锚固增强传感光缆-土体耦合性应变监测

作者：蒋娜¹，吴静红¹，刘浩¹，施斌²，刘苏平²，魏广庆³

1. 苏州科技大学土木工程学院

2. 南京大学地球科学与工程学院

3. 苏州南智传感科技有限公司

来源：《中国激光》2019，第46卷，第11期 

摘要　将分布式光纤监测技术应用于土体变形监测时,传感光缆与周围土体的耦合性是关键.低围压下光缆-土体变形协调性将严重影响测量数据的准确性.设计了锚固光缆,进行了光缆-土体拉拔试验,探究了低围压下回填料及锚固方式对光缆-土体耦合性的影响.试验结果表明:回填料对光缆-土体耦合性存在明显的影响,黏土含量(质量分数)越高,耦合性越好;低围压下,采用在传感光缆上增加圆片锚固的方式,可以有效增强光缆-土体耦合性,并且随着锚固间距的减小和锚固圆片直径的增大,其耦合性增强.

关键词　光纤光学;光缆-土体耦合性;圆片锚固;低围压;拉拔试验

OFDR分布式光纤监测技术具有较高空间分辨率和测量精度，适合研究土体变形机理和规律。在土体变形监测过程中，传感光缆与土体的耦合性是决定光纤监测技术能否有效获取土体变形数据关键问题。本次实验设计了锚固光缆，进行了光缆－土体拉拔试验，探究了低围压下回填料及锚固方式对光缆－土体耦合性的影响。

锚固光缆是在2ｍｍ聚氨酯低模态应变传感光缆上增加亚克力圆片而制成，圆片厚度2ｍｍ、内径2ｍｍ，外径d和间距ｌ可变。

光缆－土体耦合性试验装置如图1所示。左侧为装有回填料的试样管，其是长0.5ｍ、直径16cm的空心亚克力材质圆柱体，底部管帽打孔，将应变传感光缆的下端穿过底部的小孔固定，上端施加一定拉力使光缆处于预拉状态，灌入回填料，并采用锤击法确保土体密实均匀。

图1 耦合性试验拉拔装置

试验时，将试样管两端由管帽密封，埋入试样的光缆一端接入OFDR解调仪OSI-S，空间分辨率为1cm。采用特制夹具夹持该端光缆，并连接至卧式拉力测试台。采用逐级施加拉拔位移的方式进行试验，通过平台的移动带动夹具前进，从而向光缆端部施加拉拔位移，位移增量为1ｍｍ、拉拔速率为0.1mm/s。

测试台上安装有数显测力计，可测量试验过程中的拉拔力，其测量精度为0.1N。每级位移下均采用OFDR采集沿光缆的应变分布。

利用耦合性试验拉拔装置进行不同回填料条件、不同锚固方式的光缆拉拔试验。试验中计算悬空段光缆的轴力值公式为F＝EAε，式中ε为测得的光缆轴向应变。将计算值与测力计测得的拉拔力进行对比，结果如图2所示。

图2 光缆悬空段轴力计算值与拉拔力实测值对比
(ａ)不同回填料拉拔试验；(ｂ)不同锚固直径拉拔试验；(ｃ)不同锚固间距拉拔试验

由图可知，在不同回填料拉拔试验、不同锚固直径拉拔试验、不同锚固间距拉拔试验的共15组试验中，拉拔力计算值与实测值两者吻合较好，这表明该实验采用的试验设置可靠，OFDR测得的沿光缆轴向的应变分布数据准确。

回填料对光缆－土体耦合性影响

试验分别配制了含水率为0%和8%的干砂和湿砂样（1号和2号土），以及黏土含量（质量分数，下同）为2%、4%、6%、8%，含水率为8%的混合土（3~6号土）共6种。

光缆在这6种土样中拉拔时轴向应变的分布及其发展如图3所示，对于1、2、3、4号土样，随着黏土含量的增加，应变随拉拔位移的增大而增大，且不断向尾部扩展，最终完全贯通，这说明光缆－土体界面呈明显的渐进性破坏特征；当黏土含量达到6%以上时（5号、6号土样），应变依然服从这种渐近性破坏模式，但无法传递至尾部。

锚固直径对光缆－土体耦合性影响

在光缆上固定间距为10cm但直径不同的锚固圆片后，埋入黏土含量为6％的回填料中进行拉拔试验。从图5中看出，轴向应变的分布同样服从无锚固时的渐近性破坏模式，并且不能传递至光缆尾部，但不同的是在锚固圆片处，应变出现急速下降，说明在光缆上粘贴锚固片能有效增强土体与光缆之间的耦合性。

同时试验结果表明，随着锚固片直径的增加，相同拉拔位移条件下，光缆轴向应变变大，即所需拉拔力增大，表明光缆－土体耦合性增强，而当圆片直径超过3cm（相对于试验用圆片直径为16cm）时，圆片直径过大会导致倒入回填料时无法振捣密实，最终导致耦合性变差，因此对于钻孔直埋式传感光缆，锚固圆片直径占钻孔直径约为18％时其耦合效果最佳。

锚固间距对光缆－土体耦合性影响

在光缆上固定直径为3cm但锚固间距不同的圆片之后，埋入黏土含量为6％的回填料中进行拉拔试验。图6中给出不同锚固间距下光缆的轴向应变分布，可以看出随着锚固片间距的减小，光缆达到相同应变所对应的拉拔位移减小，如当锚固间距为30cm时，拉拔位移拉至6mm时，应变达到16000με，而当锚固间距为5cm时，拉拔位移仅至4mm时，应变即可达16000με。这表明，随着锚固间距的减小，光缆与土体间的耦合性逐渐增强。

图6 光缆在不同锚固间距拉拔时的应变分布曲线

(a) 间距30cm，直径3cm；(b) 间距15cm，直径3cm；(c) 间距10cm，直径3cm；(d) 间距5cm，直径3cm

通过上述一系列的拉拔试验，得到以下结论：

1. 不同回填料对光缆－土体界面相互作用存在影响，回填料中黏粒含量越高，应变传递深度越小，光缆－土体耦合性越强，但过高的黏土含量会因其凝固强度过高导致应变无法准确传递给光缆，选取回填料时应通过试验得到最优配合比。

2. 低围压下，在光缆表面增加锚固片有利于增强光缆－土体耦合性，这是因为在普通传感光缆与土体间的摩擦力的基础上增加了锚固圆片与土体间的作用力，应变传递深度随锚固片直径的增大以及锚固间距的减小而减小。试验结果表明，当采用锚固间距为10cm、锚固片直径为3cm的结构时，应变传递深度可减小41％，耦合系数可提高35％。