0 前言

光纤检测技术是20世纪70年代末发展起来的一门新技术, 它是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长或频率等特征参量发生变化, 从而对外界因素进行检测和信号传输。这种新技术被应用于航空、航天等领域, 利用埋入复合材料中的光纤传感器检测结构内部的应变和探测结构的损坏情况, 已充分显示了这是一种有效的无损检测新技术^[1]。与当前岩土工程检测中所采用的传统应变片检测技术相比, 这种新技术有明显的优越性并显示出很大的发展潜力。本文就岩土工程信息化施工中如何用光纤检测技术替代传统应变片检测技术作一些介绍和探讨。

1 光纤检测技术的基本原理

根据几何光学原理, 当光线以角度θ₀(与光纤轴线的交角)从折射率为n0的空气中射入纤芯, 并以法线角θ₁射到纤芯-包层界面上, 如果θ₁大于全反射临界角度θ_c, 则每次全反射后, 子午光线就按照通过波导轴线的锯齿形路径沿光纤纤芯行进, 如图 1所示。根据Snell定律, 能使子午光线发生全反射的最小角度θ_c满足

(1)

式中 n1, n2分别为纤芯和包层的折射率。

小于θ_c的角度射入纤芯-包层界面的光线将折射出纤芯而在包层中传播或逸出光纤之外而散失。

当把光纤传感器埋入材料或者结构物当中时, 外界待测量的压力、温度等作用于光纤引起光纤几何参量或物理参量变化, 对在光纤中传播的光波的特征参量(如强度、频率、相位、偏振等)产生调制, 通过对调制光的检测, 便能感知外界的信息, 从而实现对各种物理量的测量。这就是光纤传感与检测技术的基本原理。

光纤传感器用光而不用电作为敏感信息的载体, 用光纤而不用金属导线作为传递敏感信息的媒介, 具有径细、柔韧、体积小、质量小、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、能耗小、造价低廉、便于实现分布式和准分布式检测、集信息传输和传感于一体等特点, 还有宽频带和高数据传输率及耐高温、抗腐蚀等优良特性^[2]。可应用于压力、温度、位移、振动、应变、加速度、电压、电流、磁场、流量、浓度、pH值等各种量的测量。因而光纤传感与检测技术具有广泛的应用前途。

2 岩土工程中信息化施工的重要性

信息化施工是指在施工过程中, 通过设置各种测量元件及仪器, 及时采集现场实际数据并且加以分析, 然后根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整, 并反馈到下一阶段的施工过程当中, 对下一施工过程进行分析和预测, 从而保证工程施工安全、经济地运行。

随着社会经济与科学技术的不断发展, 岩土工程项目越来越向大规模、高技术、高难度的方向发展。人们对工程质量以及工程的进度、成本、安全可靠性也提出了越来越高的要求。可是由于岩土工程的复杂性和不确定性使得这些要求难以得到实现。同时由于影响设计的因素众多复杂、设计参数难以准确确定、设计方法不够完善等原因, 经常使得设计计算结果与实际工程状况有较大的差异。传统的“设计-施工”模式往往难以确保项目目标的实现, 因此我们必须充分利用施工过程中所获得的信息, 对设计和施工进行动态调整、控制^[3], 使岩土工程项目施工可以安全顺利地完成, 还可以节省投资, 从而收到更好的经济效益和社会效益。

3 信息化施工条件与传感器的选择

要进行信息化施工, 必须具备一定的条件:首先, 要有合适的测量元件及仪器; 其次, 要进行实时监测从而可以及时获得工程现场实际信息; 第三, 要有相应的分析预测模型与方法; 第四, 应用计算机。

很显然, 传统的岩土工程检测技术很难满足以上要求。而光纤传感与检测技术却完全可以胜任这一角色, 相对于传统的传感器如应变片、压电晶体等电类传感器以及射线、声发射、超声波等无损检测仪器, 光纤传感器具有以下优点:

(1) 光纤传感器超高电绝缘, 不受环境的电磁干扰;

(2) 光纤传感器频带宽, 信息量大, 并可基于复用技术将许多传感器接到一根光纤上, 也可以在一条光纤上布置多个相同或不同物理量的测点, 从而降低了单个传感器或测点的成本;

(3) 光纤传感器体积小、重量轻、柔韧、易于布置、耐腐蚀、抗辐射、可埋入性好, 可用于水下、潮湿、易燃易爆、高能辐射等环境, 无需任何防护进行长期监测;

(4) 光纤极细, 可塑性好, 一般总直径约为100 ~ 200μm, 可放置在小孔和缝隙等被测场点, 而且对被测场点扰动小, 不会改变结构的受力状态^[4];

(5) 光纤能实现长距离检测与信号传输;

(6) 光纤传感技术可进行干涉测量从而提高检测灵敏度;

(7) 光纤可以实现网络式布置;

(8) 光纤传感技术更容易与计算机的应用结合起来, 从而可以更快速更全面地反映工程实际情况。

可见, 光纤检测技术比传统的检测技术有着更大的优势, 在岩土工程检测中有着更广阔的应用前景。

4 适用于岩土工程的光纤检测技术

虽然光纤传感器可用于检测压力、温度、位移、流量、应变、电压等等许多物理量, 但在岩土工程中主要是用于应力、应变的检测。近年来人们针对此研究了多种多样的传感机理、传感结构和传感系统。按传感机理可分为以下几种:

光纤布拉格光栅应力、应变传感器;

基于光纤微变损耗的应力、应变检测;

基于F-P干涉腔的应力、应变检测;

基于少模光纤模间干涉的应力、应变检测;

基于双折射光纤内两偏振光干涉的应力、应变检测;

基于双折射光纤内两偏振光干涉的应力、应变检测;

基于两根光纤输出光相互干涉的应力、应变检测^[5]。

其中基于F-P干涉腔的应力、应变检测方法应用前景最广。下面介绍一下Fabry-Perot光纤传感器的传感技术原理(见图 2)。

Fabry-Perot传感器是以干涉测量法为测量原理。使用的是宽频白光光源。传感器内部包含两个面对面的半反射镜, 两镜之间的间隙被称为F -P腔长度(Lc), 两单独焊点之间的距离为仪器长度(Lg), 它规定了传感器的工作范围和灵敏度。由读出装置发射的白光一部分被第一个半反射镜反射, 另一部分穿过F -P腔后被第二个半反射镜部分反射。两组反射光发生干涉并返回到读出装置的检测器上。通过检测干涉光的变化得出腔长Lc的变化。而当仪器被粘结于一被测物体上时, 物体的应变直接转变为腔长变化, 而且由公式

(2)

可得出该物体的应变^[6]。

当然, 除了应力应变外, 岩土工程中还要检测如坝体内部裂缝的发展情况与分布位置, 边坡滑动面位置及滑距等内容。这就要用到OTDR技术及分布式光纤传感技术等。在此不再详述。

5 光纤检测技术在岩土工程信息化施工中的应用探索

岩土工程包括基坑支护、边坡支护、地下峒室、地基处理与桩基础等多方面的工程内容。先以土钉墙支护为例说明信息化施工的重要性以及光纤检测技术的可行性和优越性。土钉支护相对于其它支护方式来说, 具有以下优点:材料用量和工程量少, 施工速度快; 施工设备轻便, 操作方法简单; 对场地土层的适用性较强; 结构轻巧, 柔性大, 有良好的抗震性能和延性; 经济, 大大节约造价。而土钉支护的最大优点在于它可以根据现场检测所得数据, 修改土钉间距和长度。而且如果出现不利情况, 也能及时采取措施加固, 避免出现大的事故。所以, 在信息化施工前提下, 土钉支护有更高的安全度。上述优点使土钉支护在我国的岩土工程中得到日益广泛的应用^[7]。

在土钉支护所要求的信息化施工中, 我们除了要监测相关部位的变形及位移外, 还要实时监测部分土钉及锚杆的应力变化。特别是对于一些重大工程, 需要保证施工过程有很高的安全度, 又要尽量节约造价, 这就必须增加监测力度及监测范围。也就是要求测点多, 实时测量, 测量数据真实、精确, 数据采集速度快, 数据处理方便快捷。所以必须选择一套能与信息化施工相配套的监测系统。

传统的电磁传感检测技术如应变片等, 相比于光纤检测来说主要有以下不足之处:首先是不够精确, 现场用电设备多, 易造成电磁干扰, 而光纤检测不受电磁干扰; 而且传统的电磁传感元件容易受到地下水或混凝土中一些化学物质的腐蚀, 但光纤主要成分是二氧化硅, 极不易受到腐蚀^[8]。因此光纤检测受干扰小, 结果更真实。其次, 传统的电磁传感检测技术数据收集难度大, 特别是测点多的时候, 信息反馈速度慢, 数据处理过程繁复。而在光纤检测技术中, 可利用多路复用技术及分布式传感技术, 将各测点用单芯光缆联至一大光缆(这些都埋于地下), 延伸至检测中心的一台微机上。这样就实现了数据信息的实时收集。然后在电脑中用相关程序对数据进行及时处理, 当处理结果超过预设的报警值时就及时发出报警信号。从而可以及时修改设计, 增加或减少相关测点处的土钉数量或及时采取其它应急措施, 保证工程在尽可能节约造价的同时达到安全施工的目的。

除了土钉支护工程外, 光纤传感检测技术在对锚杆支护时锚杆的预应力变化, 对地下连续墙围护结构中(包括支撑)的应力、应变和位移、挠度变化, 以及对边坡或岩体深部滑动面的位置和滑距变化, 或对大坝内部裂缝的产生与发展过程的实时监测, 同样能得到很好的应用。

6 光纤检测技术在岩土工程信息化施工中的应用前景

在岩土工程施工中, “信息化施工”可以在施工中对所出现的问题及时进行准确分析, 合理调整设计方案, 达到既经济又安全的施工效果。因此越来越受到人们的重视。但是信息化施工中传统的电磁传感检测系统存在着许多缺陷, 而其中大多数缺陷正好可以由光纤传感检测系统所弥补。当然, 在光纤检测技术的应用过程当中, 许多实际操作中的难题还有待突破, 某些方面的检测精度还有待提高, 特别是光纤传感器在各种工程中的埋设方法还需要不断地进行探索及改进。但是, 随着科学的进步, 光纤检测技术在岩土工程信息化施工中将得到越来越广泛的应用, 并将带来巨大的社会效益与经济效益。