CN105865365A - 土体变形分布式光纤监测标定与试验方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土体变形分布式光纤监测标定与试验装置，包括标定与试验主箱、应变感测光纤、光纤解调仪、数字图像采集与分析装置；所述试验主箱前后两面为透明的刚性板，内部填充有分层压实的土体；所述应变感测光纤沿水平向和/或竖向逐段铺设于土体中；所述光纤解调仪与应变感测光纤连接并采集土体内部应变数据；所述数字图像采集与分析装置用于测量与前后透明刚性板相接触土体的位移与应变。本发明能对土体变形的分布式光纤监测读数进行标定，研究土体与光纤之间的相互作用及变形耦合性，并获取在加载、卸载、开挖、渗流等不同工况下土体内部应变的时空演化规律。
Description
技术领域
本发明涉及土体变形及分布式光纤监测工程技术领域，具体涉及一种土体变形分布式光纤监测标定与试验装置。
背景技术
土体的变形量是评价土体稳定状态的一项重要指标。对于边坡填筑、堤坝施工和隧道开挖等一些大型工程，实施分布式变形监测有助于及时获取土体受力和变形异常部位，采取相应的工程对策，以保证工程的正常施工和运行。现有的非接触式土体变形测量技术，比如全球定位系统、遥感、激光扫描和摄影测量，仅能获取土体表面的变形信息，且其测量精度通常不高。而边坡测斜仪、钻孔引伸计等岩土监测仪器虽能在工程中测量土体的内部变形，但是较难实施远程、实时和长期的监测，且其测量距离、范围通常不大，存在监测盲区。
近年来分布式光纤监测技术发展迅速，在土体变形监测中的应用也越来越多。借助准分布式光纤布拉格光栅(FBG)、全分布式布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等监测技术，可以自动获取沿整根光纤长度方向上应变、温度等监测信息的分布情况。与传统监测方法相比，分布式光纤监测具有数据采集量大、采样间隔小、所得结果精度较高、适合长距离监测等优点，所以在土体变形测量领域具有广阔的应用前景。最近国内外一些研究者直接将应变感测光纤埋入待监测的土体中，基于光纤传感数据来分析土体的变形状态和稳定程度。这一方法施工较为便捷，但是土体和应变感测光纤之间的相互作用机理和协调变形问题没有得到充分的认识，同时对于应变感测光纤的选用和锚固点的设置也没有科学依据，因而光纤监测结果的可靠性具有很大的不确定性，极大程度上制约了该技术在工程中的推广应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种土体变形分布式光纤监测标定与试验方法及其装置。
本发明采用了如下技术方案：一种土体变形分布式光纤监测标定与试验方法，包括步骤如下：
第一步，在标定与试验主箱前后透明的刚性板上贴上标记点；
第二步，制备试验用土样，在标定与试验主箱中采用落砂法或压实法分层填筑地基模型；
第三步，当地基填筑到应变感测光纤的布设位置时，将应变感测光纤预拉一定应变后铺设于土中；
第四步，待所有应变感测光纤铺设完毕后，将所有光纤采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光纤接到光纤解调仪接口上；
第五步，在填筑完成的地基模型表面居中设置加压装置；
第六步，将数字图像采集与分析装置分别置于透明刚性板的两侧；
第七步，开始试验，光纤解调仪连续读数；加压装置分级施加荷载；数字图像采集与分析装置连续拍摄采集与透明刚性板相接触的土体照片；使用数字图像处理软件分析所拍摄到的一系列照片，将所得到的土体应变结果与光纤监测结果进行对比，并采用光纤应变标定程序对光纤应变数据进行标定。
所述的数字图像处理软件是基于数字图像相干法或粒子图像测速法。
所述的光纤应变标定程序采用数字图像处理所得应变数据按εFOS＝ζεDIP对光纤应变数据进行标定，其中εDIP为数字图像处理所得应变数据，εFOS为光纤测得的应变数据，ζ为标定系数。
用于所述的土体变形分布式光纤监测标定与试验方法中的装置，包括标定与试验主箱、应变感测光纤、光纤解调仪、数字图像采集与分析装置；所述标定与试验主箱的前后两面设有透明的刚性板，另外两个侧板为刚性板，内部填充有分层压实的土体，所述应变感测光纤沿水平向和/或垂直于底面逐段铺设于土体中，所述的前后透明刚性板上对应应变感测光纤的周围设有标记点，所述的土体上还设有加压装置；所述光纤解调仪与应变感测光纤连接；所述数字图像采集与分析装置设于标定与试验主箱的前后；所述的应变感测光纤上设有应变感测传感器。
所述的刚性侧板上设有光纤穿透孔。
所述数字图像采集与分析装置包括高像素数码相机与计算机。
所述的加压装置包括加载板和砝码或千斤顶。
有益效果：采用本发明专利的土体变形光纤监测标定与试验装置，能使用数字图像采集与分析装置对土体变形光纤监测的读数进行标定，在此基础上研究土与光纤的相互作用机理及变形耦合性，并获取在加载、卸载、开挖、渗流等不同工况下土体内部应变分布的时空演化规律。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图(正视图)。
图2是本发明一实施例的结构示意图(1–1剖面图)。
图3是采用本发明一实例的使用方法测得的侧壁土体水平向线应变云图。
图4是采用本发明一实例的使用方法测得的土体光纤应变值与数字图像处理结果的对比图。
图5是采用本发明一实例的使用方法对光纤应变数据的标定结果。
图6是采用本发明一实例的使用方法测得的不同部位土体在不同荷载下的应变-时间分布图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作更为具体的描述。
一种土体变形分布式光纤监测标定与试验装置，包括标定与试验主箱、应变感测光纤、光纤解调仪、数字图像采集与分析装置；所述标定与试验主箱的前后两面为透明刚性板，另外两个侧板为刚性板，内部填充有分层压实的土体；所述应变感测光纤沿水平向和/或竖向逐段铺设于土体中；所述光纤解调仪与应变感测光纤连接并采集土体内部应变数据；所述数字图像采集与分析装置用于测量与前后透明刚性板相接触土体的位移与应变，并对光纤应变数据进行标定。
作为上述方案的进一步优化，所述标定与试验主箱的两刚性侧板有若干小孔用于穿过横向布置的光纤，两透明刚性板外侧贴有若干纸质圆形标记点。
进一步地，所述数字图像采集与分析装置还包括：
(1)纸质圆形标记点；所述纸质圆形标记点按一定间隔贴于两透明刚性板外侧；
(2)两台高像素相机；所述两台高像素相机分别置于两透明刚性板侧，并拍摄与透明刚性板相接触的土体；
(3)数字图像处理软件；所述数字图像处理软件基于数字图像相干法(DigitalImage Correlation，简称DIC)或粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)等。
(4)光纤应变标定程序；所述光纤应变标定程序采用数字图像处理所得应变数据按εFOS＝ζεDIP对光纤应变数据进行标定，其中εDIP为数字图像处理所得应变数据，εFOS为光纤测得的应变数据，ζ为标定系数。
实施例
如图1和图2所示，一种土体变形光纤监测标定与试验装置，它包括标定与试验主箱、应变感测光纤、光纤解调仪、数字图像采集与分析装置；所述标定与试验主箱的前后两面为透明刚性板，另外两个侧板为刚性板，内部填充有分层压实的土体；所述应变感测光纤沿水平向和/或竖向逐段铺设于土体中；所述光纤解调仪与应变感测光纤连接并采集土体内部应变数据；所述数字图像采集与分析装置用于测量与前后透明刚性板相接触土体的位移与应变。
所述标定与试验主箱的两刚性侧板有若干小孔用于穿过横向布置的光纤，两透明刚性板外侧贴有若干纸质圆形标记点。所述数字图像采集与分析装置还包括：(1)纸质圆形标记点；所述纸质圆形标记点按一定间隔贴于两透明刚性板外侧；(2)两台高像素相机；所述两台高像素相机分别置于两透明刚性板侧，并拍摄与透明刚性板相接触的土体；(3)数字图像处理软件；所述数字图像处理软件基于数字图像相干法或粒子图像测速法等；(4)光纤应变标定程序；所述光纤应变标定程序采用数字图像处理所得应变数据按εFOS＝ζεDIP对光纤应变数据进行标定，其中εDIP为数字图像处理所得应变数据，εFOS为光纤测得的应变数据，ζ为标定系数。
本实施例提供的上述土体变形光纤监测标定与试验装置的测试方法包括步骤如下：
1)在模型箱前后透明刚性板上按一定间隔贴上纸质圆形标记点；
2)制备试验用土样，在标定与试验主箱中采用落砂法或压实法分层填筑地基模型；
3)当地基填筑到应变感测光纤的布设位置时，将应变感测光纤预拉一定应变后铺设于土中；
4)待所有应变感测光纤铺设完毕后，将所有光纤采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光纤接到光纤解调仪接口上。试验开始后，光纤解调仪连续读数；
5)在填筑完成的地基模型表面居中放置一块加载板，试验开始后采用砝码或千斤顶分级施加荷载；
6)将两台高像素数码相机分别置于透明刚性板的两侧，试验开始后连续拍摄与透明刚性板相接触的土体照片；
7)使用数字图像处理软件分析高像素数码相机所拍摄到的一系列照片，将所得到的土体应变结果与光纤监测结果进行对比，并采用光纤应变标定程序对光纤应变数据进行标定。
本实施例的土体变形光纤监测标定与试验装置在具体使用时，首先将含水率为4％的砂土过2mm的筛，然后采用落砂法在标定与试验主箱(尺寸长×宽×高为50cm×25cm×50cm)内填筑砂土地基模型(平均密度为1.47g/cm3，相对密实度为0.248)。在砂土地基模型内部分层安装3根应变感测光纤，光纤竖向间距为3.3cm，每根光纤上串有3个FBG应变感测传感器，传感器间距为10cm。每根应变感测光纤中间的FBG传感器编号为2，两侧记为1和3。将3根应变感测光纤(从上之下标记为H1、H2、H3)分别连至FBG光纤解调仪，并自动采集读数。当然也可以按同样的方式在垂直地面方向设置两根应变感测光纤记为V1、V2连接至FBG光纤解调仪。在模型箱前后透明刚性板上按10cm间隔贴上3层纸质圆形标记点。待地基模型填筑完成后，在中央放置10cm×25cm×1cm的铝板作为加载板，然后采用砝码施加静力荷载。试验中总共施加了3级荷载，荷载增量分别为4kPa、8kPa以及8kPa。每施加一级荷载，采用佳能EOS 600D数码相机在模型箱前后两侧壁外进行连续拍照。拍摄所得的照片采用PIV数字图像处理软件进行分析，得到侧壁土体的水平向线应变云图，如图3所示。将FBG监测得到的土体应变与数字图像处理得到的侧壁对应点土体的应变进行对比分析，可对FBG光纤监测结果进行标定，如图4和图5所示。本实施例中光纤应变标定系数ζ＝0.705。同时FBG还监测得到了砂土地基模型在各级荷载下不同部位土体的应变时程曲线，如图6所示。
需要说明的是，除上述实施例外，本发明专利还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种土体变形分布式光纤监测标定与试验方法，其特征在于，包括步骤如下：
第一步，在标定与试验主箱前后的透明刚性板上贴上标记点；
第二步，制备试验用土样，在标定与试验主箱中采用落砂法或压实法分层填筑地基模型；
第三步，当地基填筑到应变感测光纤的布设位置时，将应变感测光纤预拉一定应变后铺设于土中；
第四步，待所有应变感测光纤铺设完毕后，将所有光纤采用并联或串联的方式相互连接，并采用传输光纤接到光纤解调仪接口上；
第五步，在填筑完成的地基模型表面居中设置加压装置；
第六步，将数字图像采集与分析装置分别置于透明的刚性板的两侧；
第七步，开始试验，光纤解调仪连续读数；加压装置分级施加荷载；数字图像采集与分析装置连续拍摄采集与透明刚性板相接触的土体照片；使用数字图像处理软件分析所拍摄到的一系列照片，将所得到的土体应变结果与光纤监测结果进行对比，并采用光纤应变标定程序对光纤应变数据进行标定。
2.根据权利要求1所述的土体变形分布式光纤监测标定与试验方法，其特征在于，所述的数字图像处理软件是基于数字图像相干法或粒子图像测速法。
3.根据权利要求1所述的土体变形分布式光纤监测标定与试验方法，其特征在于，所述的光纤应变标定程序采用数字图像处理所得应变数据按εFOS＝ζεDIP对光纤应变数据进行标定，其中εDIP为数字图像处理所得应变数据，εFOS为光纤测得的应变数据，ζ为标定系数。
4.用于权利要求1～3任一所述的土体变形分布式光纤监测标定与试验方法中的装置，其特征在于，包括标定与试验主箱、应变感测光纤、光纤解调仪、数字图像采集与分析装置；所述标定与试验主箱的前后两面设有透明的刚性板，另外两个侧板为刚性板，内部填充有分层压实的土体，所述应变感测光纤沿水平向和/或垂直于底面逐段铺设于土体中，所述的前后透明刚性板上对应应变感测光纤的周围设有标记点，所述的土体上还设有加压装置；所述光纤解调仪与应变感测光纤连接；所述数字图像采集与分析装置设于标定与试验主箱的前后；所述的应变感测光纤上设有应变感测传感器。
5.根据权利要求4所述的用于土体变形分布式光纤监测标定与试验方法中的装置，其特征在于，所述的刚性侧板上设有光纤穿透孔。
6.根据权利要求4所述的用于土体变形分布式光纤监测标定与试验方法中的装置，其特征在于，所述数字图像采集与分析装置包括高像素数码相机与计算机。
7.根据权利要求4所述的用于土体变形分布式光纤监测标定与试验方法中的装置，其特征在于，所述的加压装置包括加载板和砝码或千斤顶。
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