岩土工程师评职范文浅谈光纤检测技术的应用

　　摘要：本文介绍了岩土工程光纤检测技术的基本原理，在强调岩土工程信息化施工的重要性的基础上，还对光纤检测技术在岩土工程中的应用及其关键问题进行了探讨。

　　关键词：光纤传感器,检测技术;岩土工程

　　引言

　　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。轻细、柔韧并具有良好的可埋入性的光纤，能集信息传输与传感于一体.由它构成的传感器，只需一光源和一探测线路，就可以对精光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息( 如应力、温度、损伤状况等)进行测量与监控。

　　光纤检测技术应用于土木工程界才刚刚开始，目前集中于探索光钎传感器埋入锕筋混凝土构件和结构中( 如建筑物、桥梁、大坝) 进行结构完整性无损评估和内部应力状态检测的可行性 。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。

　　一、岩土工程光纤检测技术的基本原理

　　目前世界上已开发出的光纤传感器种类不胜枚举，诸如应变、加速度、压力、振动、水声、温度、电流、磁场、核辐射、气体组分等等物理量都实现了不同性能的光纤传感，新的传感原理及应用不断涌现。但真正适合应用于岩土工程中的光纤检测技术却是很有限的，因它需满足以下要求 ：

　　(1)高精度：随着科学技术的发展，人们对岩土工程检测精度的要求越来越高。

　　(2)长距离：现代的大型或超大型结构通常为数公里到数十公里(如三峡工程) ，这就要求能实现长距离检测与信号传输。

　　(3)分布式：传统的点式测量方法，工作量大，由于布点的随意性，最危险的地方可能被漏检增加检测点数，虽然提高了结果的可靠性，但工作量大为增加，因而需要一种线性测量方法。

　　(4)长期性：传统的岩土工程检测方法一般是采用应变片检测技术。应变片易受潮失效，而岩土工程中地下水是一个不可避免的因素;光纤的纤芯材料是石英， 外加高分子被覆层，本身耐腐蚀性强，也不怕地下水的影响，有利于长期检测。

　　二、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，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。

　　三、光纤检测技术应用于岩土工程的关键问题分析

　　1.光纤的埋设

　　如何将光纤合理、完好地埋入岩土工程中，是实现岩土工程光纤检测的第一 步。光纤在岩土工程中的埋设涉及到以下几个基本问题：(1)光纤如何无损伤地 埋入岩土工程中;(2)光纤的合理布置;(3)埋入光纤传感器有关力学性质与岩土 体力学性质不一致时，光纤检测数据的合理性。

　　对于土石坝、人工填土工程或混凝土结构等，可以在边施工时，边埋设光纤。 对于非人工修建的岩土工程(如边坡)等，可采用人工打钻孔的方法，埋设光纤。 为了使光纤埋设布置合理，先应对工程作力学分析，找出关键点、关键段，以便 做到光纤布置考虑全局，重点突出。

　　工程中的粗骨料，混凝土的捣实、固化，土石坝的夯实等都会导致光纤的损伤。根据实践经验，光纤埋入岩土工程中有如下几个较好的方法;(1)先将传感光纤埋入一小型预制件中，再把这一小构件埋入工程中，这里值得注意的一点是，预制件材料的力学性质应与工程材料一致或相近;(2)对于钢筋混凝土结构，可将光纤粘结到钢筋上，一方面钢筋可保护光纤，另一方面钢筋的受力、变形足以反应结构的内部应力、应变状态;(3)在工程中埋入经过特殊保护的光缆或光纤柬;(4)先采用小导管保护，在粘结剂固化之前将小导管拔出。

　　一般而言，光纤的物理力学性能与岩土工程介质材料不一致。弹模不一致会 导致光纤传感器所在处的混凝土产生应力集中。当温度膨胀系数不同时，温度变 化会导致热应力。研究表明：当光纤直径较小，即被覆层不是太厚时，这些影响都是可以忽略的，特别是将光纤粘接于混凝土结构中的钢筋时效果很好，或将光纤粘接、埋设于与工程介质力学性质相似的构件中再埋置于工程中。

　　2.光纤埋设对工程结构强度的影响

　　光纤埋设对新建的岩土工程(如土石坝)的强度的影响比较小，因为光纤比较小，光纤的高分子被覆层耐腐蚀性好，强度高。对原有的岩土工程(如边坡)须采用钻孔的方法来埋设光纤，那么它对工程结构强度的影响就不可忽略了。为了尽量减小这种影响，应尽量采用小钻孔，最好将光纤粘结于钢筋上，再将它埋入钻孔中，用水泥将它与工程介质固定，这样既有利于光纤的保护，对提高工程强度 也有好处。

　　3.光纤检测与信号处理

　　传统测试方法中，测点外露时，易遭人为破坏。光纤脆弱，测点保护应特别重视。比较好的方法是将各测点用单芯光缆联至一大光缆 ( 这些都埋于地下) ， 延伸至检测站即可。采用分布式测量方法中的 O T D R法 与 B O T D A法，测 量距离都很长，这样可以把不同测点光纤连起来一并测量，只要不超过测量的距离量程即可。为了保证测量的可靠性，应用微机来管理检测系统，作定时检测与分析;设定报警值，一旦某处报警，应增加检测额率并采用应对措施。

　　四、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。

　　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。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。

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