基金项目：南京理工大学自主科研专项计划资助项目（2010ZYTS055）
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本文将介绍一种测量SMW工法桩芯材（即H型钢）受力变形的新方法：以BOTDA技术为基础，通过布设分布式传感光纤等方法，对普通H型钢进行封装，使之能够在基坑开挖过程中自动获取H型钢翼缘应变、桩身弯矩、挠度等受力变形数据。并通过对广州某大型厂房深厚软土基坑的实例分析，验证该技术良好的现场适应性、温度自补偿、远程分布式测量等优点。
1 测量原理
1.1 光纤布设工艺
在普通H型钢基础上，运用分布式光纤传感技术（BOTDA）对桩身进行光纤布设，通过分布式传感光纤测定桩身全长的应变分布，再经过算法去噪、温度自补偿等数据处理之后，计算出桩身的弯矩和挠度分布，最终形成一个能够实时获取桩身受力变形状态的监测系统（见图1）。
图1 H型钢光纤测量线路构成示意图
Fig. 1 Installation of optic fiber sensor in the H-pile
1.2 BOTDA简介
BOTDA是在光导纤维及光纤通信技术的基础上发展起来的一种以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。它的工作原理是分别从光纤两端注入脉冲光和连续光，制造布里渊放大效应(受激布里渊)，根据光信号布里渊频移与光纤温度和轴向应变之间的线性变化关系（见公式1），在温度补偿（或应变补偿）条件下得到光纤的应变变化量（或温度变化量）[5]。
(1)
其中：为布里渊频移量；为布里渊频移温度系数；为布里渊频移应变系数；为温度变化量；为应变变化量。
1.3 工作原理
作为基坑围护体系的一部分，安装有分布式传感光纤的H型钢被竖直沉入基坑边缘的水泥搅拌桩内，在基坑开挖过程中支挡基坑外部土体向内的滑移（见图2）。因此，H型钢主要承受水平方向上的土压力作用，以及少量的桩身侧摩擦力；在此作用下，桩身将发生中性面位置未知的复杂受弯变形。
(a)立体示意图
(a) Exploded view
(b)平面示意图
(b)Plane view
图2. H型钢测量系统基坑布置示意图
Fig. 2 Sketch map for the H-pile in pit
从图2(b)中不难看出，安装有分布式传感光纤H型钢的两个翼缘是桩身受弯变形的主要受力结构，在材料性质一致的情况下，翼缘部位的变形将比桩身其它部位更大，因而成为铺设传感光纤、监测桩身变形的最佳部位。
2 分布式传感光纤安装工艺
如图3所示，光纤沿H型钢轴向共铺设了四条光纤传感回路，分别是1-1’,2-2’,3-3’和4-4’，其中1-1’和4-4’是铺设在翼缘两边，而2-2’和3-3’铺设在翼缘与腹板的夹角处（靠近腹板一侧，离翼缘有14mm的距离）。以2-2’回路为例，光纤由桩顶开始沿H型钢轴向铺设，在桩底部拐弯180再沿轴向返回桩顶，从而形成一进一出的光纤传感回路。
图3. 光纤布置横断面图
Fig.3 Cross sectional drawing of fiber optic sensor in pile
在室内对H型钢进行的四点弯荷载试验发现，铺设在翼缘上的光纤容易受到翼缘附加变形的干扰，因而不能代表H型钢主体的变形状态。图4显示的是铺设在翼缘与腹板夹角处的光纤应变分布，上下翼缘的应变测量值以y=0为对称轴，波形相互对称，符合H型钢受四点弯作用的变形规律。图5显示的是铺设在翼缘上的光纤应变分布，下翼缘的应变测量值波形不规律，且不能与上翼缘的应变测量值相对称，这主要是因为翼缘在荷载作用下发生了附加变形。
图4. 翼缘与腹板夹角处的光纤应变测量值
Fig.4 Strain measurement distribution of fiber optic in the corner of flange and web
图5. 翼缘处的光纤应变测量值
Fig.5 Strain measurement distribution of fiber optic on the flange
因此，在利用安装有分布式传感光纤的H型钢监测基坑土体向坑内滑动时，一般以翼缘与腹板夹角处铺设的光纤（即2-2’和3-3’）作为主要依据，翼缘两边的光纤只能作为辅助参考使用。
3 数据处理
BOTDA所测量到的分布式传感光纤应变数据，是针对桩身某特定位置（如翼缘与腹板夹角处）的变形，在中性面位置不确定的情况下，不能代表桩身整体的变形状态，更加不能成为计算桩身弯矩、挠度的依据，因此必须经过一系列的数据处理，以消除中性面位置不确定的影响。另外，基坑监测周期一般长达数月，周围环境温度变化较大，必须进行温度补偿，以消除温度场变化的影响；针对环境影响较大、信号噪声过强的问题，还需要对应变数据进行算法拟合，以消除信号噪声。
3.1 确定中性面位置
H型钢由于受到桩身材料性质不均匀等因素的影响，中性面位置并不一定与腹板中心重合，因而，在不能确定其位置的情况下，必须通过数据处理的方法来回避中性面位置在计算桩身弯矩、挠度中的作用。
假定以桩身轴线为x轴，在桩身某截面处，如图3中2号光纤和2’号光纤相对于中性面的距离分别为和，那么根据公式（2）和（3）可推导出公式（4）：
(2)
(3)
其中：为某截面处桩身弯矩；为桩身截面惯性矩（桩身各截面基本一致）；为桩身材料弹性模量（桩身各截面基本一致）；为某截面处2号光纤受结构作用而产生的真实应变；为某截面处2’号光纤受结构作用而产生的真实应变；为某截面处2号光纤与2’号光纤之间的距离。
基于BOTDA光纤传感技术的SMW工法桩分布式测量研究(二)由教育资料网（www.jaoyuw.com）会员上传。
