一種基於光頻域反射的土體多向應力監測裝置及方法
2024-04-16 01:40:05
1.本發明涉及土體應力監測裝置，尤其涉及一種基於光頻域反射的土體多向應力監測裝置及方法。
背景技術：
2.在實際工程中，如何得到真實的土體應力大小一直是巖土工程監測的重點和難點。傳統的土壓力傳感器一般由金屬材料製成，變形剛度較大，其安裝對土體應力場擾動很大，因此不能準確測量土體應力。此外，傳統的土壓力傳感器包括振弦式、電感式和差動電阻式。振弦式土壓力傳感器原理為利用內置鋼弦的自振頻率與鋼弦所受到的外加張力關係式測得土壓力；電感式土壓力傳感器是根據電磁感應原理，利用線圈電感的變化來實現非電量電測，將土壓力轉換為電感量變化；差動電阻式土壓力傳感器原理為利用內腔中彈性鋼絲在力和溫度變化下發生彈性變形，其變形值與鋼絲電阻成線性關係，通過電阻變化得到監測值。這些傳感器均存在著長期穩定性較差、耐久性差、易受電磁幹擾等不足，不能滿足信息化自動化實時監測的要求。
3.隨著光纖傳感技術的迅速發展，光纖傳感器因其響應快、耐腐蝕、抗電磁幹擾、體積小巧、可自動化實時監測等諸多優點，被廣泛地運用於巖土工程監測領域。而如何基於光纖傳感技術來對土體應力進行精確監測，成為一個亟需解決的技術問題。
4.目前應用於土體應力監測的光纖傳感技術主要為光纖光柵技術，且光纖光柵通常黏貼於一彈性膜片上，通過監測膜片的應變來推算沿膜片法向的應力，因此該技術大多為準分布式、單向監測，不能實現多方向應力監測。近年來，雖然已有學者基於光纖光柵技術發明了多向土應力監測裝置，但這些多向土應力監測裝置往往由多個單向土壓力盒構成，具有體積過大、出線複雜、安裝繁瑣等劣勢。部分學者在此基礎上進行改進，研發了光纖光柵多向土應力的一體化監測傳感器，然而這些傳感器殼體為剛度很大的金屬材料，只適用於巖體深部的地應力監測，而對較小的應力不敏感，因此不適用於土應力監測。此外，光纖光柵土應力傳感器在受力不均時或溫度變化較大時，均易引起監測誤差。
技術實現要素：
5.發明目的：針對現有技術中存在的不足之處，本發明提供一種基於光頻域反射的土體多向應力監測裝置及方法，該監測裝置及監測方法實現了全方位的土應力自動化監測，且剛度小、靈敏度高，彌補了傳統的土壓力傳感器單向監測、長期穩定性差、耐久性差、易受電磁幹擾、對原土體應力場擾動大的技術缺陷。
6.技術方案：為實現上述目的，本發明基於光頻域反射的土體多向應力監測裝置包括環式傳感器、光頻域反射解調儀和光纖數據處理模塊；
7.環式傳感器包括薄壁圓環、應變感測光纖和溫度感測光纖；
8.薄壁圓環由彈性模量等於土體壓縮模量的材料製成；
9.應變感測光纖和溫度感測光纖採用環氧樹脂粘貼在薄壁圓環開設的u型槽內。
10.本發明基於光頻域反射的土體多向應力監測方法包括以下步驟：
11.(1)沿薄壁圓環呈環向開兩個u型槽，利用環氧樹脂將應變感測光纖和溫度感測光纖固定在u型槽內，應變感測光纖全長採用環氧樹脂粘貼在薄壁圓環的u型槽內，而溫度感測光纖通過環氧樹脂定點固定在薄壁圓環的u型槽內；薄壁圓環、應變感測光纖和溫度感測光纖共同構成環式傳感器，並將環式傳感器埋設在待監測應力的土體中；
12.(2)將應變感測光纖和溫度感測光纖通過光纖跳線與光頻域反射解調儀相連；
13.(3)利用光頻域反射解調儀實時採集應變感測光纖和溫度感測光纖的應變數據；
14.(4)將應變感測光纖的應變數據減去溫度感測光纖的應變數據，得到環式傳感器的實時環向應變ε
θ
；
15.其中，實時環向應變包含了很多數值，由實時環向應變形成的曲線包括有最大值與最小值，該最大值與最小值的位置與土體實際應力方向有關，θ值表示的是坐標系中的角度。
16.(5)當土體應力發生變化時，薄壁圓環和應變感測光纖隨土體發生變形，光頻域反射解調儀對環式傳感器進行環向應變數據實時採集，將採集到的實時環向應變數據傳輸至光纖數據處理模塊，基於彈性力學理論計算待測位置的土體的球應力σ0和偏應力σr，進而計算得到待測位置的土體應力σ：
17.過程為：
[0018][0019]
式中，σ0代表土體所受球應力；e為薄壁圓環的彈性模量；ν為泊松比；r1為薄壁圓環外徑，r2為薄壁圓環內徑；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應變值；
[0020]
假設薄壁圓環(1)受純彎曲作用，在受偏應力後薄壁圓環的橫截面由圓形變成了橢圓形，假設在小變形的情況下，薄壁圓環內外徑與橢圓長短軸之間滿足以下關係：
[0021]
a-rm＝r
m-b
[0022]
式中，a為橢圓半長軸，b為橢圓半短軸，rm為管體內外半徑平均值；
[0023]
設橢圓長軸方向為x軸，短軸方向為y軸；橢圓與x軸交點為a點，與y軸交點為b點；b點監測應變值為壓應變，且應變值最小；a點應監測的應變為拉應變，且應變值最大；土體所受偏應變與其所引起的環式傳感器環向應變之間存在如下關係：
[0024][0025]
式中，σr代表土體所受偏應力；ν為泊松比；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應變值；θ代表圖3中由x軸正向沿第一象限向y軸正向旋轉的角度，取值範圍為0
°‑
360
°
；k為常數，通過標定試驗確定；
[0026]
得出
[0027][0028]
式中，σ0代表土體所受球應力；σr代表土體所受偏應力；e為薄壁圓環的彈性模量；ν為泊松比；r1為薄壁圓環外徑；r2為薄壁圓環內徑；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應
變值；θ代表圖3中由x軸正向沿第一象限向y軸正向旋轉的角度，取值範圍為0
°‑
360
°
；k為常數，通過標定試驗確定。
[0029]
步驟(1)中，沿薄壁圓環的環向所刻u型槽的深度與應變感測光纖或溫度感測光纖的直徑相同，用以增加光纖與薄壁圓環的接觸面積，保證變形過程中光纖與薄壁圓環耦合良好。
[0030]
薄壁圓環的側面塗抹減小摩擦力的凡士林。
[0031]
步驟(1)中的溫度感測光纖用於溫度補償。
[0032]
步驟(1)中的薄壁圓環的頂端和底端封口。
[0033]
工作原理：光纖領域中的光頻域反射(ofdr)技術是一種基於瑞利散射光變化的應變監測技術，光源發出線性掃描的連續光被耦合器分為兩路，其中一束作為參考光，另一束作為探測光發射到待測光纖中。探測光在光纖中向前傳播時會不斷產生瑞利散射信號，這些信號光與反射回來的參考光經過耦合器並發生拍頻幹涉，之後被光電探測器檢測。當光纖內部某點的溫度或應變發生變化時，光纖內部折射率會發生變化，相應的瑞利散射信號光的頻率也會有變化。通過對光纖背向瑞利散射信號的頻率進行監測，進而得到外界溫度場或應變場的變化。
[0034]
當土體應力場發生變化時，環式傳感器隨之產生相應變形，其環向應變也隨之產生變化。黏貼在薄壁圓環上的光纖能感測環式傳感器的環向應變的變化，光纖內部背向瑞利散射信號的頻率發生漂移，光頻率漂移量與光纖應變呈線性關係。通過對光頻率漂移量的監測，得到環式傳感器的環向應變數據。利用所得的環式傳感器環向應變來計算待測位置的土應力分布。
[0035]
本發明在進行監測時，根據監測需要將環式傳感器埋設在待監測應力的土體中，當土體應力場發生變化時，薄壁圓環隨土體發生變形，其環向應變也隨之產生變化；光頻域反射解調儀連續採集應變感測光纖和溫度感測光纖的應變數據，將溫度感測光纖作為參考光纖，對應變感測光纖的應變數據進行溫度補償後，得到環式傳感器的實時環向應變；將實時環向應變數據傳輸至光纖數據處理模塊，基於彈性力學理論計算，得到原位土應力的變化。
[0036]
步驟(5)中，利用環向應變計算土體應力。無論土體處於何種應力狀態，都可以將其分解為球應力和偏應力。
[0037]
第一部分是計算土體所受球應力。土體所受球應力與其所引起的環式傳感器環向應變之間存在如下關係：
[0038][0039]
式中，σ0代表土體所受球應力；e為薄壁圓環的彈性模量；ν為泊松比；r1為薄壁圓環外徑，r2為薄壁圓環內徑；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應變值。
[0040]
第二部分是計算偏應力。假設薄壁圓環受純彎曲作用，在受偏應力後薄壁圓環的橫截面由圓形變成了橢圓形，假設在小變形的情況下，薄壁圓環內外徑與橢圓長短軸之間滿足以下關係：
[0041]
a-rm＝r
m-b
[0042]
式中，a為橢圓半長軸，b為橢圓半短軸，rm為管體內外半徑平均值。
[0043]
設橢圓長軸方向為x軸，短軸方向為y軸；橢圓與x軸交點為a點，與y軸交點為b點。b點監測應變值為壓應變，且應變值最小；a點應監測的應變為拉應變，且應變值最大。土體所受偏應變與其所引起的環式傳感器環向應變之間存在如下關係：
[0044][0045]
式中，σr代表土體所受偏應力；ν為泊松比；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應變值；θ代表圖3中由x軸正向沿第一象限向y軸正向旋轉的角度，取值範圍為0
°‑
360
°
；k為常數，通過標定試驗確定。
[0046]
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
[0047]
(1)採用本發明基於光頻域反射的土體多向應力監測裝置，實現了全方位的土應力實時監測，具有響應快、耐腐蝕、抗電磁幹擾等優點，彌補了傳統土壓力傳感器單向監測的劣勢，同時滿足信息化、自動化實時監測的要求。
[0048]
(2)薄壁圓環由彈性模量等於土體的材料製成，體積小，安裝方便，且對原應力場幹擾小。
[0049]
(3)光頻域反射解調儀空間解析度高，可實現高精度、高靈敏度監測。
[0050]
(4)應變感測光纖與薄壁圓環利用環氧樹脂直接黏貼，兩者耦合性好，可實時動態監測土應力。
[0051]
(5)松套結構的溫度感測光纖作為參考光纖，用於溫度補償，消除土體內溫度變化對應變監測的幹擾。
[0052]
(6)薄壁圓環表面塗抹一層凡士林，有效減小土體與環式傳感器之間的表面摩擦力對監測結果的影響。
附圖說明
[0053]
圖1為本發明基於光頻域反射的土體多向應力監測裝置的結構示意圖；
[0054]
圖2為本發明實施例1中室內位移加載作用下土體應力監測裝置示意圖；
[0055]
圖3為本發明的環式傳感器的變形分析圖；
[0056]
圖4為本發明實施例中光纖應變曲線圖；
[0057]
圖5為本發明實施例中計算應力擬合圖。
具體實施方式
[0058]
本發明中，由加載、卸載或開挖及其它措施都將導致土應力改變，本實施例中以室內位移加載為例進行闡述。
[0059]
如圖1至2所示，本實施例中室內位移加載作用下土體應力監測裝置包括薄壁圓環1、應變感測光纖2、溫度感測光纖3、光纖跳線4、光頻域反射解調儀5、光纖數據處理模塊6、試驗模型箱7和加載裝置8。沿薄壁圓環1環向開u型槽，並利用環氧樹脂將監測段光纖2和溫度感測光纖3黏貼在槽內；其中，應變感測光纖2為緊套結構，全長均用環氧樹脂粘貼在薄壁圓環1的u型槽內。而溫度感測光纖3為不受應變影響的松套結構，通過環氧樹脂定點固定在薄壁圓環1的u型槽內，兩者通過光纖跳線4分別與光頻域反射解調儀5相連；根據監測需要將環式傳感器埋設在待測土應力的土體中，當土體受荷後，薄壁圓環1隨土體發生變形，應
變感測光纖也隨之產生應變；光頻域反射解調儀5進行應變數據實時採集，將所有採集到的應變數據傳輸至光纖數據處理模塊6，基於彈性力學理論進行計算，進而得到原位土應力的變化。
[0060]
本發明實施例中，對土體多向應力的監測方法的具體步驟包括：
[0061]
(1)沿薄壁圓環1環向開兩個u型槽，u型槽的深度與應變感測光纖或溫度感測光纖的直徑相同，應變感測光纖2全長均用環氧樹脂粘貼在薄壁圓環1的u型槽內，而溫度感測光纖3通過環氧樹脂定點固定在薄壁圓環1的u型槽內。薄壁圓環1、應變感測光纖2、溫度感測光纖3共同構成環式傳感器，並將環式傳感器埋設在待監測應力的土體中；
[0062]
(2)根據監測需要，將薄壁圓環1布設在模型箱7正中間的位置後，採用落砂法進行填土；
[0063]
(3)應變感測光纖2和溫度感測光纖3通過熔接的方式與光纖跳線4連接，並利用熱縮管對熔接位置進行保護，之後將光纖跳線4與光頻域反射解調儀5相連；
[0064]
(4)利用光頻域反射解調儀5實時採集應變感測光纖2和溫度感測光纖3的應變數據，並將應變感測光纖2應變數據減去溫度感測光纖3的應變數據，得到環式傳感器的實時環向應變ε
θ
；
[0065]
(5)利用加載裝置8對模型箱內的土體施加側向荷載，利用勻速位移加載方式進行加載，設置加載級數為五級，每級加載側向板位移為0.2mm，位移穩定後讀取加載荷載值。光頻域反射解調儀5在加載過程中進行環向應變數據實時採集，將所有採集到的實時環向應變數據傳輸至光纖數據處理模塊6；
[0066]
(6)得到實時環向應變數據後，基於彈性力學理論計算測點的土體的球應力σ0和偏應力σr，
[0067]
其中，步驟5中，土體所受球應力σ0與其所引起的環式傳感器環向應變之間存在如下關係：
[0068][0069]
式中，σ0為土體所受球應力；e為薄壁圓環的彈性模量，ν為泊松比，r1為薄壁圓環外徑，r2為薄壁圓環內徑；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應變值。
[0070]
步驟5中，計算土體偏應力σr時，假設環式傳感器受純彎曲作用，受到偏應力後薄壁圓環橫截面由圓形變為橢圓形，土體所受偏應力與其所引起的環式傳感器環向應變之間存在如下關係：
[0071][0072]
式中，σr代表土體所受偏應力；θ代表圖3中由x軸正向沿第一象限向y軸正向旋轉的角度，取值範圍為0
°‑
360
°
；k為常數，可根據標定試驗獲得；ν為泊松比；ε
max
為最大環向應變值；ε
min
為最小環向應變值。
[0073]
進而在步驟6中計算得到待測位置的土體應力σ：
[0074]
[0075]
式中，σ0代表土體所受球應力，σr代表土體所受偏應力，e為薄壁圓環的彈性模量，ν為泊松比，r1為薄壁圓環外徑，r2為薄壁圓環內徑；ε
max
為最大應變值；ε
min
為最小應變；θ代表圖3中由x軸正向沿第一象限向y軸正向旋轉的角度，k為常數，通過標定試驗確定。
[0076]
在本實例中，如圖4中的應變數據曲線所示，光纖應變數據呈餘弦函數分布，且不同加載級數下的應變分布曲線趨勢基本一致。隨加載級數的增加，監測所得的應變峰值也在逐漸增加。
[0077]
根據環式傳感器的環向應變數據，得到待測位置的土體多向應力分布。從該圖5中看出，環式傳感器能測量全方位的土應力大小，根據應力分布來確定土應力的最大值和最小值，即最大主應力和最小主應力。而最小主應力方向垂直於加載方向，隨著加載級數的增加，最大主應力，即加載方向的土體應力的大小逐級增加，而最小主應力的大小不變。