CN111044369A - 一种温控光纤-土体拉拔试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩土工程能源岩土技术领域，公开了一种温控光纤‑土体拉拔试验装置及其使用方法。该温控光纤‑土体拉拔试验装置包括温控系统、测试系统和量测系统。本发明能够控制土样温度，便于研究不同温度土体条件下光纤‑土体界面力学性质的差异性。测量精度高。本发明利用单点式FBG应力测量，避免准分布式或分布式测量产生的误差和精度不足的问题。本发明结构简单，操作简便，在能源岩土领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程能源岩土领域，涉及一种温控光纤-土体拉拔试验装置，并进一步包含其测试原理及方法。
背景技术
浅层地热能的开发和利用已经成为一个我国重要的能源战略发展方向，已经纳入了国家发展规划之中。作为浅层地热能的新兴利用方式，能量桩、能量隧道、能量地下连续墙等能源地下结构节省了投资，同时能够获取大量的地热能，因而产生了可观的经济效益。在能源岩土领域，变形监测一直是评价能源结构工程稳定性的一个重要指标。如何对岩土体和结构体进行有效的变形监测，对于能量岩土的发展具有重要意义。
在传统岩土工程领域的变形监测中，监测对象多为岩土体本身，即需要获得由于某种作用引起的岩土体变形，例如地面沉降、采动覆岩变形、滑坡地下变形等。通常所采用的监测方法是将感测光纤等传感器置于岩土体表面或者内部，将岩土体和感测光纤看作是一个整体，光纤所获取的数据即为岩土体的变形。然而，这种方法，并未考虑感测光纤与待测岩土体之间的耦合性，这种耦合性可能会对测试结果的准确性产生较大的影响。能源岩土领域与传统岩土领域的变形监测最大的不同之处在于是否有温度的影响。作为利用浅层地热能的媒介，能源岩土工程问题受到变化温度场的作用。因此，在使用感测光纤解决能源岩土领域的变形监测问题的时候，需要同时考虑感测光纤、岩土体以及温度场三者之间的耦合效应，以获取较为精确的监测结果。另外，感测光纤与被测物是否协调变形是影响监测精度的关键因素，掌握传感光纤和周围土体的应变传递机制，也是能源岩土工程中亟待解决的问题。
因此，本发明针对上述问题，利用光纤光栅检测技术，提供一种能控制土体温度的测量光纤-土体界面力学性质的光纤光栅拉拔装置及其方法，可有效监测不同温度条件下光纤-土体界面的应力应变剪切特性，促进能源岩土工程的发展。
发明内容
本发明基于FBG光纤光栅应力测量技术，提供一种能控制土体温度的测量光纤-土体界面力学性质的光纤光栅拉拔装置及其方法，可方便快捷的测试出不同温度下光纤土体的剪切特性。
本发明的技术方案：
一种温控光纤-土体拉拔试验装置，包括温控系统、测试系统和量测系统；
所述的温控系统主要由高精度温湿度控制仪1、进出风管2、恒温室3、恒温室左侧进出气口3A、恒温室右侧光纤拉拔通道3B、恒温室上盖板3C和温度计5组成；高精度温湿度控制仪1通过进出风管2与恒温室3连通；空气加热器的进风管与恒温室左侧进出气口3A的进气口密封连接，空气加热器的出风管与恒温室左侧进出气口3A的出风口密封连接；恒温室3为一前板透明、立方体加盖箱，恒温室右侧光纤拉拔通道3B供光纤通过；恒温室上盖板3C的中心处开孔，供竖向加载杆15A通过；温度计5放置于恒温室3中，用于监测恒温室3的气室温度；
所述的测试系统包括试样垫块4、L型刚性接头9、滑块10、步进电机11、水准器12、土样上覆荷载6、环刀土样7、第一FBG光纤布拉格光栅8A、第二FBG光纤布拉格光栅8B、杠杆竖直加载装置15、竖向加载杆15A、杠杆支点铰15B、杠杆竖向加载装置底座15C和砝码盘挂环16；试样垫块4置于环刀土样7下侧，用于调整环刀土样7的高度与第一FBG光纤布拉格光栅8A保持水平；竖向加载杆15A一端位于土样上覆荷载6上方，另一端与砝码盘挂环16通过水平杆刚性连接成为一体，水平杆与杠杆支点铰15B连接，杠杆支点铰15B与杠杆竖向加载装置底座15C通过一竖杆铰接，为土样上覆荷载6提供竖向荷载，土样上覆荷载6置于环刀土样7上侧，转化集中荷载为均布荷载，为环刀土样7提供竖向均布荷载；第二FBG光纤布拉格光栅8B在测试前埋入环刀土样7中，其并与L型刚性接头9一端相连；步进电机11为试验装置提供动力，滑块10与L型刚性接头9刚性连接，L型刚性接头9将动力作用线转移至第二FBG光纤布拉格光栅8B所在轴线；水准器12放置于L型刚性接头的水平面上，用于监控测试过程中第二FBG光纤布拉格光栅8B的水平状态；
所述的量测系统包括计算机13和光纤光栅解调仪14；光纤光栅解调仪14与FBG光纤布拉格光栅相连接，用于将光信号解调并转换为电信号；计算机13与光纤光栅解调仪14连接，采集测试所得数据。
一种温控光纤-土体拉拔试验方法，步骤如下：
(1)首先制备预定种类、含水率的试验土体，使用环刀将其制备成环刀土样7待用；而后调节高精度温湿度调控仪1，使得恒温室3的温湿度达到预设温度和相对湿度，并保持稳定不变；最后将环刀土样7置于恒温室3中；
(2)将第二FBG光纤布拉格光栅8B的端头与L型刚性接头9连接；调整试样垫块4的高度，使环刀土样7竖向中轴线与L型刚性接头竖向中心点在一条水平线上，保持第二FBG光纤布拉格光栅8B的水平放置；
(3)静置一段时间后，待环刀土样7达到与恒温箱3相同的温度后，开始试验；启动步进电机11，将第二FBG光纤布拉格光栅8B从环刀土样7中匀速拔出；实验过程中，光纤光栅解调仪14全程实时记录栅区波长变化；通过处理分析所得数据，即得知不同温度下光纤-土体界面剪切特性。
光纤光栅信息处理步骤如下：
(1)假定拉拔光纤试验满足以下两个条件：
光纤-土体界面力与光纤所受的拉力满足静力平衡，即
Fτ＝FP
光纤与土体界面的摩擦力在光纤表面均匀分布，即
Fτ＝πDLτ
其中，Fτ为光纤-土体界面力，FP为光纤所受的拉力，D为光纤外直径，L为光纤与土体接触的轴向长度，τ为光纤-土体界面剪切强度；
(2)确定FBG中心波长变化量Δλ
根据光纤布拉格光栅应变换算公式算得FBG的中心波长变化量Δλ：
其中，Δλ为FBG的中心波长变化量，λ为原FBG的中心波长，Pε为光纤材料的弹光系数，Δε为FBG的轴向应变，θ为光纤光栅的热光系数，
为光纤光栅的热膨胀系数，ΔT为外界温度的变化量；
(3)根据力学平衡及胡克定律求得光纤-土体界面剪切强度τ
由胡克定律
其中，Ea为光纤材料的弹性模量；
得到光纤-土体界面剪切强度τ的计算表达式为：
本发明的有益效果：可适用于多种实验条件。本装置能够控制土样温度，便于研究不同温度土体条件下光纤-土体界面力学性质的差异性。测量精度高。本发明利用单点式FBG应力测量，避免准分布式或分布式测量产生的误差和精度不足的问题。本发明结构简单，操作简便，在能源岩土领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明测试装置平面图；
图2是本发明测试装置立体图；
图3是本发明温控箱及加载装置正视图；
图4是本发明温控箱及加载装置视图；
图5是本发明温控箱及加载装置立体图；
图中：1 高精度温湿度控制仪；2 进出风管；3 恒温室；3A 恒温室左侧进出气口；3B 恒温室右侧光纤拉拔通道；3C 恒温室上盖板；4 试样垫块；5 温度计；6 土样上覆荷载；7 环刀土样；8A 第一FBG光纤布拉格光栅；8B 第二FBG光纤布拉格光栅；9L型刚性接头；10滑块；11 步进电机；12 水准器；13 计算机；14 光纤光栅解调仪；15 杠杆竖直加载装置；15A 竖向加载杆；15B 杠杆支点铰；15C 杠杆竖向加载装置底座；16 砝码盘挂环。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围不仅仅局限于本实施方式的描述。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护范围之内。
如图1所示为本发明的整体布置示意图，包括温控系统、测试系统和数量测系统。所述温控系统由高精度温湿度控制仪1、进出风管2、恒温室3、温度计5组成；所述的空气加热器1和恒温气室3分别与进出风管2的进风管密封连接，恒温气室3的出风口与进出风管2的出风管密封连接；所述的温度计5放置于恒温气室3中，用于监测恒温气室3的气室温度。
所述的测试系统包括试样垫块4、L型刚性接头9、滑块10、步进电机11、水准器12、土样上覆荷载6、环刀土样7、FBG光纤布拉格光栅8；所述的试样垫块4置于环刀土样7下侧，用于调整试样高度与FBG光纤布拉格光栅8保持水平，杠杆竖直加载装置15置于土样上覆荷载6上方，为土样上覆荷载6提供竖向荷载，土样上覆荷载6置于环刀土样7上侧，转化集中荷载为均布荷载，为土样提供竖向均布荷载，FBG光纤布拉格光栅8A在测试前埋入环刀土样7中，并于L型刚性接头9一端相连；所述的步进电机11为试验装置提供动力，滑块10与L型刚性接头9刚性连接，L型刚性接头9与FBG光纤布拉格光栅8相连，将动力作用线转移至FBG光纤布拉格光栅8所在轴线；所述的水准器12放置于L型刚性接头9的水平面上，用于监控测试过程中FBG光纤布拉格光栅8的水平状态。
所述的量测系统包括计算机13、光纤光栅解调仪14；光纤光栅解调仪14与FBG光纤布拉格光栅8相连接，用于将光信号解调并转换为电信号；所述的计算机13与光纤光栅解调仪14连接，采集测试所得数据。
一种能控制土体温度的测量光纤-土体界面力学性质的光纤光栅拉拔装置的使用方法，步骤如下：
(1)首先制备预定种类、含水率的试验土体，使用环刀将其制备成试样待用；而后调节高精度温湿度调控仪，使得恒温室3的温湿度达到预设温度和相对湿度，并保持稳定不变；最后将土样置于恒温室3中。
(2)将光纤光栅端头与L型刚性接头连接。调整垫块高度，使土样竖向中轴线与L型刚性接头竖向中心点在一条水平线上，保持光纤光栅的水平放置。
(3)静置一段时间后(视土样大小而定)，待土样达到与恒温箱相同的温度后，开始试验；启动低频步进电机，将光纤光栅从土样中匀速拔出；实验过程中，光纤光栅解调仪全程实时记录栅区波长变化。通过处理分析所得数据，即可得知不同温度下光纤-土体界面剪切特性。
特别地，本发明同时对光纤光栅信息处理过程进行进一步的说明，其具体处理步骤如下：
(1)拉拔试验假定拉拔光纤试验满足以下两个条件：
光纤-土体界面力与光纤所受的拉力满足静力平衡，即
Fτ＝FP
光纤与土体界面的摩擦力在光纤表面均匀分布，即
Fτ＝πDLτ
其中Fτ为光纤-土体界面力，FP为光纤所受的拉力，D为光纤外直径，L为光纤与土体接触的轴向长度，τ为光纤-土体界面剪切强度。
(2)确定FBG中心波长变化量Δλ
根据光纤布拉格光栅应变换算公式算得FBG的中心波长变化量Δλ：
其中，Δλ为FBG的中心波长变化量，λ为原FBG的中心波长，Pε为光纤材料的弹光系数，Δε为FBG的轴向应变，θ为光纤光栅的热光系数，
为光纤光栅的热膨胀系数，ΔT为外界温度的变化量。
(3)根据力学平衡及胡克定律求得光纤-土体界面剪切强度τ
由胡克定律
其中，Ea为光纤材料的弹性模量。可以得到光纤-土体界面剪切强度τ的计算表达式为：
其中，Ea为光纤材料的弹性模量；A为光纤横截面积；Δλ为FBG的中心波长漂变量；λ为原FBG的中心波长；Pε为光纤材料的弹光系数；D为光纤外直径；L为光纤与土体接触的轴向长度。
Claims (3)
1.一种温控光纤-土体拉拔试验装置，其特征在于，该温控光纤-土体拉拔试验装置包括温控系统、测试系统和量测系统；
所述的温控系统主要由高精度温湿度控制仪(1)、进出风管(2)、恒温室(3)、恒温室左侧进出气口(3A)、恒温室右侧光纤拉拔通道(3B)、恒温室上盖板(3C)和温度计(5)组成；高精度温湿度控制仪(1)通过进出风管(2)与恒温室(3)连通；空气加热器的进风管与恒温室左侧进出气口(3A)的进气口密封连接，空气加热器的出风管与恒温室左侧进出气口(3A)的出风口密封连接；恒温室(3)为一前板透明、立方体加盖箱，恒温室右侧光纤拉拔通道(3B)供光纤通过；恒温室上盖板(3C)的中心处开孔，供竖向加载杆(15A)通过；温度计(5)放置于恒温室(3)中，用于监测恒温室(3)的气室温度；
所述的测试系统包括试样垫块(4)、L型刚性接头(9)、滑块(10)、步进电机(11)、水准器(12)、土样上覆荷载(6)、环刀土样(7)、第一FBG光纤布拉格光栅(8A)、第二FBG光纤布拉格光栅(8B)、杠杆竖直加载装置(15)、竖向加载杆(15A)、杠杆支点铰(15B)、杠杆竖向加载装置底座(15C)和砝码盘挂环(16)；试样垫块(4)置于环刀土样(7)下侧，用于调整环刀土样(7)的高度与第一FBG光纤布拉格光栅(8A)保持水平；竖向加载杆(15A)一端位于土样上覆荷载(6)上方，另一端与砝码盘挂环(16)通过水平杆刚性连接成为一体，水平杆与杠杆支点铰(15B)连接，杠杆支点铰(15B)与杠杆竖向加载装置底座(15C)通过一竖杆铰接，为土样上覆荷载(6)提供竖向荷载，土样上覆荷载(6)置于环刀土样(7)上侧，转化集中荷载为均布荷载，为环刀土样(7)提供竖向均布荷载；第二FBG光纤布拉格光栅(8B)在测试前埋入环刀土样(7)中，其并与L型刚性接头(9)一端相连；步进电机(11)为试验装置提供动力，滑块(10)与L型刚性接头(9)刚性连接，L型刚性接头(9)将动力作用线转移至第二FBG光纤布拉格光栅(8B)所在轴线；水准器(12)放置于L型刚性接头的水平面上，用于监控测试过程中第二FBG光纤布拉格光栅(8B)的水平状态；
所述的量测系统包括计算机(13)和光纤光栅解调仪(14)；光纤光栅解调仪(14)与FBG光纤布拉格光栅相连接，用于将光信号解调并转换为电信号；计算机(13)与光纤光栅解调仪(14)连接，采集测试所得数据。
2.一种温控光纤-土体拉拔试验方法，其特征在于，步骤如下：
(1)首先制备预定种类、含水率的试验土体，使用环刀将其制备成环刀土样(7)待用；而后调节高精度温湿度控制仪(1)，使得恒温室(3)的温湿度达到预设温度和相对湿度，并保持稳定不变；最后将环刀土样(7)置于恒温室(3)中；
(2)将第二FBG光纤布拉格光栅(8B)的端头与L型刚性接头(9)连接；调整试样垫块(4)的高度，使环刀土样(7)竖向中轴线与L型刚性接头竖向中心点在一条水平线上，保持第二FBG光纤布拉格光栅(8B)的水平放置；
(3)静置一段时间后，待环刀土样(7)达到与恒温室(3)相同的温度后，开始试验；启动步进电机(11)，将第二FBG光纤布拉格光栅(8B)从环刀土样(7)中匀速拔出；实验过程中，光纤光栅解调仪(14)全程实时记录栅区波长变化；通过处理分析所得数据，即得知不同温度下光纤-土体界面剪切特性。
3.根据权利要求2所述的温控光纤-土体拉拔试验方法，其特征在于，光纤光栅信息处理步骤如下：
(1)假定拉拔光纤试验满足以下两个条件：
光纤-土体界面力与光纤所受的拉力满足静力平衡，即
Fτ＝FP
光纤与土体界面的摩擦力在光纤表面均匀分布，即
Fτ＝πDLτ
其中，Fτ为光纤-土体界面力，FP为光纤所受的拉力，D为光纤外直径，L为光纤与土体接触的轴向长度，τ为光纤-土体界面剪切强度；
(2)确定FBG中心波长变化量Δλ
根据光纤布拉格光栅应变换算公式算得FBG的中心波长变化量Δλ：
其中，Δλ为FBG的中心波长变化量，λ为原FBG的中心波长，Pε为光纤材料的弹光系数，Δε为FBG的轴向应变，θ为光纤光栅的热光系数，
为光纤光栅的热膨胀系数，ΔT为外界温度的变化量；
(3)根据力学平衡及胡克定律求得光纤-土体界面剪切强度τ
由胡克定律
其中，Ea为光纤材料的弹性模量；
得到光纤-土体界面剪切强度τ的计算表达式为：
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