CN112504337B - 一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种基于光栅光纤监测的软土降水和回灌模型试验装置，包括模型箱、水位控制与监测装置、光纤光栅监测装置。其中，模型箱由若干个分段圆形桶状结构组成，可根据需要自由拼装；水位控制与监测装置可模拟降水和回灌的过程，并实时监测土体内部的水位变化情况；光纤光栅监测装置包括光栅位移传感器、光栅温度传感器、光栅孔压传感器，光栅位移传感器监测土体在水位变化时的位移情况，光栅温度传感器监测温度变化实现温度补偿，光栅孔压传感器监测降水和回灌过程中土体孔压变化。本申请实现了利用光栅光纤技术观测软土在地下水降水和回灌过程中的位移、温度和孔压的变化。

Description

一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置

技术领域

本申请属于地质工程与光纤感测领域，尤其涉及一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置。

技术背景

软土的典型特点包括不均匀、压缩性高、强度弱、透水性差以及较强的流变和触变性等。在建筑工程实践，软土地基的特点主要包括：较大的地基沉降量、较长的沉降时间、固结速度缓慢、沉降不均以及抗剪性较差等。传统的沉降变形监测系统存在工作量大、需要人员合作、易受天气因素影响，以及监测精度低等缺点，不能全面获取软土地基的沉降变形情况。而光纤光栅作为一种新型的材料，具有耐腐蚀和及高精度的特点，现已应用于土木工程、水利交通、地质工程和航天等各个工程领域。

对于土体变形的监测，常用的分布式光纤监测技术有布里渊散射光时域反射技术(BOTDR)、布里渊散射光时域分析技术(BOTDA)和布拉格光纤光栅(FBG)等分布式技术，FBG测量精度明显高于BOTDR和BOTDA，动态响应灵敏和复用性好。且对于软土，全分布式光纤并不适用，因为土体和全分布光纤耦合性差，点式感测技术由于工作量巨大，因此，相比之下，准分布式感测技术最适合软土变形沉降的监测。

发明内容

本申请的目的在于：弥补现有软土降水与回灌模型试验研究的不足，提供一种可以全面、快速、有效、准确监测软土在降水和回灌条件下的位移和孔压变化的实验装置。

为实现上述目的，本申请提供了如下技术方案：

一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置，其特征在于，包括模型箱、水位控制与监测装置、光纤光栅监测装置。

所述的模型箱由若干个分段模型桶组成，分段模型桶为顶底开口的圆形管状结构，具有较高的透光度和机械强度，各分段模型桶之间通过若干个法兰盘密封连接，可根据需要自由拼装；模型箱底部为不透水的圆形底座，与最下层分段模型桶之间通过法兰盘密封连接；模型箱底部设有砂层加土工布的透水结构，用以防止软土材料流失并向其均匀送水；模型箱内透水结构上可分层填筑软土材料；模型箱一侧设有若干个不同高度的测压孔用于连接测压管，测压孔处设置有透水石和土工布，防止软土材料流入测压管；模型箱底部透水结构处侧面设有进/排水口用于供水。

所述的水位控制与监测装置包括水位控制装置和水位监测装置；

进一步，所述的水位控制装置包括水箱、蠕动泵、注水瓶、三根注水管、升降支架；所述的水箱用于盛放去离子水，通过注水管依次与蠕动泵、注水瓶连接，利用蠕动泵将水箱中的水输送至注水瓶；所述的注水瓶通过升降支架固定于水箱正上方，注水瓶高度可通过升降支架调节；所述的注水瓶一侧设有溢流口，当注水瓶内水位高于溢流口时，水将从溢流口流出并落入水箱，保证注水瓶内水位始终处于溢流口高度；注水瓶和模型箱的进/排水口之间通过注水管连接，注水瓶内水在重力作用下沿注水管流入进/排水口，注水的水位高度由注水瓶溢流口高度决定，通过升降支架调节注水瓶高度可控制注水的水位高度；

所述的水位监测装置由若干根塑料软管和若干根测压管组成；若干根测压管通过若干根塑料软管与模型箱的若干个测压孔连接，用于观测模型箱中不同高度软土材料内水位变化。

所述的光纤光栅监测装置包括若干个光栅位移传感器、若干个光栅温度传感器、若干个光栅孔压传感器、若干根传导光纤、光纤解调器；所述的若干个光栅位移传感器通过若干根传导光纤串联，分层布置在软土材料内部，用于感知软土材料内部位移；所述的若干个光栅温度传感器通过若干根传导光纤串联，分层布置在软土材料内部，用于感知软土材料内部温度；所述的若干个光栅孔压传感器通过若干根传导光纤串联，分层布置在软土材料内部，用于感知软土材料内部孔压；所述的若干根传导光纤可将若干个光栅位移传感器、若干个光栅温度传感器、若干个光栅孔压传感器和光纤解调器连接，用于传输光信号；所述的光纤解调器用于将传导光纤传输回来的光信号解调为电信号。

与现有技术相比，本申请提供的技术方案，作为举例而非限定，具有如下有益效果：可以全面、快速、有效、准确监测软土在降水和回灌条件下的位移和孔压变化。

附图说明

图1为本申请实施例提供的试验装置中装置整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的试验装置中传感器平面布置图。

附图标记说明

1为模型箱、2为水位控制与监测装置、3为光纤光栅监测装置；

11为分段模型桶、12为圆形底座、13为法兰盘、14为砂层、15为土工布、16为测压孔、17为透水石、18为进/排水口；

21为水位控制装置、22为水位监测装置；

211为水箱、212为蠕动泵、213为注水瓶、214为注水管、215为升降支架、216为溢流口；

221为塑料软管、222为测压管；

31为光栅位移传感器、32为光栅温度传感器、33为光栅孔压传感器、34为传导光纤、35为光纤解调器。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述的技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

如图1所示，一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置，包括模型箱1、水位控制与监测装置2、光纤光栅监测装置3；

模型箱1由三个分段模型桶11组成，三个分段模型桶11之间通过四个法兰盘13密封连接；模型箱1底部为不透水的圆形底座12，与最下层分段模型桶11之间通过法兰盘13密封连接；模型箱1底部设有砂层14加土工布15的透水结构；模型箱1内透水结构上分四层填筑软土材料；模型箱1一侧设有七个不同高度的测压孔16用于连接测压管222，测压孔16处设置有透水石17和土工布15；模型箱1底部砂层14处侧面设有进/排水口18；

水位控制与监测装置2包括水位控制装置21和水位监测装置22；

水位控制装置21包括水箱211、蠕动泵212、注水瓶213、三根注水管214、升降支架215；水箱211用于盛放去离子水，通过注水管214依次与蠕动泵212、注水瓶213连接，利用蠕动泵212将水箱211中的水输送至注水瓶213；注水瓶213通过升降支架215固定于水箱211正上方，注水瓶213高度可通过升降支架215调节；注水瓶213一侧设有溢流口216，当注水瓶213内水位高于溢流口216时，水将从溢流口216流出并落入水箱211，保证注水瓶213内水位始终处于溢流口216高度；注水瓶213和模型箱1的进/排水口18之间通过注水管214连接，注水瓶213内水在重力作用下沿注水管214流入进/排水口18，注水的水位高度由注水瓶213溢流口216高度决定，通过升降支架215调节注水瓶213高度可控制注水的水位高度；

水位监测装置22由七根塑料软管221和七根测压管222组成；七根测压管222通过七根塑料软管221与模型箱1的七个测压孔16连接。

结合图2所示，光纤光栅监测装置3包括六个光栅位移传感器31、三个光栅温度传感器32、三个光栅孔压传感器33、传导光纤34、光纤解调器35；六个光栅位移传感器31、三个光栅温度传感器32、三个光栅孔压传感器33分层布置在软土材料内部，通过传导光纤34串联并与光纤解调器35连接，用于感知软土材料内部位移、温度、孔压；光纤解调器35用于将传导光纤34传输回来的光信号解调为电信号。

在优选的实施方式中，可以将蠕动泵212、光纤解调器35与外部连电源连接，通过控制外接电源的开关为蠕动泵212、光纤解调器35通电或断电。

本申请提供的一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置，其工作方式如下：

1)利用五个法兰盘13将三个分段模型桶11、圆形底座12连接组成模型箱1，在模型箱1底部铺设砂层14和土工布15形成透水结构；利用七根塑料软管221将七个测压管222和模型箱1的测压孔16连接；

2)利用注水管214依次将水箱211、蠕动泵212、注水瓶213连接，调节升降支架215使注水瓶213到指定高度；利用注水管214将注水瓶213和模型箱1的进/排水口18连接；

3)在模型箱1透水结构上分四层填筑软土材料，每层之间埋设两个光栅位移传感器31、一个光栅温度传感器32、一个光栅孔压传感器33；利用传导光纤34将上述传感器串联并与光纤解调器35连接；

4)控制外接电源开关为蠕动泵212通电，水箱211内水通过注水管214依次流经注水瓶213、模型箱1的进/排水口18进入砂层14，逐步向上渗透进入软土材料直至七个测压管222中水位稳定；

5)降水工况：控制外接电源开关为光纤解调器35通电，调节升降支架215使注水瓶213降低10cm，实时采集光栅位移传感器31、光栅温度传感器32、光栅孔压传感器33测量数据直至数据稳定；

6)回灌工况：控制外接电源开关为光纤解调器35通电，调节升降支架215使注水瓶213升高20cm，实时采集光栅位移传感器31、光栅温度传感器32、光栅孔压传感器33测量数据直至数据稳定。

Claims (3)

1.一种基于光栅光纤监测的软土降水与回灌模型试验装置，其特征在于：包括模型箱(1)、水位控制与监测装置(2)、光纤光栅监测装置(3)，模拟软土降水与回灌试验工况，利用光栅光纤监测技术全面、快速、有效、准确监测软土在降水和回灌条件下的位移和孔压变化；

所述的模型箱(1)由若干个分段模型桶(11)组成；模型箱(1)底部为不透水的圆形底座(12)；模型箱(1)底部设有砂层(14)加土工布(15)的透水结构，用以防止软土材料流失并向其均匀送水；

所述的光纤光栅监测装置(3)包括若干个光栅位移传感器(31)、若干个光栅温度传感器(32)、若干个光栅孔压传感器(33)、若干根传导光纤(34)、光纤解调器(35)；所述的若干个光栅位移传感器(31)通过若干根传导光纤(34)串联，分层布置在软土材料内部，用于感知软土材料内部位移；所述的若干个光栅温度传感器(32)通过若干根传导光纤(34)串联，分层布置在软土材料内部，用于感知软土材料内部温度；所述的若干个光栅孔压传感器(33)通过若干根传导光纤(34)串联，分层布置在软土材料内部，用于感知软土材料内部孔压；所述的若干根传导光纤(34)分别将若干个光栅位移传感器(31)、若干个光栅温度传感器(32)、若干个光栅孔压传感器(33)和光纤解调器(35)连接，用于传输光信号；所述的光纤解调器(35)用于将传导光纤(34)传输回来的光信号解调为电信号。

2.根据权利 要求1所述的模型试验装置，其特征在于：分段模型桶(11)为顶底开口的圆形管状结构，具有较高的透光度和机械强度，各分段模型桶(11)之间通过若干个法兰盘(13)密封连接，可根据需要自由拼装；圆形底座(12)与最下层分段模型桶(11)之间通过法兰盘(13)密封连接；模型箱(1)内透水结构上可分层填筑软土材料；模型箱(1)一侧设有若干个不同高度的测压孔(16)用于连接测压管(222)，测压孔(16)处设置有透水石(17)和土工布(15)，防止软土材料流入测压管(222)；模型箱(1)底部透水结构处侧面设有进/排水口(18)用于供水。

3.根据权利 要求1所述的模型试验装置，其特征在于：所述的水位控制与监测装置(2)包括水位控制装置(21)和水位监测装置(22)；

所述的水位控制装置(21)包括水箱(211)、蠕动泵(212)、注水瓶(213)、三根注水管(214)、升降支架(215)；所述的水箱(211)用于盛放去离子水，通过注水管(214)依次与蠕动泵(212)、注水瓶(213)连接，利用蠕动泵(212)将水箱(211)中的水输送至注水瓶(213)；所述的注水瓶(213)通过升降支架(215)固定于水箱(211)正上方，注水瓶(213)高度可通过升降支架(215)调节；所述的注水瓶(213)一侧设有溢流口(216)，当注水瓶(213)内水位高于溢流口(216)时，水将从溢流口(216)流出并落入水箱(211)，保证注水瓶(213)内水位始终处于溢流口(216)高度；注水瓶(213)和模型箱(1)的进/排水口(18)之间通过注水管(214)连接，注水瓶(213)内水在重力作用下沿注水管(214)流入进/排水口(18)，注水的水位高度由注水瓶(213)溢流口(216)高度决定，通过升降支架(215)调节注水瓶(213)高度可控制注水的水位高度；

所述的水位监测装置(22)由若干根塑料软管(221)和若干根测压管(222)组成；若干根测压管(222)通过若干根塑料软管(221)与模型箱(1)的若干个测压孔(16)连接，用于观测模型箱(1)中不同高度软土材料内水位变化。

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