1、引言：應變是巖土工程監(jiān)測中最重要的參數(shù)之一。由于傳統(tǒng)電阻應變儀的一些缺陷，逐漸難以滿足當前巖土工程監(jiān)測的要求。然而，光纖光柵傳感器以其可靠性好、抗干擾能力強、體積小、施工工藝簡單、可復用性強等優(yōu)點，逐漸引起人們的關(guān)注，并被廣泛應用于各個領(lǐng)域。自20世紀80年代末美國工程師首次將光纖傳感器應用于土木工程以來，國外一些發(fā)達國家已經(jīng)進行了大量的實驗。目前，這項技術(shù)相對成熟，而中國仍處于起步階段。本文以某工程試樁為例，簡要介紹了光纖光柵傳感器的工作原理，并對光纖光柵傳感器和電阻應變儀的測試結(jié)果進行了對比，分析了光纖光柵傳感器在巖土工程監(jiān)測中的發(fā)展前景。光纖光柵傳感器光纖光柵傳感器的工作原理光纖光柵傳感

2、器是利用光纖材料的光敏性，即外部入射光子與纖芯相互作用導致纖芯折射率的永久變化，在單膜光纖纖芯中形成的空間相位光柵。它的本質(zhì)是在內(nèi)核中形成一個窄帶濾波器或反射鏡。布拉格光柵傳感器通過檢測波長譜可以絕對測量被測物體的應變。當光柵產(chǎn)生軸向應變時，反射的窄帶光的波長將發(fā)生變化。在忽略溫度影響的前提下，波長偏移與應變的關(guān)系滿足以下方程：式中， Pe為光纖的彈性光學系數(shù)，無應變光纖光柵的中心波長，即施加的軸向應變，k為光纖光柵的靈敏度系數(shù)，即應變引起的波長偏移?？梢钥闯?，光纖產(chǎn)生的應變與反射波長的偏移成正比，只要布拉格光柵波長的偏移被精確測量，光纖中布拉格光柵的應變就可以計算出來。BRAGG光纖光柵是一

3、種反射式工作裝置。當光源發(fā)射的連續(xù)寬帶光(下圖中的Ii)通過傳輸光纖進入時，它與光場耦合，并選擇性地將寬帶光反射回相應的窄帶光(下圖中的Ir)，并沿著原始傳輸光纖返回。其余的寬帶光(如下圖所示)直接傳輸。3試樁概述： 3.1地質(zhì)條件：3.2試樁概述試樁長46.5米，直徑1.8米，預計承載力234050千牛頓。試樁采用自平衡法。每一級的荷載為預計承載力的1/15，第一級荷載為荷載的兩倍。該試驗采用慢速維護負荷法進行。在本次試驗中，采用了兩種傳感器來測量樁身軸力。每段三個方向采用傳統(tǒng)的電阻鋼應變測量，另一個方向采用嵌入式光柵傳感器。測量分辨率小于1，測量范圍在3000之間。光柵數(shù)據(jù)由PI04B系列

4、光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)分析儀采集，并轉(zhuǎn)換成應變數(shù)據(jù)存儲在計算機中。傳感器布置在巖土界面的邊界。布局截面位置見圖1。共有7個部分，包括21個常規(guī)鋼應變儀和7個光柵傳感器。圖2嵌入式光柵傳感器和PI04B系列光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)分析儀，初始加載階段上下位移緩慢增加。隨著載荷的增加，上下位移逐漸增加。當達到預期載荷值時，向上位移達到11.15毫米，向下位移達到9.22毫米。由于位移很小，一階載荷繼續(xù)增加到240-160千牛頓。所有載荷水平和相應的向上和向下位移見表2和圖3:3.3試驗結(jié)果將電阻式鋼應變儀在某些截面測量的應變值平均值與光柵傳感器測量的應變值進行比較，如圖4 圖9所示。圖4為5.99米標高處的

5、截面應變值，圖5為-4.41標高處的截面應變值，圖6為-11.21米標高處的截面應變值，圖7為-20.61米標高處的截面應變值，圖8為-25米標高處的截面應變值，圖9為-31米標高處的截面應變值，將上述試驗結(jié)果進行比較即可得出。 得到等效樁頂荷載下各土層和巖層的摩阻力和端阻力以及承載力位移曲線。 計算結(jié)果如下圖所示，圖10:側(cè)摩阻力-位移曲線，圖11:樁端阻力-位移曲線，圖12: (a)等效樁頂荷載-位移曲線由電阻式鋼應變片測得的應變值計算。. (a) (b)圖10側(cè)摩擦-位移曲線，(a) (b)圖11樁端阻力-位移曲線，(a) (b)圖12等效樁端荷載-位移曲線，從計算結(jié)果可以看出，它是用傳統(tǒng)的電阻應變片和光柵傳感器測得的應變計算出來的。根據(jù)自平衡轉(zhuǎn)換方法，轉(zhuǎn)換后的載荷的位移曲線也有很大的不同，只有端部電阻位移曲線略有不同。從本項目的角度來看，光柵傳感器可以替代巖土工程中傳統(tǒng)的電阻應變儀。從技術(shù)角度來看，將光柵傳感器應用于巖土工程監(jiān)測不再是一個