CN115031881B - 基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统及方法，该监测系统包括感测模块和测试模块；感测模块包括平板组件、超弱反射光纤光栅、信号传输光纤和承载组件；承载组件包括多个均布排列的圆形承载筒；超弱反射光纤光栅穿过圆形承载筒侧壁并通过信号传输光纤与测试模块连接。本发明在对土应力监测前首先在标定台上通过加载装置、第一标定平板和第二标定平板对单个圆形承载筒进行标定试验，得到超弱光栅的径向应变‑承载筒轴向应力关系，然后对土应力进行二维分布监测，得到第一平板上的面域土应力分布。本发明实现了对二维平面上土应力的高精度、全自动、分布式的快速测量，克服了传统光纤一维测试、监测数据量小、精度不够的技术缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及土应力监测系统及方法，尤其涉及一种基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统及方法。
背景技术
结构健康监测是工程建设及运行最重要的内容之一。传统的监测技术，如电法、磁法在监测应变、应力时均为点式测量，容易漏检导致存在盲区，且实时、并行和自动化监测程度低，无法获取详细的地下信息。
光纤作为迅速发展起来的一种新型传感技术，具有感测距离长、无源、抗干扰性强、耐久性和匹配性好、易组网等优点，在岩土工程结构健康监测中具有广阔的前景。
光纤布拉格光栅(FBG)作为一种典型的光纤监测技术，通过串联数个光栅，能够准分布式获取被测对象的温度或应变变化。基于应变与应力的标定关系，可以获得土体应力的监测结果。然而，现有的FBG传感技术只能测得一维方向上离散的应变分布，且受带宽的限制，单根光纤上可布设的FBG数量有限，在实际应用中通常小于10个。
因此，传统的FBG土应力传感器不能满足对平面内或关键地质界面的应力分布监测需求。而如何克服传统光纤一维性、监测数据量小和精度不够的问题，进而获取更加准确的二维分布数据，成为亟需解决的技术问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的不足之处，本发明提出一种基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统及方法，以获取平面内或关键工程地质界面应力监测中更加准确的二维分布数据，实现对土体应力在二维平面上高精度、全自动、分布式的监测，克服传统光纤一维性、监测数据量小、精度不够的问题，解决二维平面内应力分布监测的难题。
技术方案：本发明基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统包括感测模块和测试模块；
感测模块包括平板组件、超弱反射光纤光栅、信号传输光纤和承载组件；
承载组件包括多个均布排列的圆形承载筒；超弱反射光纤光栅穿过圆形承载筒侧壁并通过信号传输光纤与测试模块连接；
平板组件包括第一平板和第二平板；
测试模块包括光纤解调仪和计算机。
圆形承载筒侧壁中部开设通孔，超弱反射光纤光栅穿过圆形承载筒的通孔与信号传输光纤和光纤解调仪连接。
通孔包括第一侧壁通孔和第二侧壁通孔，超弱反射光纤光栅穿过并固定在第一侧壁通孔和第二侧壁通孔上。
超弱反射光纤光栅包括超弱光栅和光纤传输段，超弱光栅位于圆形承载筒的横截面中心。
圆形承载筒为金属薄壁圆形承载筒。
平板组件还包括标定试验平板单元，标定试验平板单元包括第一标定平板和第二标定平板。
本发明基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测方法包括以下步骤：
(1)对单个圆形承载筒进行标定：
(1.1)在圆形承载筒的侧壁中部开设通孔，在平行的第一标定平板和第二标定平板之间布设并固定圆形承载筒；
(1.2)将超弱反射光纤光栅穿过通孔，并使超弱反射光纤光栅的超弱光栅位于圆形承载筒的横截面中心，在通孔处固定超弱反射光纤光栅的光纤传输段；将超弱反射光纤光栅通过信号传输光纤与光纤解调仪和计算机连接；
(1.3)在标定台上通过加载装置、第一标定平板和第二标定平板对单个圆形承载筒进行单轴无侧限压缩试验，通过光纤解调仪读取超弱反射光纤光栅在圆形承载筒加载过程中的径向应变数据；同时读取标定台施加的载荷及应力数据，确定在荷载作用下圆形承载筒内超弱光栅的径向应变-承载筒轴向应力关系，绘制标定曲线；
(2)对土应力进行二维分布监测：
(2.1)在承载组件中均布排列的圆形承载筒侧壁中部开设通孔，在平行的第一平板和第二平板之间固定圆形承载筒；
(2.2)将超弱反射光纤光栅穿过步骤(2.1)中开设的通孔，并使超弱光栅位于圆形承载筒的横截面中心，在通孔处锚固光纤传输段；将超弱反射光纤光栅通过信号传输光纤与光纤解调仪和计算机连接；
(2.3)将步骤(2.1)和步骤(2.2)布设的承载组件、第一平板、第二平板和超弱反射光纤光栅埋置于模型箱的土体内，在第一平板上使用钢板对圆形承载筒进行分级堆载；第一平板将扩散的应力传递给圆形承载筒，使圆形承载筒产生应变；通过光纤解调仪采集圆形承载筒内超弱光栅的径向应变数据；根据超弱光栅的径向应变数据以及步骤(1.3)中绘制的标定曲线计算出圆形承载筒所受的轴向应力，通过所有发生应变的圆形承载筒所受的轴向应力大小及分布，得到第一平板上土体应力分布，进而反映土体在荷载作用下应力扩散的大小及范围。
步骤(1.3)中，在标定台上通过加载装置、第一标定平板和第二标定平板对单个圆形承载筒采用匀速加载方式进行单轴无侧限压缩试验。
步骤(2.3)中，取第一平板的一个方向为x轴，第一平板中与x轴垂直的方向为y轴，第一平板的中心为原点；对第一平板施加多级荷载，根据x轴及y轴上圆形承载筒内超弱光栅的径向应变数据及步骤(1.3)中标定曲线中确定的超弱光栅的径向应变-承载筒轴向应力关系，换算得到不同荷载条件下x轴及y轴方向上各个圆形承载筒所受的轴向应力大小及分布，进而得到第一平板上土体应力分布。
步骤(2.3)中，根据x轴及y轴方向上各个圆形承载筒的应力分布数据，获取第一平板上土体面域应力分布。
工作原理：本发明在对土应力监测前，首先在标定台上通过加载装置、第一标定平板和第二标定平板对单个圆形承载筒进行标定试验，得到超弱光栅的径向应变-承载筒轴向应力关系，然后对土应力进行二维分布监测，具体过程为，将感测模块放置于土体下部，平板间各个薄壁金属承载筒侧壁中心层在加载作用下产生径向应变，结合标定试验建立的超弱光栅的应变-应力关系，得到第一平板上的面域土应力分布。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于应变-应力相关关系，实现了对二维平面上土应力的高精度、全自动、分布式的快速测量，克服了传统光纤一维测试、监测数据量小、精度不够的技术缺陷。
(2)本发明适用于获取平面上土体二维应力分布，也可用于工程实践中关键工程地质界面的面域应力监测。
附图说明
图1是本发明基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统结构示意图；
图2是本发明基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统的局部结构示意图；
图3为本发明的应变-应力标定试验示意图；
图4为本发明单个承载筒的标定曲线图；
图5为本发明实施例中加载细节示意图；
图6为本发明实施例中测得的应力分布曲线图。
具体实施方式
如图1至图5所示，本发明基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统包括感测模块和测试模块。其中，感测模块包括平板组件2、应变感测光纤3、信号传输光纤4和承载组件。该承载组件包括多个均布排列的圆形承载筒1。测试模块包括光纤解调仪5和计算机6。在对土应力进行监测时，要对圆形承载筒1进行标定，以获取在荷载作用下承载筒1内超弱光栅31的应变-应力关系。在标定试验中，取单个圆形承载筒作为试验对象在标定台上对单个圆形承载筒1采用匀速加载方式进行单轴无侧限压缩试验。
应变感测光纤3为超弱反射光纤光栅，该超弱反射光纤光栅3包括超弱光栅31和光纤传输段32。超弱反射光纤光栅3穿过圆形承载筒1并与圆形承载筒的第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔12锚固连接，使每个超弱光栅31位于每个圆形承载筒1内部的横截面中心。信号传输光纤4头部与超弱反射光纤光栅3尾部熔接。信号传输光纤4尾部与光纤解调仪5信号连接，作为数据采集端口。光纤解调仪5与计算机6信号连接。
该圆形承载筒1为金属薄壁圆形承载筒。平板组件2包括标定试验平板单元和实施用平板单元，标定试验平板单元包括第一标定平板211和第二标定平板221。实施用平板单元包括第一平板21和第二平板22。
实施用平板单元中，在平行的第一平板21和第二平板22之间以相同间距布设金属薄壁的圆形承载筒1的阵列。各个圆形承载筒1侧壁中部径向开设通孔，该通孔包括第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔12。圆形承载筒1与第一平板21和第二平板22之间焊接连接。
超弱反射光纤光栅3穿过第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔12，并在孔口处锚固光纤传输段32，然后以信号传输光纤4熔接穿过圆形承载筒1侧壁的超弱反射光纤光栅3，串联到光纤解调仪5采集端口，并与计算机6连接，在应变感测光纤3和信号传输光纤4的熔接过程中，采用热缩管保护熔接点，实现完整的传感系统连通。
在标定试验平板单元中，在平行的第一标定平板211和第二标定平板221之间布设一个金属薄壁的圆形承载筒1。该圆形承载筒1的侧壁中部径向开设通孔，该通孔包括第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔12。圆形承载筒1与第一平板21和第二平板22之间焊接连接。超弱反射光纤光栅3穿过第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔12，并在孔口处锚固光纤传输段32，然后以信号传输光纤4熔接穿过圆形承载筒1侧壁的超弱反射光纤光栅3，串联到光纤解调仪5采集端口，并与计算机6连接。
该圆形承载筒1由具有线弹性应力-应变关系的金属材料制成，例如不锈钢、铝合金。本实施例中，该圆形承载筒1外径20～50mm，壁厚为1～3mm。第一侧壁通孔11和第二侧壁通孔12的直径为2～3mm，各圆形承载筒1之间的间距为50～100mm。
第一平板21、第二平板22、第一标定平板211和第二标定平板221均为金属薄板，壁厚4～10mm。
本实施例中，该标定试验中第一标定平板211和第二标定平板221的直径为1.13倍的承载筒净间距，超弱反射光纤光栅3直径为0.9mm，超弱反射光纤光栅的间距与圆形承载筒1间距保持一致。
如图2和3所示，在平行的第一标定平板211和第二标定平板221之间布设一个金属薄壁圆形承载筒1，在专用标定台上对单个金属承载筒1采用匀速加载方式进行单轴无侧限压缩试验，通过连接固定在标定台上的应变感测光纤3到解调仪5，读取承载筒1内的应变数据；同时自动读取标定台施加的载荷及应力数据，确定上部受荷作用下承载筒1内超弱光栅31的应变-应力关系，如图4所示。
如图5～6所示，感测模块埋置于模型箱土体下部，在其上部使用加载钢板7进行分级堆载，土体受到载荷作用后应力向下扩散。S为土层。
本发明基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测方法包括以下步骤：
(1)对单个圆形承载筒进行标定，具体过程如下：
(1.1)在圆形承载筒1的侧壁中部对称开设通孔，在平行的第一标定平板21和第二标定平板22之间以相同间距布设并固定该圆形承载筒1；本发明中的圆形承载筒为金属薄壁圆形承载筒；
(1.2)将超弱反射光纤光栅3穿过步骤(1.1)的通孔，并使超弱光栅31位于圆形承载筒1的横截面中心，然后在该通孔处锚固超弱反射光纤光栅3的光纤传输段32；将信号传输光纤4头部与超弱反射光纤光栅3尾部熔接，将信号传输光纤4尾部与光纤解调仪5连接，将光纤解调仪5与计算机6连接；
(1.3)在标定台上通过加载装置、第一标定平板和第二标定平板对单个圆形承载筒1采用匀速加载方式进行单轴无侧限压缩试验，通过光纤解调仪5读取超弱反射光纤光栅3在该圆形承载筒1加载过程中的应变数据；同时读取标定台施加的载荷及应力数据，确定圆形承载筒1在受荷载作用下时超弱光栅31的应变-应力关系，同一级荷载下重复上述步骤三次，取均值并剔除异常数据，绘制标定曲线。
其中，圆形承载筒在荷载作用下轴向受压，在轴向受压状态下，圆形承载筒及固定在圆形承载筒内的超弱光栅31发生径向应变；圆形承载筒的径向应变在图2中采用灰色箭头标出。
在标定试验中，圆形承载筒1所受轴向应力和径向应变都直接读出，并根据轴向应变和径向应变绘制标定曲线。其中，圆形承载筒所受的轴向应力是上部荷载在标定用的单个承载筒上的应力，通过已知的荷载直接转换成单位面积的承载应力。圆形承载筒1在荷载作用下产生的径向应变为超弱光栅的应变，该应变通过光纤解调仪5读出。
(2)对土应力进行二维分布监测：
(2.1)在承载组件中均布排列的圆形承载筒1侧壁中部开设通孔，在平行的第一平板21和第二平板22之间均布固定所述圆形承载筒1；
(2.2)将超弱反射光纤光栅3穿过步骤(2.1)中开设的通孔，并使超弱光栅31位于所述圆形承载筒的横截面中心，然后在所述通孔处锚固光纤传输段32；将超弱反射光纤光栅3通过信号传输光纤4与光纤解调仪5和计算机连接；
(2.3)将步骤(2.1)和步骤(2.2)布设的承载组件、第一平板21、第二平板22和超弱反射光纤光栅3埋置于模型箱的土体内，在第一平板21上部使用钢板7对圆形承载筒1进行分级堆载；第一平板21将扩散的应力传递给圆形承载筒1，使圆形承载筒1产生应变；通过光纤解调仪5和计算机6采集圆形承载筒1内超弱光栅31的径向应变数据。根据该超弱光栅31的径向应变数据以及步骤(1.3)中绘制的标定曲线计算出圆形承载筒1所受的轴向应力，通过所有发生应变的圆形承载筒1所受的轴向应力大小及分布，进而得到第一平板21上土体应力分布，进而反映土体在荷载作用下应力扩散的大小及范围。
具体如图5所示，第一平板21与第二平板22构成一对为圆形承载筒1在加载后提供应力传递的平台，第一平板21充当承受荷载和传递荷载给圆形承载筒1和超弱反射光纤光栅3的媒介。第二平板22对圆形承载筒1起支撑作用，使圆形承载筒1感测的应力被记录而不至于完全扩散到下方土体中。第一平板21感测到扩散的应力后，传递给圆形承载筒1发生径向应变，通过光纤解调仪5和计算机6采集圆形承载筒1内超弱光栅31的径向应变数据以反映上部荷载作用下土体内应力扩散的大小及影响范围，其中，8为应力扩散区。
取第一平板21的一个长度方向为x轴，另一个与x轴垂直的方向为y轴，第一平板21的中心为原点。对第一平板21分别施加三级荷载，本实施例中，荷载为20kPa、50kPa和100kPa。根据x轴上各个圆形承载筒1内的应变数据及标定曲线确定的应力-应变关系，计算得到不同荷载条件下x轴方向上各个圆形承载筒1所受的轴向应力大小及分布，根据各圆形承载筒1距原点的距离x及计算得到的轴向应力σ绘制曲线如图6所示。由图6推知不同荷载条件下的不同应力的影响范围。同理，y轴方向上各圆形承载筒所受的应力也由上述方法得到。进而获得不同x轴及y轴方向上各圆形承载筒应力分布数据，以获取最终的土体面域应力分布及影响范围。
Claims (4)
1.一种基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统，其特征在于：包括感测模块和测试模块；
所述感测模块包括平板组件(2)、超弱反射光纤光栅(3)、信号传输光纤(4)和承载组件；
所述承载组件包括多个均布排列的圆形承载筒(1)；所述超弱反射光纤光栅(3)穿过圆形承载筒(1)侧壁并通过信号传输光纤(4)与测试模块连接；
所述平板组件(2)包括第一平板(21)和第二平板(22)；
所述测试模块包括光纤解调仪(5)和计算机(6)；
所述圆形承载筒(1)侧壁中部开设通孔，所述超弱反射光纤光栅(3)穿过所述圆形承载筒(1)的通孔与信号传输光纤(4)和光纤解调仪(5)连接；
所述通孔包括第一侧壁通孔(11)和第二侧壁通孔(12)，所述超弱反射光纤光栅(3)穿过并固定在第一侧壁通孔(11)和第二侧壁通孔(12)上；
所述超弱反射光纤光栅(3)包括超弱光栅(31)和光纤传输段(32)，所述超弱光栅(31)位于所述圆形承载筒(1)的横截面中心；
所述平板组件还包括标定试验平板单元，所述标定试验平板单元包括第一标定平板(211)和第二标定平板(221)；
所述基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测方法包括以下步骤：
(1)对单个圆形承载筒进行标定：
(1.1)在圆形承载筒(1)的侧壁中部开设通孔，在平行的第一标定平板(211)和第二标定平板(221)之间布设并固定所述圆形承载筒(1)；
(1.2)将超弱反射光纤光栅(3)穿过所述通孔，并使超弱反射光纤光栅的超弱光栅(31)位于圆形承载筒(1)的横截面中心，在所述通孔处固定超弱反射光纤光栅的光纤传输段(32)；将超弱反射光纤光栅(3)通过信号传输光纤(4)与光纤解调仪(5)和计算机连接；
(1.3)在标定台上通过加载装置、第一标定平板(211)和第二标定平板(221)对单个圆形承载筒(1)进行单轴无侧限压缩试验，通过光纤解调仪(5)读取超弱反射光纤光栅(3)在所述圆形承载筒(1)加载过程中的径向应变数据；同时读取标定台施加的载荷及应力数据，确定在荷载作用下圆形承载筒(1)内超弱光栅(31)的径向应变-承载筒轴向应力关系，绘制标定曲线；
(2)对土应力进行二维分布监测：
(2.1)在承载组件中均布排列的圆形承载筒(1)侧壁中部开设通孔，在平行的第一平板(21)和第二平板(22)之间固定圆形承载筒(1)；
(2.2)将超弱反射光纤光栅(3)穿过步骤(2.1)中开设的通孔，并使超弱光栅(31)位于所述圆形承载筒的横截面中心，在所述通孔处锚固光纤传输段(32)；将超弱反射光纤光栅(3)通过信号传输光纤(4)与光纤解调仪(5)和计算机连接；
(2.3)将步骤(2.1)和步骤(2.2)布设的承载组件、第一平板(21)、第二平板(22)和超弱反射光纤光栅(3)埋置于模型箱的土体内，在第一平板(21)上使用钢板(7)对圆形承载筒(1)进行分级堆载；第一平板(21)将扩散的应力传递给圆形承载筒(1)，使圆形承载筒(1)产生应变；通过光纤解调仪(5)采集圆形承载筒(1)内超弱光栅(31)的径向应变数据；根据所述超弱光栅(31)的径向应变数据以及步骤(1.3)中绘制的标定曲线计算出圆形承载筒(1)所受的轴向应力，通过所有发生应变的圆形承载筒(1)所受的轴向应力大小及分布，得到第一平板(21)上土体应力分布，进而反映土体在荷载作用下应力扩散的大小及范围；
步骤(2.3)中，取第一平板(21)的一个方向为x轴，第一平板中与x轴垂直的方向为y轴，第一平板(21)的中心为原点；对第一平板(21)施加多级荷载，根据x轴及y轴上圆形承载筒(1)内超弱光栅(31)的径向应变数据及步骤(1.3)中标定曲线中确定的超弱光栅的径向应变-承载筒轴向应力关系，换算得到不同荷载条件下x轴及y轴方向上各个圆形承载筒(1)所受的轴向应力大小及分布，进而得到第一平板(21)上土体应力分布。
2.根据权利要求1所述的基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统，其特征在于：所述圆形承载筒(1)为金属薄壁圆形承载筒。
3.根据权利要求1所述的基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统，其特征在于：步骤(1.3)中，在标定台上通过加载装置、第一标定平板(211)和第二标定平板(221)对单个圆形承载筒(1)采用匀速加载方式进行单轴无侧限压缩试验。
4.根据权利要求1所述的基于超弱反射光纤光栅的土应力二维分布监测系统，其特征在于：步骤(2.3)中，根据x轴及y轴方向上各个圆形承载筒的应力分布数据，获取第一平板(21)上土体面域应力分布。
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