光纤测量技术在岩土工程中的应用

朱国丽陈真

摘要：在岩土工程中，光纤测量技术应用十分广泛，其精度高、抗电磁干扰能力强。基于此，本文首先论述了光纤测量技术的分类和特点，其次论述了光纤测量技术在岩土工程中的应用。

关键词：光纤测量技术；岩土工程；应用

引言

近几年来，光纤测量技术在岩土工程领域也得到越来越广泛的应用。光纤传感器既可以附着在工程结构的表面，也可以埋设在结构内部，监视其运行过程、缺陷的形成和发展。另外，多个Bragg光栅型的光纤传感器还可以串接成一个网络，对结构进行分布式测量，因而可以得到结构内部位移场、应力场、应变场、温度场分布随时间的变化情况，而且，传感信号可以传输很长距离送到中心监控室实现遥测。

1光纤测量技术简介

1.1分类

根据光纤作用的不同，光纤传感器可分为两大类：一类是非功能型（传光型）光纤传感器，另一类是功能型（传感型）光纤传感器。非功能型光纤传感器中光纤仅作为信息的传输介质，对外界信息的敏感功能利用其它物理性质的功能元件完成；功能型光纤传感器中光纤不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，通过外界物理量的变化对光纤内传输的光信号进行调制，使信号光的振幅、相位、频率、偏振态或波长等参量发生变化，再对调制信号进行解调，从而得到被测信号。

根据光信号的调制参数不同，光纤传感器都可分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、偏振态调制型光纤传感器和波长调制型光纤传感器。

1.2特点

光纤传感器具有高灵敏度、高精度、小尺寸、易成网、良好的绝缘性和抗电磁干扰能力等很多优势，对特殊环境的测量具有重要意义。

1）高灵敏度和精度。通过提高光纤传感器的封装技术和探测解调技术，使得很多光纤传感器的灵敏度和精度优于一般的传感器；

2）重量轻、体积小。因此光纤传感器便于安装埋设，同时测量位置也非常精确；

3）良好的绝缘性、化学稳定性以及抗电磁干扰能力。由于大部分光纤材质为石英材料，其具有本质安全的特点，可用于易燃、易爆、易腐蚀和强电磁干扰的特殊环境；

4）可分布式测量。一根光纤可以实现长距离连续测控，能测出任一点上的应变、损伤、振动和温度等信息，并由此形成大范围、连续式的监测区；

5）传输容量大，易于组网复用。以光纤为母线，有利于与现有通信光缆组成传感网络，实现大规模多点测量。

2光纤测量技术在岩土工程量测中的应用

2.1岩土工程量测

对岩土性状、周围环境及地质条件、相邻结构和设施等因素（位移、压力、应力、应变、温度、振动等参量）的工程量测是岩土工程监测的主要内容。在岩土工程施工和运营期间，通常需要布置监测获取这些参量的变化，通过分析岩土体受力状态及其变形等要素评价其稳定性，进而评估可能遭遇到的工程风险，预测预报可能发生的工程灾害。因此，借助专门仪器或专用测试元件获取上述参量的定量数据，为岩土工程的设计和施工提供翔实完整、科学可靠的依据是岩土工程量测的主要目的。

2.2现场量测的基本原则和技术要求

岩土工程量测是保障岩土工程安全施工、保护周围环境的一项十分重要的技术环节和措施。因此首先必须将岩土工程量测纳入工程施工管理；其工作内容和选用的技术依据必须满足相关的标准、规范和规定；科学合理地设计量测点及施测方式；配置和选用技术可靠、经济合理的量测仪器和元件，且由专业技术人员施测；施测过程中应遵循以使用专门仪器或专用测试元件获取定量数据的测量为主，以现场目测检查为辅的基本要求；量测的周期与频率必须满足相关标准、规范和规定以及现场施工进程的要求；量测数据必须完整翔实、准确可靠，信息反馈务求实时性强，以满足工程现场需要；保证施测质量和人身设备安全等。

2.3边坡变形量测

2.3.1边坡变形位移量测点的布设原则

位移是斜坡变形最为直接的外在表现，也是边坡变形量测和评价边坡失稳破坏的最为重要的参数。根据边坡失稳理论，当边坡变形位移量或位移速率达到一定程度时，边坡就可能失稳破坏。对边坡变形位移量测应遵循地面量测先行，而后深部量测的原则。因此，在选择和布设位移量测点时，应根据前期的地勘资料，分析和确定出边坡变形位移的敏感部位和关键部位，优先布设量测点，以便及时获得滑坡变形信息，并尽量使量测点能覆盖整个边坡，以便建立有效的观测网。

根据边坡变形破坏机制，通常情况下，牵引式滑坡变形位移的敏感部位在其前缘；推动式滑坡变形位移的敏感部位在其后缘。这些部位是滑坡变形位移量测点优先布设的部位（图1、图2）。滑坡浅表位移量测的光纤延长方向应与岩土体滑动的方向基本一致，一端须固定在滑体上，另一端须开放式地安置在滑坡体外用于连接量测装置；对于深部位移量测，钻孔方向应尽量垂直于滑动面，光纤一端固定在孔底，另一端也须开放式地安置在地面上用于连接量测装置。所有引出地面的光纤须预留足够的长度，并预先计量所用光纤的单根总长度，以便后期校核误差。

图1滑坡变形位移量测点平面布设示意

图2滑坡变形位移量测点断面示意

3.2.2岩土体变形光纤位移传感器

滑坡变形的总位移通常都较大。在岩土体变形的初期，变形位移一般较小，但随变形位移过程的持续，变形位移量与位移速率可能会迅速增大。因此，为避免岩土体位移对光纤可能造成的损伤，须将光纤事先安置在套管（可以是波纹管或塑料管）内，埋置在预先开挖出的沟槽内或插入事先打好的钻孔内并灌注原土泥浆。

为了对岩土体的小变形（总变形量≤10mm）更加敏感，根据微弯测量原理，可事先将套管加工成蛇形状（图3），光纤与套管间的缝隙采用胶质材料或沥青灌注。当套管弯曲不是制作在同一个平面而是按一定角度旋转制作时，即可实现对岩土体各向变形位移量的量测。

图3小位移蛇形光纤传感器

对于大变形（总变形量>10mm）量测，需要光纤在套管内滑动。因此，光纤与套管间的缝隙不需灌注（图4）。

图4大位移蛇形光纤传感器

蛇形光纤位移传感器的套管不但可以保护光纤不受破坏，而且增大了光纤与岩土体的接触面积和长度，形成的微弯变形提高了对岩土体变形的灵敏度和测量精度。

蛇形光纤传感器既可以用于微变形监测，也可以用于宏观变形监测。由于套管安装的不平整，光纤可形成多个微弯点，当岩土体的变形位移对

传感器构成了影响，这些微弯点就成了非常敏感的微弯传感器，其变形位移测量精度可达±0.01mm，对岩土体的初始变形甚至其损伤均可实现量测。当岩土体破坏和出现大滑移时，光纤即形成宏弯弯曲，可对岩土体的滑动过程进行量测。

除蛇形光纤传感器须按预先设计进行制作外，在埋置前必须逐个对其进行标定，完成初始状态的设定。同时在埋设时，也要尽量使弯曲方向与岩土体滑移方向保持一致。采用旋型弯曲传感器时，还要记录各弯曲点对应的方位。

结语

光纤测量技术的进步对岩土工程检测和监测技术产生了革命性的影响，国内外在岩土工程量测中运用光纤测量技术已有不少成功案例。尽管在其工程应用中还存在着不少问题，影响了其在岩土工程量测中的推广应用，但可以相信随着我国科技水平的不断进步和经济实力的日益强大，高性能、低成本的光纤传感系统将会越来越多地运用于工程实际，必将极大地推动我国岩土工程量测技术领域的快速发展。

参考文献：

[1]马水山，王志望，李端有等.光纤传感器及其在岩土工程中的应用[J].岩石力学与工程学报，2001，20（增）：1692～1694.

[2]孙圣和，王廷云，徐颖.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.