CN107063108B - 一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法，包括制备试验土条，将传感光缆埋入土条；使土条发生弯曲变形；测量土条的第一弯曲变形；采用分布式光纤传感技术测量土条两侧的应变分布，计算出土条的第二弯曲变形；利用计算变形传递系数t，即纤‑土变形协调性。本发明的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，提供了一种全新的解决纤‑土耦合问题的解决方案，为提高光纤监测的精度提供了一个良好的基础，并为光纤监测的具体应用场合提供理论指导；该方法原理简单，通过较少的试验数据数量就可以获得所需的试验结果；该方法所需的试验设备较为简单，均是实验室中常用的仪器。

Description

一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法

技术领域

本发明属于岩土工程测试技术领域，具体是一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法。

背景技术

分布式光纤传感技术除了具有灵敏度高、抗电磁干扰、电绝缘性好、耐腐蚀、本质安全等优点，还可以实现分布式监测，在智能材料、土木工程等诸多领域都得到了很好的应用。在地质工程领域，分布式光纤传感技术已用于地质体和岩土加固结构的长期监测和试验研究，为研究工程地质现象以及机理提供了极大的便利。具体的应用包括：边坡变形监测、基坑安全监测、隧道等地下空间的健康监测等。相对于常规的点式监测技术，分布式光纤传感技术可以同时获得地质体的应变、温度等参量的空间分布信息，具有测点连续，不易漏检的优势。

分布式传感光缆的安装方式主要有两种：表面安装和直埋安装。表面安装是通过黏贴或借助紧固件安装在地质体或加固结构的表面，如岩体或者混凝土结构的表面；直埋安装是通过钻孔或者探槽将传感光缆埋入地质体中，然后通过回填，使传感光纤与地质体协调变形。当地质体或周围环境发生变化，光纤中传递的光信号会随之改变，从而实现对地质体的传感与长期监测。光缆具有多层结构，外层护套一般为高分子材料。将光缆黏贴或者埋入地质体，特别是采用直埋方式监测土体变形时，由于光缆的弹性模量与土体存在显著的差异，光缆与土体可能会出现变形不一致的问题。因此，在采用传感光缆监测土体变形之前，需要确定光缆与土体变形协调的程度，即变形协调性。在此基础上，评价光缆的应变感测性能，并对光缆实测的应变进行修正，为准确计算土体或其它地质体的真实变形提供参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法，该方法能够以简单的设备精确测量出光缆与土体的形变，进而计算出光缆与土体的形变耦合性，为提高光纤监测的精度提供了基础。

为实现上述发明目的，本发明的一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法，包括以下步骤：

1)制备试验土条，将传感光缆埋入土条；

2)推动土条，使土条发生弯曲变形；

3)通过数控直线位移滑台、激光位移传感器及其数据采集器测量土条的第一弯曲变形；由于第一弯曲变形的测量精度非常高，因此视为土条的实际弯曲变形，相应的应变视为土条的实际应变；采用分布式光纤传感技术测量土条两侧的应变分布，传感光缆的应变即是土条上相应位置的应变，利用传感光缆的应变计算土条的第二弯曲变形；

4)变形传递系数t用于表征土体应变传递至纤芯的传递效率，即纤-土变形协调性；

其中，ε_fmax为传感光缆实测的土条应变最大值；ε_smax为与传感光缆所在位置土条实际应变最大值；v_fmax为土条第二弯曲变形的最大值；v_smax为土条第一弯曲变形的最大值。根据弯曲变形与应变的关系，应变之比应为弯曲变形的二阶导数之比。

进一步的，所述步骤3)中分布式光纤传感技术使用的仪器为光背向散射反射计(optical backscatter reflectometer,OBR)；传感光缆的应变量为：

其中，ε为传感光缆应变；Δl为传感光缆的变形量；l为传感光缆的原长；t_str为传感光缆变形后的延迟时间；t_ref为传感光缆的参考延迟时间；c为光速；N为传感光缆的纤芯有效群折射率；k为应力光学常数，该值需在每次测试前通过预加应变进行标定。

更进一步，所述分布式光纤传感技术还可以选择FBG(光纤布拉格光栅)、BOTDA(布里渊光时域分析仪)或BOTDR(布里渊光时域反射计)。

另一种改进，所述步骤3)中测量土条的第一弯曲变形的方法还可以采用粒子图像测速法(PIV)。

另一种改进，所述土条的弯曲变形计算公式为：

其中，d为土条拉伸侧与压缩侧传感光缆之间的距离；Δε(x_i)为x_i处传感光缆拉伸侧与压缩侧的应变之差，即弯曲应变；Δx为应变采集设备的采样间隔；x_i为应变ε(x_i)的空间坐标，且x_i＝n·Δx；L为土条的长度。

另一种改进，所述步骤1)中制备试验土条和将传感光缆埋入土条的步骤包括：

11)将试验土体碾细、自然风干，按设计含水率和干密度称取适量的土料和水，将水与土料充分混合搅拌，装入密封袋在干燥皿中静置24小时以上，使水土充分均匀；

12)在制样模具内部涂抹润滑剂，称取一半配制好的土料，压至模具的1/2深处；沿土条长度布设两根传感光纤，拉直后在模具内装入余下的土料，压至设计高度；

13)将制好的土条用保鲜膜包裹密封，静置2小时以消除土条制作过程中产生的残余应力。

另一种改进，所述步骤2)推动土条，使土条发生弯曲变形的过程为：

采用千斤顶分级推动土条使其发生弯曲变形直至破坏，采用百分表控制每级加载的位移量。

本发明的一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法，提供了一种全新的解决纤-土耦合问题的解决方案，为提高光纤监测的精度提供了一个良好的基础，并为光纤监测的具体应用场合提供理论指导；该方法原理简单，通过较少的试验数据数量就可以获得所需的试验结果；该方法所需的试验设备较为简单，均是实验室中常用的仪器。

附图说明

图1是本发明的测试传感光缆与土体变形协调性的方法一个实施例的试验设备图；

图2是土条弯曲前形状示意图；

图3是土条弯曲后形状示意图；

图4是本发明一个实施例中传感光缆OF1结构示意图；

图5是本发明一个实施例中传感光缆OF2结构示意图；

图6是本发明一个实施例中激光位移传感器测得的土条变形；

图7是本发明一个实施例中PIV计算得到的土条变形；

图8是根据OF1弯曲应变计算的挠度；

图9是根据OF2弯曲应变计算的挠度；

图10是PIV计算所得的土条挠度分布；

图11是变形传递系数t与最大拉伸应变随变形增大变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法的一个实施例，试验设备主要包括加载系统和测量系统。加载系统为千斤顶推动装置，采用位移控制式，分级推动土条使其发生弯曲变形直至破坏。通过千斤顶前端安装的百分表控制每级加载的位移量。测量系统包括激光位移传感器3、OBR 4以及照相机6三部分。采集的数据通过计算机5进行处理。

试验时，传感光缆2置于土条1中。

试验原理：如图2和3所示，当土条在荷载作用下发生弯曲时，依据梁的变形理论，土条的一侧产生拉应变，另一侧则产生压应变。通过传感光缆监测技术可测得土条两侧的应变分布，若建立应变与变形的换算关系，将测得应变转换为土条的变形，并与土条的实际变形进行对比，便可分析探讨传感光缆与土体(纤—土)的变形耦合情况。

根据材料力学理论，土条挠度(即土条的弯曲变形)与土条的应变满足如下关系：

其中，v(x)为土条的挠度，ε(x)为土条传感光缆所在位置的应变分布，即y为传感光缆到弯曲土条中性轴的距离。

对该式进行两次积分，并根据土条的边界条件确定积分常数，得：

将其改写为累加求和的形式，得：

其中，Δx为应变采集设备的采样间隔；x_i为应变ε(x_i)的空间坐标，且x_i＝n·Δx；L为土条的长度。

由于土条在实际弯曲过程中弯曲中性轴的位置难以准确判断，故可将上式改写为：

其中，d为土条拉伸侧与压缩侧传感光缆之间的距离；Δε(x_i)为x_i处传感光缆拉伸侧与压缩侧的应变之差，即弯曲应变。

依据该式可由OBR测得的传感光缆应变计算土条挠度。由于土体为弹塑性材料，在实际发生弯曲过程中，不同位置的挠度会因裂缝等因素的影响而存在差异。式(4)计算所得挠度为一介于拉伸侧实际挠度与压缩侧实际挠度的中间值。本申请通过PIV的测量结果或激光位移传感器测量结果计算土条的平均挠度，以减小由土体开裂带来的挠度误差。通过平均挠度与式(4)计算挠度进行对比，可以对传感光缆与土体的变形耦合性能进行分析。

对于不同土体、不同含水率与密实度以及不同类型传感光缆的情形，可依据该理论，进行简单的土条弯曲试验，以测试传感光缆与土体的变形耦合情况。

本发明的一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法，包括以下步骤：

1)制备试验土条，将传感光缆埋入土条。

2)推动土条，使土条发生弯曲变形；采用千斤顶分级推动土条使其发生弯曲变形直至破坏，采用百分表控制每级加载的位移量。

3)土条的变形测量装置包括数控直线位移滑台、激光位移传感器及其数据采集器，通过数控直线位移滑台带动激光位移传感器沿土条长度方向扫描，与初始数据的对比，即可得到土条沿长度方向的弯曲变形；由于第一弯曲变形的测量精度非常高，因此视为土条的实际弯曲变形，相应的应变视为土条的实际应变；采用分布式光纤传感技术测量土条两侧的应变分布，传感光缆的应变即是土条上相应位置的应变，利用传感光缆的应变计算土条的第二弯曲变形。

本实施例中，激光位移传感器采用基恩士公司所制造的LK-G85型传感头。其基本原理为由传感头向目标发射激光，并使用三角形测量法检测RS-CMOS反射光的位置，通过检测反射光位置的变化，便可获取传感头与目标间的距离变化。该传感头在激光探测范围内精度达到±40μm，其检测结果信赖可靠。通过直线数控位移滑台带动激光位移传感器沿土条长度方向扫描，通过与初始数据的对比即可得到土条沿长度方向的弯曲变形。

4)变形传递系数t用于表征土体应变传递至纤芯的传递效率，即纤-土变形协调性；

其中，ε_fmax为传感光缆实测的土条应变最大值；ε_smax为与传感光缆所在位置土条实际应变最大值；v_fmax为土条第二弯曲变形的最大值；v_smax为土条第一弯曲变形的最大值。根据弯曲变形与应变的关系，应变之比应为弯曲变形的二阶导数之比。

土条通过定制的制样模具压制而成，其尺寸为250mm*50mm*30mm。试验土体采用长江中下游地区常见的下蜀土，其基本物理性质见表2：

表2下蜀土的基本物理性质指标

考虑土条的成型、承重等问题，本次试验土体含水率为17％，干密度为1.7g/cm³。土条的制备过程如下：

(11)将试验土体碾细、自然风干，按设计含水率和干密度称取适量的土料和水，将水与土料充分混合搅拌，装入密封袋在干燥皿中静置24h以上，使水土充分均匀。

(12)在制样模具内部涂抹凡士林，称取一半配制好的土料，采用千斤顶压至模具的1/2深处(土条高度的1/2)。如图1所示，沿土条长度布设两根传感光缆，拉直后在模具内装入余下的土料，压至设计高度。

(13)将制好的土条用保鲜膜包裹密封，静置2h以消除土条制作过程中产生的残余应力。

为对比不同传感光缆与土体的耦合性能，试验中分别采用了直径0.9mm聚酯护套传感光缆OF1和直径0.25mm无护套传感光缆OF2。如图4所示，传感光缆OF1包括纤芯与包层(71)、涂敷层(81)和护套(91)。如图5所示，无护套传感光缆OF2包括纤芯与包层(72)和涂敷层(82)。

步骤3)中分布式光纤传感技术使用的仪器为光背向散射反射计(OpticalBackscatter Reflectometer，OBR)；OBR是由Luna公司开发的基于瑞利散射的光学传感仪器。其基本原理是通过捕捉传感光缆中背向散射光与前向散射光的差异，测量因散射、吸收等原因产生的传感光缆传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗。当传感光缆中某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化。因此，可通过显示损耗与传感光缆长度的对应关系反映外界信号于传感光缆上的扰动信息。

传感光缆的应变量为：

其中，ε为传感光缆应变；Δl为传感光缆的变形量；l为传感光缆的原长；t_str为传感光缆变形后的延迟时间；t_ref为传感光缆的参考延迟时间；c为光速；N为传感光缆的纤芯有效群折射率；k为应力光学常数，该值需在每次测试前通过预加应变进行标定。

分布式光纤传感技术还可以选择FBG(光纤布拉格光栅)、BOTDA(布里渊光时域分析仪)或BOTDR(布里渊光时域反射计)。

表1为OBR与常见传感光缆传感技术部分性能参数的对比。通过对比可知，OBR具有相当高的空间分辨率和应变测量精度，完全能够满足本次的试验要求。

表1常见光学传感技术部分性能参数指标

在土条分层压制过程中，依据设计方案将传感光缆预埋在土条中，采用OBR技术测量土条弯曲变形过程中传感光缆的应变分布及其变化情况。

根据式(4)利用OBR实测的传感光缆应变计算的土条挠曲变形，通过图8和图9的对比可知：

(1)直径0.9mm聚酯护套OF1传感光缆较无护套的直径0.25mm OF2传感光缆，推算的土条位移更大。证明了适当增加护套结构可以有效地增强传感光缆与土体之间应变的传递效率，很好地提高了纤-土的变形耦合性能；而无护套的情况下，传感光缆与土体就较易产生相互滑移，使计算结果的准确性受到一些影响。

(2)当土条位移大于1.5mm时，由应变计算所得挠度出现减小的情况。根据对应变数据与实际土条裂缝发育情况的比较分析可以认为，随着张裂缝的逐步扩大增长，土条的中性面发生偏移，进而导致了计算挠度的减小。

步骤3)中测量土条的第一弯曲变形的方法还可以采用粒子图像测速法(ParticleImage Velocimetry，PIV)。PIV是一种通过图像测量位移的摄影测量技术。其基本原理是对初始图片选取一小块搜索区域，根据其图像的灰度、纹理等特征，在后续图片中依据相关性算法进行区域的搜索并计算相关系数，并将相关系数为峰值的区域判定为变形后的区域。与传统的点式位移测量技术相比，PIV技术具有高精度、无接触、全面性等优点，只需通过图片即可获得目标的位移矢量分布。利用PIV技术获取土条变形过程中的土条位移的分布及其变化情况，计算其平均挠度，通过与根据传感光缆应变计算位移的对比，反映传感光缆与土体的变形耦合性能。

可以选择使用激光位移传感器测量土条弯曲变形或者PIV测量计算土条弯曲变形(土条挠度)；也可以选择同时使用激光位移传感器测量土条弯曲变形和PIV测量计算土条弯曲变形，并将两种方法的测量结果进行对比，得到更精确的土条第一弯曲变形，使其更接近于土条的实际弯曲变形。图6为由激光位移传感器所测得的在试验过程中土条拉伸侧的边界a(见图2)产生的位移，图7为基于PIV技术对试验图片进行处理后获得的同一边界上的位移。通过对比可以发现：在小变形时PIV计算结果与激光测距仪测得的结果基本一致，证明了PIV技术具有相当高的可靠性与准确性。而当变形较大时，土体产生开裂，原有的土体表面灰度区域产生变化甚至破坏，干扰了PIV的计算结果，故此时PIV的计算结果与激光位移传感器测量结果存在一定偏差。综上，当变形较小时，利用PIV技术可以准确获取土条整体的挠曲变形，可与根据传感光缆应变计算的变形进行比对分析。

由PIV技术计算所得土条平均挠度分布如图10所示。通过对图8、图10的对比分析，可依据传感光缆与土体的耦合程度将土条的弯曲变形分为两个变化阶段：

(1)紧密耦合阶段：土条弯曲过程的初始阶段，土条的最大弯曲变形小于1.5mm，传感光缆的最大拉伸应变小于3000με时，土体结构较为完整。此时，PIV计算挠度与应变推算挠度较为吻合一致，说明在低应变条件下，传感光缆与土体的耦合性能良好，传感光缆能够较为准确地反映土体的变形情况。

(2)相对滑移阶段：当土条的最大弯曲变形大于1.5mm，传感光缆的最大拉伸应变大于3000με时，随着变形的增大，土条沿边界a出现了张裂缝。随着弯曲变形的增大，裂缝的逐步扩展，传感光缆与土体出现相对滑移，土体应变传递至传感光缆的效率逐渐降低。由应变得到的计算挠度逐渐小于PIV的实测挠度，且二者差距随变形的增大而逐步增大。当变形增大到一定程度，由应变推算挠度的增速减小，并逐步趋于一个固定值。

如图11所示，传递系数t在变形增大过程中主要经历两个不同阶段：第一阶段，t经历一个小的骤降，在0.8附近平稳缓慢下降，对应土条变形较小阶段，最大拉伸微应变小于3000，此时土体与传感光缆耦合较好；第二阶段，t随变形增大而大幅度下降，对应土条裂缝产生、扩展阶段，拉伸应变大于3000με，土体与传感光缆发生相对滑移，并且滑移幅度随变形逐渐增大。随着土条弯曲变形的增大，传递系数下降趋势放缓，并缓慢趋向于0。

本实施中通过土条的三点弯曲试验，研究了传感光缆与土体的耦合性能随土体变形的变化情况，提出了采用变形传递系数表征纤-土的耦合性能。研究结果表明：

(1)在变形较小时，土体与传感光缆耦合性能良好，传感光缆测得的应变真实可靠，可视作土体的真实应变。

(2)在变形较大时，由于土体结构的破坏与裂缝的产生，土体与传感光缆将发生相对滑移，且土体的应变传递至传感光缆的效率随滑移的增大而逐渐减小。此时，传感光缆应变无法直接用于土体实际变形的计算。

(3)本发明提出的传感光缆与土体变形耦合测试方法是可行的，采用的应变传递系数可以准确地描述传感光缆与土体的变形耦合性能，可以将传感光缆应变按变形传递系数放大后表征土体的实际变形情况。对于其他具有一定黏聚力的土体，可以按土体实际的含水率与密实度压制土条进行三点弯试验，测试传感光缆与土体的变形耦合情况，得到相应的变形传递系数。

基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。

Claims (7)

1.一种测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备试验土条，将传感光缆埋入土条；

2)推动土条，使土条发生弯曲变形；

3)通过数控直线位移滑台、激光位移传感器及其数据采集器测量土条的第一弯曲变形；由于第一弯曲变形的测量精度非常高，因此视为土条的实际弯曲变形，相应的应变视为土条的实际应变；采用分布式光纤传感技术测量土条两侧的应变分布，传感光缆的应变即是土条上相应位置的应变，利用传感光缆的应变计算土条的第二弯曲变形；

4)变形传递系数t用于表征土体应变传递至纤芯的传递效率，即纤-土变形协调性；

其中，ε_fmax为传感光缆实测的土条应变最大值；ε_smax为与传感光缆所在位置土条实际应变最大值；v_fmax为土条第二弯曲变形的最大值；v_smax为土条第一弯曲变形的最大值；根据弯曲变形与应变的关系，应变之比应为弯曲变形的二阶导数之比。

2.根据权利要求1所述的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，所述步骤3)中分布式光纤传感技术使用的仪器为光背向散射反射计；传感光缆的应变量为：

其中，ε为传感光缆应变；ΔL为传感光缆的变形量；L为传感光缆的原长；t_str为传感光缆变形后的延迟时间；t_ref为传感光缆的参考延迟时间；c为光速；N为传感光缆的纤芯有效群折射率；k为应力光学常数，k需在每次测试前通过预加应变进行标定。

3.根据权利要求2所述的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，所述分布式光纤传感技术还包括FBG、BOTDA或BOTDR。

4.根据权利要求1所述的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，所述步骤3)中测量土条的第一弯曲变形的方法还可以采用粒子图像测速法。

5.根据权利要求1所述的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，所述土条的弯曲变形计算公式为：

其中，d为土条拉伸侧与压缩侧传感光缆之间的距离；Δε(x_i)为x_i处传感光缆拉伸侧与压缩侧的应变之差，即弯曲应变；Δx为应变采集设备的采样间隔；x_i为应变ε(x_i)的空间坐标，且x_i＝n·Δx；L为土条的长度。

6.根据权利要求1所述的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，所述步骤1)中制备试验土条和将传感光缆埋入土条的步骤包括：

11)将试验土体碾细、自然风干，按设计含水率和干密度称取适量的土料和水，将水与土料充分混合搅拌，装入密封袋在干燥皿中静置24小时以上，使水土充分均匀；

12)在制样模具内部涂抹润滑剂，称取一半配制好的土料，压至模具的1/2深处；沿土条长度布设两根传感光纤，拉直后在模具内装入余下的土料，压至设计高度；

13)将制好的土条用保鲜膜包裹密封，静置2小时以消除土条制作过程中产生的残余应力。

7.根据权利要求1所述的测试传感光缆与土体变形协调性的方法，其特征在于，所述步骤2)推动土条，使土条发生弯曲变形的过程为：

采用千斤顶分级推动土条使其发生弯曲变形直至破坏，采用百分表控制每级加载的位移量。