一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法與流程

本發明屬于巖土工程測試技術領域，具體是一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法。

背景技術：

分布式光纖傳感技術除了具有靈敏度高、抗電磁干擾、電絕緣性好、耐腐蝕、本質安全等優點，還可以實現分布式監測，在智能材料、土木工程等諸多領域都得到了很好的應用。在地質工程領域，分布式光纖傳感技術已用于地質體和巖土加固結構的長期監測和試驗研究，為研究工程地質現象以及機理提供了極大的便利。具體的應用包括：邊坡變形監測、基坑安全監測、隧道等地下空間的健康監測等。相對于常規的點式監測技術，分布式光纖傳感技術可以同時獲得地質體的應變、溫度等參量的空間分布信息，具有測點連續，不易漏檢的優勢。

分布式傳感光纜的安裝方式主要有兩種：表面安裝和直埋安裝。表面安裝是通過黏貼或借助緊固件安裝在地質體或加固結構的表面，如巖體或者混凝土結構的表面；直埋安裝是通過鉆孔或者探槽將傳感光纜埋入地質體中，然后通過回填，使傳感光纖與地質體協調變形。當地質體或周圍環境發生變化，光纖中傳遞的光信號會隨之改變，從而實現對地質體的傳感與長期監測。光纜具有多層結構，外層護套一般為高分子材料。將光纜黏貼或者埋入地質體，特別是采用直埋方式監測土體變形時，由于光纜的彈性模量與土體存在顯著的差異，光纜與土體可能會出現變形不一致的問題。因此，在采用傳感光纜監測土體變形之前，需要確定光纜與土體變形協調的程度，即變形協調性。在此基礎上，評價光纜的應變感測性能，并對光纜實測的應變進行修正，為準確計算土體或其它地質體的真實變形提供參數。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法，該方法能夠以簡單的設備精確測量出光纜與土體的形變，進而計算出光纜與土體的形變耦合性，為提高光纖監測的精度提供了基礎。

為實現上述發明目的，本發明的一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法，包括以下步驟：

1)制備試驗土條，將傳感光纜埋入土條；

2)推動土條，使土條發生彎曲變形；

3)通過數控直線位移滑臺、激光位移傳感器及其數據采集器測量土條的第一彎曲變形；由于第一彎曲變形的測量精度非常高，因此視為土條的實際彎曲變形，相應的應變視為土條的實際應變；采用分布式光纖傳感技術測量土條兩側的應變分布，傳感光纜的應變即是土條上相應位置的應變，利用傳感光纜的應變計算土條的第二彎曲變形；

4)變形傳遞系數t用于表征土體應變傳遞至纖芯的傳遞效率，即纖-土變形協調性；

其中，εfmax為傳感光纜實測的土條應變最大值；εsmax為與傳感光纜所在位置土條實際應變最大值；vfmax為土條第二彎曲變形的最大值；vsmax為土條第一彎曲變形的最大值。根據彎曲變形與應變的關系，應變之比應為彎曲變形的二階導數之比。

進一步的，所述步驟3)中分布式光纖傳感技術使用的儀器為光背向散射反射計(opticalbackscatterreflectometer,obr)；傳感光纜的應變量為：

其中，ε為傳感光纜應變；δl為傳感光纜的變形量；l為傳感光纜的原長；tstr為傳感光纜變形后的延遲時間；tref為傳感光纜的參考延遲時間；c為光速；n為傳感光纜的纖芯有效群折射率；k為應力光學常數，該值需在每次測試前通過預加應變進行標定。

更進一步，所述分布式光纖傳感技術還可以選擇fbg(光纖布拉格光柵)、botda(布里淵光時域分析儀)或botdr(布里淵光時域反射計)。

另一種改進，所述步驟3)中測量土條的第一彎曲變形的方法還可以采用粒子圖像測速法(piv)。

另一種改進，所述土條的彎曲變形計算公式為：

其中，d為土條拉伸側與壓縮側傳感光纜之間的距離；δε(xi)為xi處傳感光纜拉伸側與壓縮側的應變之差，即彎曲應變；δx為應變采集設備的采樣間隔；xi為應變ε(xi)的空間坐標，且xi＝n·δx；l為土條的長度。

另一種改進，所述步驟1)中制備試驗土條和將傳感光纜埋入土條的步驟包括：

11)將試驗土體碾細、自然風干，按設計含水率和干密度稱取適量的土料和水，將水與土料充分混合攪拌，裝入密封袋在干燥皿中靜置24小時以上，使水土充分均勻；

12)在制樣模具內部涂抹潤滑劑，稱取一半配制好的土料，壓至模具的1/2深處；沿土條長度布設兩根傳感光纖，拉直后在模具內裝入余下的土料，壓至設計高度；

13)將制好的土條用保鮮膜包裹密封，靜置2小時以消除土條制作過程中產生的殘余應力。

另一種改進，所述步驟2)推動土條，使土條發生彎曲變形的過程為：

采用千斤頂分級推動土條使其發生彎曲變形直至破壞，采用百分表控制每級加載的位移量。

本發明的一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法，提供了一種全新的解決纖-土耦合問題的解決方案，為提高光纖監測的精度提供了一個良好的基礎，并為光纖監測的具體應用場合提供理論指導；該方法原理簡單，通過較少的試驗數據數量就可以獲得所需的試驗結果；該方法所需的試驗設備較為簡單，均是實驗室中常用的儀器。

附圖說明

圖1是本發明的測試傳感光纜與土體變形協調性的方法一個實施例的試驗設備圖；

圖2是土條彎曲前形狀示意圖；

圖3是土條彎曲后形狀示意圖；

圖4是本發明一個實施例中傳感光纜of1結構示意圖；

圖5是本發明一個實施例中傳感光纜of2結構示意圖；

圖6是本發明一個實施例中激光位移傳感器測得的土條變形；

圖7是本發明一個實施例中piv計算得到的土條變形；

圖8是根據of1彎曲應變計算的撓度；

圖9是根據of2彎曲應變計算的撓度；

圖10是piv計算所得的土條撓度分布；

圖11是變形傳遞系數t與最大拉伸應變隨變形增大變化趨勢圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明提出的一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法進行詳細說明。在本發明的描述中，需要理解的是，術語“左側”、“右側”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解為對本發明的限制。本實施例中采用的具體尺寸只是為了舉例說明技術方案，并不限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，本發明的一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法的一個實施例，試驗設備主要包括加載系統和測量系統。加載系統為千斤頂推動裝置，采用位移控制式，分級推動土條使其發生彎曲變形直至破壞。通過千斤頂前端安裝的百分表控制每級加載的位移量。測量系統包括激光位移傳感器3、obr4以及照相機6三部分。采集的數據通過計算機5進行處理。

試驗時，傳感光纜2置于土條1中。

試驗原理：如圖2和3所示，當土條在荷載作用下發生彎曲時，依據梁的變形理論，土條的一側產生拉應變，另一側則產生壓應變。通過傳感光纜監測技術可測得土條兩側的應變分布，若建立應變與變形的換算關系，將測得應變轉換為土條的變形，并與土條的實際變形進行對比，便可分析探討傳感光纜與土體(纖—土)的變形耦合情況。

根據材料力學理論，土條撓度(即土條的彎曲變形)與土條的應變滿足如下關系：

其中，v(x)為土條的撓度，ε(x)為土條傳感光纜所在位置的應變分布，即y為傳感光纜到彎曲土條中性軸的距離。

對該式進行兩次積分，并根據土條的邊界條件確定積分常數，得：

將其改寫為累加求和的形式，得：

其中，δx為應變采集設備的采樣間隔；xi為應變ε(xi)的空間坐標，且xi＝n·δx；l為土條的長度。

由于土條在實際彎曲過程中彎曲中性軸的位置難以準確判斷，故可將上式改寫為：

其中，d為土條拉伸側與壓縮側傳感光纜之間的距離；δε(xi)為xi處傳感光纜拉伸側與壓縮側的應變之差，即彎曲應變。

依據該式可由obr測得的傳感光纜應變計算土條撓度。由于土體為彈塑性材料，在實際發生彎曲過程中，不同位置的撓度會因裂縫等因素的影響而存在差異。式(4)計算所得撓度為一介于拉伸側實際撓度與壓縮側實際撓度的中間值。本申請通過piv的測量結果或激光位移傳感器測量結果計算土條的平均撓度，以減小由土體開裂帶來的撓度誤差。通過平均撓度與式(4)計算撓度進行對比，可以對傳感光纜與土體的變形耦合性能進行分析。

對于不同土體、不同含水率與密實度以及不同類型傳感光纜的情形，可依據該理論，進行簡單的土條彎曲試驗，以測試傳感光纜與土體的變形耦合情況。

本發明的一種測試傳感光纜與土體變形協調性的方法，包括以下步驟：

1)制備試驗土條，將傳感光纜埋入土條。

2)推動土條，使土條發生彎曲變形；采用千斤頂分級推動土條使其發生彎曲變形直至破壞，采用百分表控制每級加載的位移量。

3)土條的變形測量裝置包括數控直線位移滑臺、激光位移傳感器及其數據采集器，通過數控直線位移滑臺帶動激光位移傳感器沿土條長度方向掃描，與初始數據的對比，即可得到土條沿長度方向的彎曲變形；由于第一彎曲變形的測量精度非常高，因此視為土條的實際彎曲變形，相應的應變視為土條的實際應變；采用分布式光纖傳感技術測量土條兩側的應變分布，傳感光纜的應變即是土條上相應位置的應變，利用傳感光纜的應變計算土條的第二彎曲變形。

本實施例中，激光位移傳感器采用基恩士公司所制造的lk-g85型傳感頭。其基本原理為由傳感頭向目標發射激光，并使用三角形測量法檢測rs-cmos反射光的位置，通過檢測反射光位置的變化，便可獲取傳感頭與目標間的距離變化。該傳感頭在激光探測范圍內精度達到±40μm，其檢測結果信賴可靠。通過直線數控位移滑臺帶動激光位移傳感器沿土條長度方向掃描，通過與初始數據的對比即可得到土條沿長度方向的彎曲變形。

4)變形傳遞系數t用于表征土體應變傳遞至纖芯的傳遞效率，即纖-土變形協調性；

其中，εfmax為傳感光纜實測的土條應變最大值；εsmax為與傳感光纜所在位置土條實際應變最大值；vfmax為土條第二彎曲變形的最大值；vsmax為土條第一彎曲變形的最大值。根據彎曲變形與應變的關系，應變之比應為彎曲變形的二階導數之比。

土條通過定制的制樣模具壓制而成，其尺寸為250mm*50mm*30mm。試驗土體采用長江中下游地區常見的下蜀土，其基本物理性質見表2：

表2下蜀土的基本物理性質指標

考慮土條的成型、承重等問題，本次試驗土體含水率為17％，干密度為1.7g/cm³。土條的制備過程如下：

(11)將試驗土體碾細、自然風干，按設計含水率和干密度稱取適量的土料和水，將水與土料充分混合攪拌，裝入密封袋在干燥皿中靜置24h以上，使水土充分均勻。

(12)在制樣模具內部涂抹凡士林，稱取一半配制好的土料，采用千斤頂壓至模具的1/2深處(土條高度的1/2)。如圖1所示，沿土條長度布設兩根傳感光纜，拉直后在模具內裝入余下的土料，壓至設計高度。

(13)將制好的土條用保鮮膜包裹密封，靜置2h以消除土條制作過程中產生的殘余應力。

為對比不同傳感光纜與土體的耦合性能，試驗中分別采用了直徑0.9mm聚酯護套傳感光纜of1和直徑0.25mm無護套傳感光纜of2。如圖4所示，傳感光纜of1包括纖芯與包層(71)、涂敷層(81)和護套(91)。如圖5所示，無護套傳感光纜of2包括纖芯與包層(72)和涂敷層(82)。

步驟3)中分布式光纖傳感技術使用的儀器為光背向散射反射計(opticalbackscatterreflectometer，obr)；obr是由luna公司開發的基于瑞利散射的光學傳感儀器。其基本原理是通過捕捉傳感光纜中背向散射光與前向散射光的差異，測量因散射、吸收等原因產生的傳感光纜傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗。當傳感光纜中某一點受溫度或應力作用時，該點的散射特性將發生變化。因此，可通過顯示損耗與傳感光纜長度的對應關系反映外界信號于傳感光纜上的擾動信息。

傳感光纜的應變量為：

其中，ε為傳感光纜應變；δl為傳感光纜的變形量；l為傳感光纜的原長；tstr為傳感光纜變形后的延遲時間；tref為傳感光纜的參考延遲時間；c為光速；n為傳感光纜的纖芯有效群折射率；k為應力光學常數，該值需在每次測試前通過預加應變進行標定。

分布式光纖傳感技術還可以選擇fbg(光纖布拉格光柵)、botda(布里淵光時域分析儀)或botdr(布里淵光時域反射計)。

表1為obr與常見傳感光纜傳感技術部分性能參數的對比。通過對比可知，obr具有相當高的空間分辨率和應變測量精度，完全能夠滿足本次的試驗要求。

表1常見光學傳感技術部分性能參數指標

在土條分層壓制過程中，依據設計方案將傳感光纜預埋在土條中，采用obr技術測量土條彎曲變形過程中傳感光纜的應變分布及其變化情況。

根據式(4)利用obr實測的傳感光纜應變計算的土條撓曲變形，通過圖8和圖9的對比可知：

(1)直徑0.9mm聚酯護套of1傳感光纜較無護套的直徑0.25mmof2傳感光纜，推算的土條位移更大。證明了適當增加護套結構可以有效地增強傳感光纜與土體之間應變的傳遞效率，很好地提高了纖-土的變形耦合性能；而無護套的情況下，傳感光纜與土體就較易產生相互滑移，使計算結果的準確性受到一些影響。

(2)當土條位移大于1.5mm時，由應變計算所得撓度出現減小的情況。根據對應變數據與實際土條裂縫發育情況的比較分析可以認為，隨著張裂縫的逐步擴大增長，土條的中性面發生偏移，進而導致了計算撓度的減小。

步驟3)中測量土條的第一彎曲變形的方法還可以采用粒子圖像測速法(particleimagevelocimetry，piv)。piv是一種通過圖像測量位移的攝影測量技術。其基本原理是對初始圖片選取一小塊搜索區域，根據其圖像的灰度、紋理等特征，在后續圖片中依據相關性算法進行區域的搜索并計算相關系數，并將相關系數為峰值的區域判定為變形后的區域。與傳統的點式位移測量技術相比，piv技術具有高精度、無接觸、全面性等優點，只需通過圖片即可獲得目標的位移矢量分布。利用piv技術獲取土條變形過程中的土條位移的分布及其變化情況，計算其平均撓度，通過與根據傳感光纜應變計算位移的對比，反映傳感光纜與土體的變形耦合性能。

可以選擇使用激光位移傳感器測量土條彎曲變形或者piv測量計算土條彎曲變形(土條撓度)；也可以選擇同時使用激光位移傳感器測量土條彎曲變形和piv測量計算土條彎曲變形，并將兩種方法的測量結果進行對比，得到更精確的土條第一彎曲變形，使其更接近于土條的實際彎曲變形。圖6為由激光位移傳感器所測得的在試驗過程中土條拉伸側的邊界a(見圖2)產生的位移，圖7為基于piv技術對試驗圖片進行處理后獲得的同一邊界上的位移。通過對比可以發現：在小變形時piv計算結果與激光測距儀測得的結果基本一致，證明了piv技術具有相當高的可靠性與準確性。而當變形較大時，土體產生開裂，原有的土體表面灰度區域產生變化甚至破壞，干擾了piv的計算結果，故此時piv的計算結果與激光位移傳感器測量結果存在一定偏差。綜上，當變形較小時，利用piv技術可以準確獲取土條整體的撓曲變形，可與根據傳感光纜應變計算的變形進行比對分析。

由piv技術計算所得土條平均撓度分布如圖10所示。通過對圖8、圖10的對比分析，可依據傳感光纜與土體的耦合程度將土條的彎曲變形分為兩個變化階段：

(1)緊密耦合階段：土條彎曲過程的初始階段，土條的最大彎曲變形小于1.5mm，傳感光纜的最大拉伸應變小于3000με時，土體結構較為完整。此時，piv計算撓度與應變推算撓度較為吻合一致，說明在低應變條件下，傳感光纜與土體的耦合性能良好，傳感光纜能夠較為準確地反映土體的變形情況。

(2)相對滑移階段：當土條的最大彎曲變形大于1.5mm，傳感光纜的最大拉伸應變大于3000με時，隨著變形的增大，土條沿邊界a出現了張裂縫。隨著彎曲變形的增大，裂縫的逐步擴展，傳感光纜與土體出現相對滑移，土體應變傳遞至傳感光纜的效率逐漸降低。由應變得到的計算撓度逐漸小于piv的實測撓度，且二者差距隨變形的增大而逐步增大。當變形增大到一定程度，由應變推算撓度的增速減小，并逐步趨于一個固定值。

如圖11所示，傳遞系數t在變形增大過程中主要經歷兩個不同階段：第一階段，t經歷一個小的驟降，在0.8附近平穩緩慢下降，對應土條變形較小階段，最大拉伸微應變小于3000，此時土體與傳感光纜耦合較好；第二階段，t隨變形增大而大幅度下降，對應土條裂縫產生、擴展階段，拉伸應變大于3000με，土體與傳感光纜發生相對滑移，并且滑移幅度隨變形逐漸增大。隨著土條彎曲變形的增大，傳遞系數下降趨勢放緩，并緩慢趨向于0。

本實施中通過土條的三點彎曲試驗，研究了傳感光纜與土體的耦合性能隨土體變形的變化情況，提出了采用變形傳遞系數表征纖-土的耦合性能。研究結果表明：

(1)在變形較小時，土體與傳感光纜耦合性能良好，傳感光纜測得的應變真實可靠，可視作土體的真實應變。

(2)在變形較大時，由于土體結構的破壞與裂縫的產生，土體與傳感光纜將發生相對滑移，且土體的應變傳遞至傳感光纜的效率隨滑移的增大而逐漸減小。此時，傳感光纜應變無法直接用于土體實際變形的計算。

(3)本發明提出的傳感光纜與土體變形耦合測試方法是可行的，采用的應變傳遞系數可以準確地描述傳感光纜與土體的變形耦合性能，可以將傳感光纜應變按變形傳遞系數放大后表征土體的實際變形情況。對于其他具有一定黏聚力的土體，可以按土體實際的含水率與密實度壓制土條進行三點彎試驗，測試傳感光纜與土體的變形耦合情況，得到相應的變形傳遞系數。

基于對本發明優選實施方式的描述，應該清楚，由所附的權利要求書所限定的本發明并不僅僅局限于上面說明書中所闡述的特定細節，未脫離本發明宗旨或范圍的對本發明的許多顯而易見的改變同樣可能達到本發明的目的。