2t (((()())(()()))()z I E x x x x M x Y
εεεε???=。(8)
在同一个温度场环境内的不同光纤（如#2光纤和#
2'光纤），虽然由于结构变形的差异而在εε上有所不同，但它们的t ε是相同的。因此，式（8）可改写为
2'c 2c (()())
()z
I E x x M x Y
εε?= 。 (9) 因此，在计算桩身弯矩时可以通过两条翼缘上光纤应变测量值的差值来进行温度补偿，而不需要另外铺设专用的温度补偿光纤，从而实现了H 型钢的温度自补偿功能。 3.3 多项式拟合
受测量仪器算法、测量环境等多方面因素影响，分布式应变数据通常表现为连续的不平滑曲线。为了消除这种不平滑性，可以采用多项式拟合的方法对分布式应变曲线进行数据拟合[6]：
151413f 123 = + + +s p x p x p x
16-n n 1516 + + + p x p x p " ， (10)
其中f s 是经过拟合的分布式应变曲线，i (1,2,p i = ,16)"是由应变测量值得到的系数。
4 H 型钢监测应用实例
4.1 项目概况
广州某大型厂房建于深厚软土地基上，地基土主
要以淤泥和淤泥质土为主，土体力学性质较差，地基土物理力学性质指标详见表1。
基坑采用SMW 工法施工（见图6），基坑底面挖深11 m ，水平方向上设有3道支撑，H 型钢长24 m （参数详见表2），其中桩顶部分有 1.7 m 在地面以上。
表2 H 型钢参数
Table 2 Physical indices of H-pile
高度 /mm 宽度 /mm 长度/m 翼缘厚度/mm 腹板厚度/mm 弹性模量/GPa 钢材型号488 300 24 18 11 210
Q235
图6 基坑开挖示意图
Fig. 6 Sketch map for excavation of pit
4.2 监测结果分析
根据H 型钢的测量原理，每一组应变测量值都包含了两条应变曲线（采样间距为0.1 m ），分别对应于两条位于H 型钢两个对称翼缘与腹板夹角处的分布式传感光纤，如图3中的#2和#2'光纤。两条光纤测线分别位于H 型钢中性面的两侧，体现在基坑环境中则是一条位于H 型钢基坑外侧的翼缘上，一条位于H 型钢基坑内侧的翼缘上。图7给出了H 型钢基坑外侧翼缘在基坑开挖过程中的应变分布曲线，图8为H 型钢基坑内侧翼缘在基坑开挖过程中的应变分布曲线，图中纵坐标代表H 型钢由桩顶（坐标为0）到桩底（坐标为-24 m ）的距离，横坐标则是对应H 型钢坐标位置、经过多项式拟合后的光纤应变数据。对比发现，两组应变曲线表现出以x =0为对称轴的近似对称，这主要是因为这两条光纤测线分别位于H 型钢的中性面两侧，总体上是对称关系，但由于受到中性面位置不确定以及环境温度变化影响，曲线形态会在局部有所差异。
根据这两组应变分布曲线，可由式（6）计算出H 型钢的弯矩分布（见图9）。假定桩底位移为0、桩顶
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水平位移可由全站仪精确测量，则可由式（7）计算出桩身的挠度分布（见图10）。
图7 H 型钢基坑外侧应变分布图
Fig. 7 Distribution of strain of flange outside pit
图8 H 型钢基坑内侧应变分布图 Fig. 8 Distribution of strain of flange in pit
如图9所示，桩身弯矩分布曲线表现出随时间变化而增长的趋势，并且在桩身上下两段分别出现了两处符号相反的弯矩峰值。虽然弯矩曲线的变化是一个渐变的过程，但在总体上可以将相似的弯矩曲线归为一组，从而将弯矩增长变化分为3组，2009年10月19日至10月22日为第一组，2009年10月26日至11月2日为第二组，2009年11月6日至11月12日为第三组。对之相对应，图10中的挠度分布曲线也表现出了相类似的分组形式，这表明H 型钢桩身的受力变形与基坑开挖步骤之间存在密切联系。
图9 H 型钢桩身弯矩分布图
Fig. 9 Distribution of bending moment of H-pile
图10 H 型钢桩身挠度分布图 Fig. 10 Distribution of deflection of H-pile
基坑开挖施工日志显示，该H 型钢所在基坑于2009年10月16日正式开挖（冠梁和第一道支撑已安装完毕），10月19日开挖至-6 m ，10月23日第二道支撑安装完毕，11月2日开挖至-11 m ，并安装第三道支撑。将基坑开挖过程与弯矩和挠度变化过程进行对比后发现，基坑开挖深度的增加导致弯矩和挠度分布曲线的渐变，而水平支撑的安装则导致了弯矩和挠度分布曲线的突变。
另外，水平支撑的安装不仅改变了弯矩和挠度分布曲线的数值大小，同时也改变了曲线峰值的位置。图9中的弯矩分布曲线显示，桩身上部和下部的两处弯矩峰值都随着水平支撑数量的增加而出现逐步下移；图10中的挠度分布曲线则显示桩身挠度最大的位置也出现了下移。
为了验证分布式光纤测量H 型钢变形的可靠性，
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实验中还在桩身附近埋设了测斜管，同步测量与H型钢位置相对应的土体水平位移。图11给出了2009年10月22日两种测量方法所到的数据曲线，图形表明分布式光纤测量的H型钢挠度与土体水平位移具有相似性，这在一定程度上也证明了分布式光纤测量数据反应的H型钢受力变形状态与真实情况相符。
图11 测斜数据与H型钢挠度对比图 Fig. 11 Comparison between deflection of H-pile and data of inclinometer
5 结 语
以BOTDA技术为基础，通过布设分布式传感光纤等方法，对普通H型钢进行封装，使之能够在基坑开挖过程中返回H型钢翼缘应变、桩身弯矩、挠度等受力变形数据，从而为基坑安全实时评价提供依据。
在广州某大型厂房深厚软土基坑中的现场实验表明，安装有分布式传感光纤的H型钢可以按照常规SMW工法安装，可以抵抗恶劣的施工环境，存活率达到100%。在基坑开挖过程中，安装有分布式传感光纤的SMW工法桩可以准确快速地获取桩身分布式应变数据，该数据以0.1 m为间隔、记录桩身全长的应变分布，完全解决了点式传感的数据局限性；根据分布式应变数据推算的弯矩和挠度分布曲线，具有独特的双线测量方法，实现了温度自补偿，从根本上解决了基坑环境温度对监测结果的干扰。
综上所述，安装有分布式传感光纤的H型钢是一种具有实时获取应变数据的基坑工程围护结构，其良好的现场适应性、远程实时分布式测量、温度自补偿等特点为其在工程领域中的推广应用提供了坚实的基础，相信可以在未来一段时间内得到更多的工程应用。
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