CN111809596A - 一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法，设有孔压检测腔，当水进入孔压检测腔，受到水压力作用，压力膜会产生变形，光纤光栅波长会产生变化。摩擦筒与锥头连接处设有透水石，以保证水能进入孔压检测腔。与外侧连接处均用橡胶圈连接，以保持探头良好的防水性能。基于光纤光栅的孔压静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。本次发明引入的压力感测梁结构，在后续数据处理中能将温度项自动抵消，实现温度自补偿，具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将光纤光栅静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。

Description

一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验 方法

技术领域

本发明涉及岩土工程勘察技术领域中的原位测试技术，具体涉及一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法。

背景技术

静力触探是一种重要的原位测试方法，但传统静力触探探头多采用电测式探头，其原理是利用传感器将探头所受阻力转换为电信号，然后借助电缆传送到记录仪并记录下来，孔压探头具有双桥探头的所有部件，另外还有孔隙水压传感器，可在测得侧壁摩擦阻力和锥尖阻力的同时还能测得孔隙水压力。进而实现土类定名、土层界面划分、评定地基土物理与力学性质、提供浅基承载力和预估单桩承载力等岩土工程勘察的目的。因此传统孔压探头和双桥探头一样存在防水性能不足，易受电磁干扰，零漂、温漂、勘测深度较浅等问题。这些问题限制了静力触探在诸多方面的应用。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头。

技术方案：本发明所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆、传力柱和孔压检测腔，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、传力柱和孔压检测腔上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔设在第二传力柱和锥头之间，在孔压检测腔内设有变形膜，变形膜上设有光纤光栅，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。

作为本发明的进一步改进，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。

作为本发明的进一步改进，在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。

作为本发明的进一步改进，在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈和透水石。

作为本发明的进一步改进，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

本发明还包括一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头的静力触探试验方法，包括以下步骤：

S1、将孔压静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s；

S2、对于下部压力感应梁：

p₁＝k₀₁ε₀₁， (1)；

上式中，p₁为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k₀₁为比例系数，ε₀₁为下部门字梁受压下轴向应变；

对于光纤光栅，波长变化率与应变温度变化存在如下关系：

上式中，Δλ为光纤光栅波长变化，λ为初始波长，k₁为应变比例系数，ε为光纤光栅应变，k₂为温度比例系数，ΔT为温度变化；

S3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₁，F₂，F₃，F₄，光纤光栅的应变分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，不同压力下的波长变化分别为Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，则：

上式中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉。将式(3)带入式(1)，化简得：

p₁＝ζ₁ω₁， (4)；

上式中，

S4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅：

p₂＝k₀₂ε₀₂， (7)；

上式中，p₂为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k₀₂为比例系数，ε₀₂为上部门字梁受压下轴向应变；

在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₅，F₆，F₇，F₈，光纤光栅的应变为ε₅，ε₆，ε₇，ε₈波长分别记为λ₅，λ₆，λ₇，λ₈，不同压力下的波长变化分别为Δλ₅，Δλ₆，Δλ₇，Δλ₈，则：

计算中温度项被约掉，其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：

p₂＝ζ₂ω₂， (9)；

上式中，

S5、标定过程可同时测出比例系数ζ₁、ζ₂，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力q_c：

上式中，A₁为锥头截面积；

侧壁摩阻力f_s：

上式中，A₂为摩擦筒表面积；

S6、对孔压检测腔进行标定：

u＝k₀₃ε₀₃， (14)；

上式中，u为作用于变形膜上的水压，k₀₃为比例系数，ε₀₃为变形膜轴向应变；

S7、在变形膜粘贴有光纤光栅F₉，光纤光栅的应变为ε₉，波长记为λ₉，波长变化为λ₉，则：

其中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(15)带入式(14)，化简得：

u＝ζ₃ω₃， (16)；

上式中，

ζ₃可通过室内标定试验确定；

有益效果：

当水进入孔压检测腔，受到水压力作用，压力膜会产生变形，光纤光栅内部波长会长生变化。摩擦筒与锥头连接处设有透水石，以保证水能进入孔压检测腔。与外侧连接处均用橡胶圈连接，以保持探头良好的防水性能。

基于光纤光栅的孔压静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将光纤光栅静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅孔压静力触探探头的结构图。

图2为本发明的基于光纤光栅的孔压静力触探探头研究技术路线图。

图3为本发明的室内探头标定示意图。

图4为本发明的室内试验示意图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头1、摩擦筒2、压力感应梁、导接杆3、传力柱和孔压检测腔4，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁5和下部压力感应梁6，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱7和第二传力柱8，所述导接杆3、上部压力感应梁5、第一传力柱7、下部压力感应梁6和第二传力柱8从上至下依次设在摩擦筒2内，所述上部压力感应梁5的上下两端分别与导接杆3、第一传力柱7螺纹连接，所述下部压力感应梁6的上下两端分别与第一传力柱7、第二传力柱8螺纹连接，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆3轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅9，在导接杆3、上部压力感应梁5、下部压力感应梁6、第一传力柱7、第二传力柱8和孔压检测腔4上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔4设在第二传力柱8和锥头1之间，在孔压检测腔4内设有变形膜10，变形膜10上设有光纤光栅9，所述光纤光栅9连接有通信光纤11，所述通信光纤11从导接杆3的通孔处伸出，在导接杆3与摩擦筒2的内壁面配合处设有止水橡胶圈12，在传力柱与摩擦筒2的内壁面配合处设有止水橡胶圈12，在锥头1与摩擦筒2的连接处设有止水橡胶圈12和透水石13，所述光纤光栅9为光纤布拉格光栅。

有益效果：

当水进入孔压检测腔，受到水压力作用，压力膜会产生变形，光纤光栅内部波长会长生变化。摩擦筒与锥头连接处设有透水石，以保证水能进入孔压检测腔。与外侧连接处均用橡胶圈连接，以保持探头良好的防水性能。

基于光纤光栅的孔压静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将光纤光栅静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。

本发明还包括一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头的静力触探试验方法，具体的实施方案为，首先根据图2所示，是基于光纤光栅的孔压静力触探探头研究技术路线图。前期在查阅大量文献的基础上，查找孔压静力触探最新现状，光纤布拉格光栅属于最重要的光纤传感元器件之一，利用光纤芯材的光敏特性，它的折射率沿光纤轴向呈固定的周期性调制分布，具有良好的波长选择性。当宽带光进入光纤后，满足特定波长λ_B的入射光在光栅处被耦合反射，其余波长会全部通过而不受影响。对于外界应变ε与温度变化ΔT会引起光栅折射率与周期的变化，导致光纤光栅波长λ_B产生漂移，而漂移量Δλ与应变和温度变化量具有良好的线性关系。

步骤如下：

S1、将孔压静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s；

S2、对于下部压力感应梁：

p₁＝k₀₁ε₀₁， (1)；

上式中，p₁为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k₀₁为比例系数，通过标定试验确定，ε₀₁为下部门字梁受压下轴向应变；

对于光纤光栅，波长变化率与应变温度变化存在如下关系：

上式中，Δλ为光纤光栅波长变化，λ为初始波长，k₁为应变比例系数，ε为光纤光栅应变，k₂为温度比例系数，ΔT为温度变化；

S3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₁，F₂，F₃，F₄，光纤光栅的应变分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，不同压力下的波长变化分别为Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，则：

上式中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉。将式(3)带入式(1)，化简得：

p₁＝ζ₁ω₁， (4)；

上式中，

S4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅：

p₂＝k₀₂ε₀₂， (7)；

上式中，p₂为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k₀₂为比例系数，ε₀₂为上部门字梁受压下轴向应变；

在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₅，F₆，F₇，F₈，光纤光栅的应变为ε₅，ε₆，ε₇，ε₈，波长分别记为λ₅，λ₆，λ₇，λ₈，不同压力下的波长变化分别为Δλ₅，Δλ₆，Δλ₇，Δλ₈，则：

计算中温度项被约掉。其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：

p₂＝ζ₂ω₂， (9)；

上式中，

S5、标定过程可同时测出比例系数ζ₁、ζ₂，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力q_c：

上式中，A₁为锥头截面积；

侧壁摩阻力f_s：

上式中，A₂为摩擦筒表面积；

S6、对孔压检测腔进行标定：

u＝k₀₃ε₀₃ (14)

上式中，u为作用于变形膜上的水压，k₀₃为比例系数，ε₀₃为变形膜轴向应变；

S7、在变形膜粘贴有光纤光栅F₉，光纤光栅的应变为ε₉，波长记为λ₉，波长变化为Δλ₉，则：

其中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(15)带入式(14)，化简得：

u＝ζ₃ω₃， (16)；

上式中，

ζ₃可通过室内标定试验确定；

上述方法在具体的应用如下：

图3为室内探头标定示意图，试验中控制升降台位移施加不同荷载，各级荷载下，待光纤光栅波长读数稳定后记录。随后做出波长变化率Δλ/λ与荷载关系的散点图。经过线性拟合计算得到比例系数ζ₁、ζ₂。

孔压传感器标定，需要在专门的孔压系统真空饱和与加压装置上进行。首先将孔压探头安装在有专门标定装置的饱和器中进行饱和。饱和过后，将探头固定至装置上，对探头逐级加压，各级荷载下，待光纤光栅波长读数稳定后记录由于孔压探头孔压传感器；随后做出波长变化率Δλ/λ与孔压u的散点图。经过线性拟合计算得到比例系数ζ₃。

图4为室内试验示意图，用本发明的光纤光栅式静力触探探头进行室内试验，同时设置电测式探头进行室内试验作为对比试验。经公式换算，将测得的光纤光栅波长变化值转化为对应的锥尖阻力，侧壁摩阻力与孔隙水压力。以贯入深度为横坐标，锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力分别为纵坐标，得到两种工况下，锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力随深度变化的曲线，不同工况下曲线变化存在着明显区别，每个工况下光纤光栅式静力触探探头所得试验数据曲线变化与电测式探头所得实验数据变化一致，且趋势更好，验证了该探头可以很好的测定锥尖阻力，侧摩阻力与孔隙水压力。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆、传力柱和孔压检测腔，其特征在于：所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔设在第二传力柱和锥头之间，在孔压检测腔内设有变形膜，变形膜上设有光纤光栅，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。

2.按权利要求1所述的基于光纤光栅孔压静力触探探头，其特征在于：所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。

3.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。

4.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈和透水石。

5.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

6.一种按权利要求1所述的静力触探试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将孔压静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s；

S2、对于下部压力感应梁：

p₁＝k₀₁ε₀₁，(1)；

上式中，p₁为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k₀₁为比例系数，ε₀₁为下部门字梁受压下轴向应变；

对于光纤光栅，波长变化率与应变温度变化存在如下关系：

上式中，Δλ为光纤光栅波长变化，λ为初始波长，k₁为应变比例系数，ε为光纤光栅应变，k₂为温度比例系数，ΔT为温度变化；

S3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₁，F₂，F₃，F₄，光纤光栅的应变分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，不同压力下的波长变化分别为Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，则：

上式中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉，将式(3)带入式(1)，化简得：

p₁＝ζ₁ω₁，(4)；

上式中，

S4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅：

p₂＝k₀₂ε₀₂，(7)；

上式中，p₂为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k₀₂为比例系数，ε₀₂为上部门字梁受压下轴向应变；

在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₅，F₆，F₇，F₈，光纤光栅的应变为ε₅，ε₆，ε₇，ε₈，波长分别记为λ₅，λ₆，λ₇，λ₈，不同压力下的波长变化分别为Δλ₅，Δλ₆，Δλ₇，Δλ₈，则：

计算中温度项被约掉，其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：

p₂＝ζ₂ω₂，(9)；

上式中，

S5、标定过程可同时测出比例系数ζ₁、ζ₂，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力q_c：

上式中，A₁为静力触探头横截面积；

侧壁摩阻力f_s：

上式中，A₂为摩擦筒表面积；

S6、对孔压检测腔进行标定：

u＝k₀₃ε₀₃ (14)；

上式中，u为作用于变形膜上的孔隙水压，k₀₃为比例系数，ε₀₃为变形膜轴向应变；

S7、在变形膜粘贴有光纤光栅F₉，光纤光栅的应变为ε₉，波长记为λ₉，波长变化为Δλ₉，则：

其中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(15)带入式(14)，化简得：

u＝ζ₃ω₃，(16)；

上式中，

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