吉晓朋， 张志创， 李 克， 张 驰， 钱 坤

(1.中航勘察设计研究院有限公司， 北京 100098；

2. 河南华厦建筑设计有限公司，河南 郑州 450000；

3.汕头大学 土木与环境工程系， 广东 汕头 515063；
4.中原工学院 建筑工程学院， 河南 郑州 450007)

随着我国的建筑上部结构逐渐向高层迈进，下部结构所处地质情况和周围环境等越来越复杂，建筑基础工程中基坑深度也在不断增加。这使基坑结构变形受到了更严格的限制，进而也对其变形监测技术提出了更高的挑战。传统的基坑结构变形监测手段存在效率不高、抗干扰能力弱、系统化程度较低等不足，而分布式光纤传感技术具有灵敏度高、可连续监测、测量便捷、适应性强等优势[1-3]，可以克服传统监测方式的弊端。

分布式光纤感测技术主要通过对分布式感测光缆的应变解调，来实现被测物的应变测量，从而实现被测物的位移解析。分布式光纤既是传感器，又是光信号传输通道。分布式光纤感测技术具有分布式特点，利用光纤应变与被测结构物的对应关系，可以得到待测参量沿光纤长度的连续分布信息。光纤本身纤细微小，易被植入，且不受地下水、电磁干扰等恶劣环境的影响，可以实现结构或岩土体的精细化测量[4-6]。

本文依托北京市某基坑支护工程，进行了分布式光纤的现场试验，通过在预应力锚杆上通长布设分布式光纤，对预应力锚杆在基坑开挖过程中的应变发展规律进行了为期2个月的监测工作，监测结果可为类似项目提供一定的借鉴。

应变监测光纤使用5 mm钢绞线紧套光纤；
由于监测时间较长，监测期间温度变化较大，采用温度补偿光纤消除温度变化对光纤监测的影响，温度补偿光纤采用凯夫拉纤维松套光纤。5 mm钢绞线紧套光纤和温度补偿光纤结构如图1所示。

(a) 5 mm钢绞线紧套光纤 (b) 温度补偿光纤图1 光纤结构示意图Fig.1 Schematic diagram of optical fiber structure

本项目基坑支护共设计了3道预应力锚杆，锚杆杆体采用直径15.2 m的低松弛钢绞线。试验选取了基坑第3道预应力锚杆中的3根锚杆作为监测对象，试验锚杆编号分别为M1、M2、M3。试验时，将分布式应变监测光纤沿锚杆杆体送入锚杆孔内，注浆后，分布式光纤与锚杆注浆体形成一个整体，协同变形，分布式光纤的应变即为锚杆杆体的应变。分布式光纤监测位置及布设示意图如2、图3所示。

图2 试验锚杆位置示意图Fig.2 Schematic diagram of test anchor position

图3 分布式光纤布设示意图Fig.3 Schematic diagram of distributed optical fiber layout

试验采用的锚杆长度为17 m，其中自由段长为5 m，光纤采用粘贴式布设；
锚固段长为12 m，光纤采用埋入式布设。试验采用的传感光纤为5 mm钢绞线紧套光纤，每段传感光纤截取19 m长，其中2 m为引线，留置在孔外与传输光纤熔接，17 m附着在锚杆上。为了保证传感光纤与锚杆变形的一致性，将 5 mm钢绞线紧套光纤与锚杆5 m自由段粘贴的部位，用工具剥开，去除护套与钢绞线，只留下纤芯部分，将纤芯用胶水粘贴在锚杆自由段上。通过前期的多次试验，胶水选用与裸纤耦合性最佳的UHU强力胶。

通常情况下，锚杆为弯曲状态，为便于粘贴光纤，首先将锚杆拉直，用砂纸打磨表面锈迹，然后用专用清洁剂将锚杆表面擦洗干净，最后在锚杆自由段用UHU强力胶将传感光纤通长粘贴。由于UHU强力胶水需要24 h才能完全固化，故粘贴光纤后的锚杆静置48 h后，再套入黑色隔离塑料布。

在锚杆的锚固段，以0.5 m间距用扎带将传感光纤绑扎在锚杆上，和水泥浆液浇筑为一体，锚固段在注浆后形成注浆体-光纤-锚杆杆体组成的耦合体。

光纤在锚杆上的布设示意图如图4所示。

3根试验锚杆(M1、M2、M3)杆体材料均采用4根直径15.2 mm的低松弛钢绞线，预应力锚杆的自由段长度5 m，锚固段长度12 m，锚杆水平间距 1.6 m，锚杆设计参数如表1所示。

表1 锚杆设计参数

锚杆注浆后，待达到注浆体设计强度的75%时进行预应力张拉，张拉到设计预应力锁定值的50%时，恒载保持20 min，测量分布式光纤的应变；
然后对锚杆继续分步加载，加载至预应力锁定值锁定后，再测量分布式光纤的应变，此测量值作为锚杆应变初始值。

试验过程中，每天对光纤的应变进行监测并采集数据，数据采集设备采用国产AV6419光纤应变分析仪。

本项目统计了2020年11月22日至2021年1月22日期间锚杆M1、M2、M3上的4根光纤应变的监测数据，并对监测结果进行了分析。

2.1 温度补偿光纤应变分析

本文对温度变化对光纤产生的应变进行分析，分析结果如图5-图7所示。

图5 锚杆M1温度补偿光纤应变图Fig.5 Optical fiber strain diagram for M1 anchor temperature compensation

图6 锚杆M2温度补偿光纤应变图Fig.6 Optical fiber strain diagram for M2 anchor temperature compensation

自2020年11月22日至2021年1月22日，每天下午3时对大气温度及光纤应变进行了监测，监测初期监测频率定为一天一次，根据监测情况增加或减少监测频率。监测期内大气温度逐渐降低，最高温度9 ℃(2020年11月22日)，最低温度-1 ℃(2021年1月22日)，温差为10 ℃。

图7 锚杆M3温度补偿光纤应变图Fig.7 Optical fiber strain diagram for M3 anchor temperature compensation

根据图5-图7，可以看出：

(1)随着时间的推移及气温的降低，温补光纤应变逐渐减小，锚杆自由段孔口处的光纤应变值减少约210～220 με。根据温度补偿光纤参数，温度每降低1 ℃，光纤应变约减少20 με，可以推算出温度降低了10.5～11.0 ℃。根据现场实际温度来看，2020年11月22日下午3点，实时温度为9 ℃，而2021年1月22日下午3点，实时温度为-1 ℃，温度差值为10 ℃，光纤监测计算结果与实际值相近。

(2)随着深度增加，土体与外界热交换减少，温补光纤的应变变化也越来越小，气温变化对温补光纤的应变影响范围主要为自孔口向内6 m左右，锚固段的温补光纤处于土层深处，受温度变化影响很小。

2.2 锚杆光纤应变分析

锚杆M1、M2、M3光纤应变随监测时间变化的情况如图8所示，图中光纤应变为锚杆上4根光纤应变的平均值。

对光纤应变曲线进行分析，可以得出以下规律：

(1)锚杆孔口及自由段与锚固段过渡位置出现应变峰值，这是典型的应力集中现象；
锚杆自由段中间位置前后约3 m范围内的光纤应变值及变化规律都相似，且应变变化较为平缓均匀，因此自由段应变平均值应在自由段中间位置前后约3 m范围内取值。

(2)在锚杆张拉锁定后，锚杆M1～M3光纤自由段平均应变增加了2 139～2 490 με，同一根锚杆的不同钢绞线上的光纤应变变化是不一样的，反映出同一根锚杆的不同钢绞线受力是不相等的。

(a) 锚杆M1光纤平均应变

根据光纤的应变变化值，锚杆轴力可以通过应力公式算出：

F轴力=σ·As=Es·με·As

(1)

式中：σ为锚杆应力(N/mm2)；
Es为钢绞线弹性模量(N/mm2)；
με为锚杆应变；
As为锚杆杆体截面面积(mm2)。

轴力计算结果见表2。

为便于对比分析，现场试验时，在3根试验锚杆锚头处分别安装了振弦式锚杆测力计对锚杆自由段轴力进行了测试，并对由分布式光纤监测计算出的锚杆轴力值与锚杆测力计实测值进行了对比分析，结果见表2。由表2可以看出，二者的误差在5%以内，这说明分布式光纤传感技术应用于锚杆轴力监测是可行的。

(3)光纤应变从锚固段开始衰减，衰减速度呈负指数逐渐变慢，在2～2.5 m时应变迅速趋于零值。根据锚杆锚固力计算公式，可以反算出锚杆锚固体与土体(本项目试验锚杆锚固段均位于卵石层)之间的粘结强度值，反算结果见表2。

表2 锚杆监测结果及分析计算表

F轴力=πd∑qsk,ili

(2)

式中：d为锚杆的锚固体直径(m)；
qsk,i为锚杆锚固体与第i土层的粘结强度值(kPa)；
li为锚杆锚固段在第i土层中的长度(m)。

(4)本项目试验锚杆锚固段均位于卵石层，工作状态下，锚固体与卵石层之间的粘结强度约215.4～276.8 kPa，锚固段并非全长受力，在现场试验中锚固段受力有效长度约为2～2.5 m，因此当锚固段长度达到一定值时，再增加锚杆长度对锚杆承载力毫无意义。通过分布式光纤监测锚杆应变变化，可以反算锚固体与土体之间的粘结强度，为锚杆的设计提供相应帮助。

(5)在监测期间锚杆轴力变化幅度较小，说明基坑的土体整体稳定，下部卵石地层的开挖对上层土的扰动影响较小。

本文采用分布式光纤对基坑锚杆进行应变监测，可以掌握锚杆轴力分布及其变化规律，及时了解基坑安全状况。同时，通过监测结果，可以反算锚固体与土体之间的粘结强度，进而对锚杆设计参数提供相应指导。因此，采用分布式光纤进行基坑锚杆轴力监测具有较好可行性，并具有一定的工程应用价值，值得进一步推广。

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