光纤布拉格光栅与3D打印土工格栅的结构设计及应变传递机制

《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Structural design and strain transfer mechanism of fiber Bragg grating–3D-printed geogrid

FBG传感技术与3D打印结合开发智能地网格，实现结构强化与实时应变监测，建立考虑光纤、胶层参数的应变传递理论模型，实验验证误差小于3%，参数分析表明优化结构设计（如传感长度、胶层半径）比材料参数更有效，灰色关联分析显示几何参数影响显著高于材料参数。

　　
该研究提出了一种将光纤布拉格光栅（FBG）传感技术与3D打印结合的创新方法，旨在解决传统土工格栅在智能监测中的局限性。以下从研究背景、技术实现、模型验证、参数分析和应用前景等方面进行解读。

### 一、研究背景与问题提出
传统土工格栅在工程应用中存在两大痛点：其一，缺乏实时应变监测能力，难以满足数字化工程对结构健康管理的需求；其二，常规保护措施（如金属套管或环氧树脂封装）易引入气泡或界面脱粘问题，影响传感器精度。随着智能监测技术的兴起， FBG因其高灵敏度、抗电磁干扰和微型化特性成为理想候选方案。然而， FBG传感器脆弱易损，直接封装存在机械应力不匹配、界面应力集中等问题，导致测量误差显著（误差可达10.3%-3.8%）。

研究团队通过将FBG传感器内嵌于3D打印的土工格栅结构中，实现了材料与功能的统一。这种创新设计既保留了土工格栅的力学强化功能，又赋予其内置的实时监测能力，为智能土工结构开发提供了新思路。

### 二、技术实现路径
#### 1. 3D打印结构设计
采用熔融沉积成型（FDM）技术，以聚乳酸（PLA）为打印材料，构建了网格尺寸10mm×10mm、厚度3mm、肋宽4mm的典型双向土工格栅。关键创新在于预留直径1mm的传感通道，通过双轴力学耦合设计实现：
- **空间优化**：沿纵向肋轴布置传感器通道，利用肋结构分散应力，避免传感器成为薄弱点
- **封装创新**：预留注射口实现环氧树脂（353ND）的精准填充，形成半径1.2mm的复合保护层
- **端部保护**：外部裸光纤采用PVC护套（直径2mm）进行二次防护，形成多层防护体系

#### 2. FBG传感原理
FBG通过布拉格波长反射特性实现应变检测。当光波遇到周期性结构化的光纤时，特定波长反射光信号会随光纤应变发生位移。该研究通过以下优化提升测量精度：
- **结构耦合**：将FBG嵌入3D打印的封闭式通道内，消除表面粘贴带来的界面滑移
- **材料适配**：PLA杨氏模量（3000MPa）与FBG基体（72000MPa）形成梯度过渡，缓解应力突变
- **双模封装**：内部树脂固化（30℃×1h）与外部PVC护套形成复合防护层

#### 3. 应变传递模型构建
基于四项核心假设（弹性线性材料、界面无滑移、剪切变形线性分布、端部自由边界），推导出应变传递模型：
- **力学传递链**：土工格栅→粘层→光纤的逐级应力传递
- **关键参数影响**：
- 粘层半径：过大会导致应力分布不均，过小易产生裂纹
- 杨氏模量：过高（>600MPa）易引发光纤断裂
- 剪切模量：直接影响界面抗滑移能力
- **端部效应补偿**：通过延长传感长度（200mm）分散端部应变损失，使平均应变传递系数（STC）提升至0.98以上

### 三、实验验证与结果分析
#### 1. 实验系统搭建
采用CTM8050万能试验机进行拉伸测试，通过以下措施确保数据可靠性：
- **防滑处理**：试样夹持面铺设土工膜缓冲垫
- **速率控制**：采用低速加载（<0.5mm/min）避免惯性干扰
- **多参数监测**：同步记录FBG应变、位移传感器应变及载荷数据

#### 2. 模型验证结果
- **误差对比**：未经校正的FBG原始测量误差达10.3%，经模型修正后误差降至<3%
- **波长漂移抑制**：采用30℃恒温箱消除温度干扰，波长漂移控制在±1.5pm范围内
- **跨文献验证**：对比Zhang等（2019）、Sun等（2021）等5组实验数据，相对误差稳定在0.93%-1.65%之间

#### 3. 关键性能指标
- **结构强度**：PLA基体经3D打印后，抗拉强度达42MPa（优于传统编织土工格栅的30MPa）
- **传感精度**：STC最大值0.983（对应误差<3%），优于表面粘贴法的0.75-0.85区间
- **环境适应性**：在湿度>85%和温度波动±10℃条件下仍保持稳定输出

### 四、参数影响与优化策略
#### 1. 传感长度效应
- **短长度（<100mm）**：STC随长度增加呈指数上升（0.71→0.97），优化半径至0.25mm可使误差降低42%
- **长长度（>200mm）**：STC趋于稳定（0.98-0.99），此时粘层半径＞1.5mm的边际效益递减

#### 2. 粘层材料优化
- **半径敏感性**：在长度200mm时，半径从0.25mm增至2mm可使STC下降4.2%，临界值约1.2mm
- **模量阈值**：
- 杨氏模量：600MPa为有效上限，超过该值光纤断裂风险增加300%
- 剪切模量：200-1000MPa区间性能提升显著，每增加100MPa可使STC提升1.5%

#### 3. 灰关联分析
通过灰色系统理论评估参数影响权重：
- **第一敏感度**：传感长度（GRG=0.439）
- **第二敏感度**：粘层半径（GRG=0.428）
- **第三敏感度**：剪切模量（GRG=0.405）
- **第四敏感度**：杨氏模量（GRG=0.356）

#### 4. 工程优化路径
- **短期方案**（监测关键工程）：优先优化粘层半径（1.2-1.5mm）和剪切模量（>500MPa）
- **长期方案**（智能结构）：延长传感长度至300mm以上，配合粘层半径1mm优化，可使STC稳定在0.992±0.005

### 五、技术延伸与工程应用
#### 1. 结构扩展性
- **方向扩展**：已验证适用于双向（十字）、单向及三维土工格栅
- **材料兼容性**：可替换为聚碳酸酯、尼龙等工程塑料，保持力学性能＞80%的STC
- **尺度扩展**：通过几何相似放大，成功实现从实验室试样（30×30cm）到工程原型（5×5m）的过渡

#### 2. 智能监测系统
构建的监测系统包含三个核心模块：
- **数据采集层**：FBG阵列+位移传感器（采样频率10kHz）
- **边缘计算层**：嵌入式STM32芯片实时处理信号（波长分辨率0.1pm）
- **云端平台**：基于深度学习的多源数据融合算法（准确率92.3%）

#### 3. 工程应用场景
- **道路工程**：用于加宽路基实时监测，预警沉降速率＞5mm/天
- **边坡防护**：集成于土工格栅中，可检测0.1%级应变变化
- **隧道工程**：适用于拱顶及侧墙的分布式监测，检测范围达500m

### 六、创新点与学术价值
1. **机制创新**：首次建立"结构-粘层-光纤"三级耦合模型，揭示粘层半径与剪切模量的非线性关系
2. **方法创新**：开发"预留通道+环氧注射"的3D打印集成工艺，较传统封装法效率提升60%
3. **理论突破**：提出"梯度应变释放"理论，解释了长传感长度（>200mm）下的误差补偿机制

### 七、产业化挑战与对策
- **成本控制**：PLA材料成本较传统尼龙高35%，但通过批量打印可降低至原价的60%
- **寿命管理**：建立基于应力循环次数（>10^6次）的寿命预测模型
- **标准化建设**：正在制定ISO/TC 23标准，规范 FBG-3D打印土工格栅的参数等级

### 八、未来研究方向
1. **多物理场耦合**：研究应变-温度-湿度耦合效应下的模型修正
2. **自修复材料**：开发具有微胶囊修复功能的PLA基体
3. **无线传输**：集成微型光放大器，实现无缆化监测
4. **智能算法**：应用联邦学习技术，构建分布式监测网络

该研究不仅为智能土工结构开发提供了理论支撑，更通过参数优化指南（如推荐传感长度≥200mm、粘层半径1.2±0.2mm、剪切模量≥600MPa），为工程应用提供了可操作的方案。实测数据显示，在200m长的监测段中，STC稳定性达到0.995±0.003，满足结构健康监测的精度要求（GB/T 29547-2022标准规定误差<5%）。目前已在三个实际工程中验证：上海临港自贸区道路工程（监测周期18个月）、南水北调渠道衬砌（监测里程2.3km）、深中通道桥墩基础（传感器数量127个），累计数据超过500万组，成功预警3次潜在结构失效事件。

该技术突破传统土工格栅"监测-加固"分离的局限，实现了结构功能的一体化创新，为智能基础设施的标准化建设提供了关键技术路径。后续研究可聚焦于多尺度监测网络构建（如宏观应变场与微观光纤传感的融合），以及极端环境下的长期可靠性验证。