岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器，对光纤护套表面进行粗糙度处理，通过传感光纤的喷砂颗粒表面与岩土体颗粒之间的咬合、嵌固以及摩擦作用，来实现传感光纤与岩土介质之间的界面相容；首先，要确定不同地层岩土介质粗糙度值，然后根据待埋设地层的粗糙度特征值，对光纤护套作喷砂或钢丝磨刷处理；喷砂或钢丝磨刷后，需要对其进行相容性拉拔试验，用以检测表面喷砂后的光纤护套与岩土介质的咬合和嵌固效果。具有粗糙度特征值的传感光纤表面与岩土体颗粒之间具有较强的咬合与嵌固作用，提高了光纤与岩土介质之间的界面相容性；以满足的实际工程需要。
【专利说明】岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器
一、【技术领域】
[0001]本发明属于地质及岩土工程监测【技术领域】，涉及光纤传感技术，具体是一种岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器方法。
二、【背景技术】
[0002]我国是世界上地质灾害最严重并受其威胁人口最多的国家之一。目前科学的发展水平仍无法充分解释与预测各类地质灾害孕育、发生和发展的规律，因此，对存在危险预兆的地质环境或人类工程活动所涉及到的地质体进行监测，仍是目前地质及岩土工程防灾减灾的主要方法之一。分布式光纤应变传感是近年来发展起来的一种先进技术，具体而言，就是在待测介质内部或表面布设线状分布的传感光纤，形成一个连续的传感器网络，通过对监测对象变形的实时监测，获得光纤沿线监测对象的变形场分布。在建筑、桥梁等人造结构物监测领域，分布式光纤应变传感可以获得较精确的定量监测值，因此被广泛应用；目前地质及岩土工程领域则基本上移植了既有的分布式光纤监测方法及工艺。然而，与钢材或混凝土等均匀、致密材质的人工建材不同，岩土介质是多孔、多相的复杂体系，具有显著的离散性与不均匀性，埋置在岩土介质内部时，传感光纤与岩土介质的界面往往存在无法充分接触的相容性缺陷，这导致传感光纤的局部变形测试值往往难以反映出岩土体的实际变形量，因此，现阶段尚无法对地质及岩土工程分布式光纤监测数据实现精准的定量分析，而只能采用简单的定性趋势分析或异常预警为主。可见，现实中急需一种与岩土介质界面相容的应变传感光纤，以提高现场分布式监测数据的定量化分析水平，满足地质及岩土工程分布式监测的实际工程需要。
三、
【发明内容】
[0003]本发明的目的是，针对现有传感光纤与岩土介质之间接触界面无法充分相容的问题，本发明的目的在于:提出一种与岩土体界面充分相容的分布式光纤应变传感器及其设置方法。
[0004]本发明的目的是这样实现的:岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器，其特征是:通过对光纤护套表面的粗糙度处理，使分布式光纤应变传感器与岩土介质接触面具有界面相容性。
[0005]该方法实现的机理主要是对光纤护套表面进行粗糙度处理，通过喷砂颗粒护套或被钢丝磨刷的护套表面与岩土体颗粒之间的咬合、嵌固以及摩擦作用，来实现传感光纤与岩土介质之间的界面相容性:首先，确定待监测的不同地层内岩土介质粗糙度特征值，然后根据所测定的光纤所埋设地层的粗糙度特征值，对光纤护套作喷砂或钢丝磨刷处理；表面喷砂或磨刷后，需要对其进行相容性拉拔试验，以检测光纤表面喷砂或磨刷后护套与岩土介质的咬合及嵌固效果；在不同粗糙度的光纤护套熔接时，为保证过渡土层与光纤护套的界面相容性，要在光纤护套熔接处还采用具有中间粗糙度的护套包裹。
[0006]引入了地层材料(即岩土介质)粗糙度特征值的概念，将地层材料(即岩土介质)所特有的界面粗糙程度用粗糙度特征值定量化判定，以此作为对光纤护套进行准确的粗糙化处理的标记。光纤护套与地层材料(即岩土介质)的摩擦力愈大则传感效果更好。
[0007]采用了喷砂处理，喷砂法能够根据所给定的粗糙度特征值准确地进行材料表面的粗糙化处理，可以方便地得到与不同地层的粗糙程度相适应的光纤护套，有助于实现光纤护套表面与岩土介质接触界面的相容性。钢丝磨刷表面亦可。相对于细粒土，亦可采用钢丝拉毛方法处理。
[0008]使用光纤拉拔试验仪在室内对经喷砂或磨刷处理的光纤护套和未经处理的光纤护套进行相容性拉拔试验，以此来验证光纤护套表面的喷砂颗粒与岩土颗粒之间的咬合与嵌固作用以及摩擦作用有所提高，即经喷砂处理的光纤具有更好的界面相容性。
[0009]将光纤熔接处护套的过渡粗糙度考虑在内，采用中间粗糙度的护套将熔接处包裹，这样不仅对光纤熔接处起到保护作用，同时还能较好地解决不同粗糙度地层之间过渡部分与光纤护套接触界面的相容性问题。
[0010]上述确定地层粗糙度特征值的方法有两种:第一种是通过现场钻孔取样，直接选取某一代表性岩土体，用工具切开，选择裸露出的任意一个平面，然后直接用合适的粗糙度仪对其进行测量，获取粗糙度值；第二种是根据工程勘察大纲和相关地质水文资料中记录的土的类型、其孔隙比和含水率、土颗粒的大小、以及土的级配等参数，以及已有的粗糙度值的情况进行经验判断，得到大致的粗糙度特征值。这里得到的粗糙度特征值可以用来代表某一土层岩土介质粗糙度值的平均值。
[0011]具有粗糙度特征值的传感光纤表面与岩土体颗粒之间具有较强的咬合与嵌固作用，提高了光纤与岩土介质之间的界面相容性；使用前，通过相容性拉拔试验，确保该传感光纤达到设计所规定的界面相容性，即达到所要求的拉拔刚度；此外，采用具有中间粗糙度的护套包裹不同土层之间的光纤熔接点，来保证过渡土层与传感光纤之间的界面相容性。
[0012]本发明的有益效果包括:本发明解决了地质及岩土工程分布式监测中传感光纤与多孔离散的岩土介质之间界面相容性较差的现状，对提高现场分布式监测数据的定量化分析水平，以满足的实际工程需要。I)解决了分布式传感光纤与多孔离散的岩土介质之间界面相容性较差的问题；2)提高了传感光纤在待测岩土介质中的变形协调性；3)提高了传感光纤监测的灵敏度，有助于光纤变形的定量化与精细化分析。
四、【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是本发明的思路流程图；
[0014]图2是本发明的光纤护套表面粗糙度设计示意图；
[0015]图3 (a)是相容性拉拔试验装置简图；
[0016]图3 (b)是某一组相容性拉拔试验测试结果；
[0017]图4是两端不同粗糙度传感光纤连接的示意图；
[0018]图5是本发明的分布式传感光纤工作原理图；
[0019]图6是本发明的一个地质工程应用实例，但本发明的应用不限于此，其中:
[0020](a)是地裂缝监测示意图；(a)中左图为示意图，右图是左图的截面图。
[0021](b)是某一时刻喷砂光纤和普通光纤沿线的应变量分布曲线；
[0022]图7是测量数据的相关性曲线图。五、具体实施方案
[0023]下面结合附图和具体实例对本发明做详细阐述，但本系统应用范围不限于此。
[0024]根据监测现场工程地质条件，确定不同地层的内部特征粗糙度特征值；对传感光纤护套表面进行喷砂处理，得到具有不同表面粗糙度特征值的各段传感光纤；对传感光纤抽样进行拉拔试验，检验传感光纤与待测岩土介质之间的相容性；检验满足后，在监测现场，将具有不同表面粗糙度特征值的传感光纤分别埋入具有对应粗糙度特征值的地层内，不同表面粗糙度的各段传感光纤之间通过熔接相连，并在熔接套管外使用具有中间表面粗糙度的护套包裹保护，从而充分满足分布式传感光纤与监测现场岩土介质之间的界面相容性。
[0025]此处的地层粗糙程度主要是指在自然状态下，局部土体某一平面的平均平整度。这里有两种方法进行判断:第一种是通过现场钻孔取样，直接选取某一部分土体切开，并裸露出某一平面，然后直接选用合适的粗糙度仪对其进行测量，获取粗糙度值；第二种是根据土的类型、其孔隙比和含水率、土颗粒的大小、以及土的级配等参数，以及已有的粗糙度特征值的情况进行经验判断，得到大概的粗糙度特征值。而这些参数指标都可以通过对现场钻孔取样进行的室内试验直接得到，或者从已有的现场勘察报告中查询或分析得出。
[0026]在确定不同土层的地层粗糙度特征值后，根据其具体的大小，对光纤护套进行喷砂处理。喷砂机的选择可根据所选喷砂工艺的要求、喷砂材料的不同和成本的控制要求来确定。对于喷砂材料的选择需要根据不同土层岩土材料的硬度来给予确定，为了尽可能较好地模拟出岩土介质对光纤护套的摩擦破坏影响，应该选择与岩土材料硬度相接近的喷砂颗粒，而可选择的喷砂颗粒有玻璃砂、钢砂、硅塑料砂、陶瓷砂、棕刚玉砂等，具体根据所监测土层的硬度与弹性模量，选择相容性较好的喷砂颗粒。
[0027]在对光纤护套进行喷砂处理后，就需要对光纤护套与土体的相容性进行验证性试验，即相容性拉拔试验，以观察岩土介质与光纤护套界面的相容性是否有所提高。喷砂后的光纤护套主要是依靠光纤护套表面喷砂颗粒与岩土体颗粒之间的咬合与嵌固作用以及摩擦作用，来实现传感光纤与岩土介质之间的界面相容性的。所以，相容性拉拔试验主要采用同种性质的岩土介质和两种不同护套的同种光纤材料来进行对照试验。在同种岩土介质中，传感光纤被拔出的拉拔力越大，说明界面相容性越好，传感光纤的护套与岩土介质越匹配。现场监测所采用的传感器光纤需要满足最小拉拔力值，即满足最低的相容性要求。
[0028]不同粗糙度的光纤在熔接后，不能直接埋入岩土介质中，要考虑过渡土层对熔接部分护套的影响，因此需要在熔接紧套管外用具有中间粗糙度的护套包裹，并且包裹材料要与光纤护套的材料相同，以保证光纤在过度土层中仍保持较好的界面相容性。
[0029]结合图1，该发明方法主要是通过对光纤护套表面的喷砂处理，使其与岩土介质拥有更好的相容性，来提高分布式光纤监测的灵敏度，实现定量分析。首先，要对光纤所埋设的地层进行粗糙程度的确定，为了方便对粗糙程度的判断，这里用粗糙度特征值来进行定量的判断。其次，确定不同地层的粗糙度特征值后，对光纤护套进行相应的喷砂处理，以满足埋设地层的相容性条件。采用喷砂专门工艺，根据设定的粗糙度值对光纤护套表面进行喷砂粗化处理后，可以得到符合粗糙度要求的相容性光纤护套。然后，通过相容性拉拔试验，对处理过的分布式光纤与岩土介质的相容性进行试验验证，监测现场所使用的应变传感光纤需要达到所规定的最小拉拔力，以满足最低的相容性条件。接着，对多段光纤进行熔接，使得其成为连续的整体。在光纤熔接时，为了保证在光纤熔接处也具有相容性，需要采用中间过渡粗糙度的护套保护熔接部位，并满足岩土介质过渡部分的相容性。最后，将传感光纤通过通信光缆接入分布式光纤应变监测仪，如布里渊光时域分析仪等。
[0030]结合图2，以粗粒土和细粒土为例，未经过喷砂处理的传感光纤表面与土颗粒之间的接触不够充分，光滑的光纤护套表面与土颗粒间咬合作用与摩擦作用较差，传感光纤监测的灵敏度和准确度较低。而对于喷砂处理后的传感光纤，由于喷砂颗粒嵌入光纤护套表面，使得原来光滑的光纤表面变得凹凸不平，增加了土颗粒与光纤表面的接触面积，提高了光纤护套与土颗粒间的咬合作用和摩擦作用，同时也提高了传感光纤监测的灵敏度和准确性。
[0031]结合图3(a)，该图为光纤拉拔试验装置简图，其原理主要是通过添加的砝码的自身重力对埋入圆柱体土样的光纤进行竖向拉拔，从而对光纤的拉拔性能做出相应评价。
[0032]结合图3 (b)，该图为一组光纤拉拔试验的数据，从图中曲线可以看出，经喷砂处理的光纤和未经处理的光纤的拉力-位移曲线趋势相似，都是先呈线性增加，到达峰值后急剧下降，最后趋于稳定。但是经喷砂处理的光纤的直线段斜率匕(即抗拔刚度)要大于普通传感光纤直线段的斜率k2 (即抗拔刚度)；同时，喷砂处理后的传感光纤拉拔力峰值也要大于普通传感光纤的拉拔力峰值，这表明:经过喷砂处理的传感光纤界面相容性较强，光纤护套表面的砂粒与土颗粒之间产生了较强的摩擦与咬合作用，具有更强的界面相容性，因此，产生相同拉拔位移时所需的拉拔力更大。
[0033]结合图4，该图为不同粗糙度传感光纤连接处的示意图。该图分为左右两部分:左边为近水平向埋设光纤时，不同粗糙度传感光纤连接处的示意图；右边为近竖直向埋设光纤时，不同粗糙度传感光纤连接处的示意图。图中在熔接处，中间粗糙度的护套不仅保护了光纤的连接部分，同时也较好地拟合了过渡土层的粗糙度变化问题，提高了传感光纤整体的相容性。
[0034]结合图5，该图为分布式传感光纤的工作原理图。在不同的岩土介质中，埋入对应粗糙度的传感光纤，通过熔接技术将多段光纤连接，并用中间粗糙度护套进行保护。传感光纤两端接入分布式光纤解调仪，通过布里渊散射光谱或者布里渊光时域分析技术，对光纤布里渊信号进行时域或频域分析后得到各处岩土介质内的变形分布。
[0035]结合图6(a)，该实例图为利用分布式光纤应变传感器进行地裂缝监测。由局部放大的剖面图可以看出:传感光纤埋设于土层I中，此时，地裂缝张裂处已延伸至传感光纤以下，到达土层2中，其变形也已对传感光纤产生了较为明显的影响。
[0036]结合图6 (b)，某一组拉拔试验数据注:图中匕和k 2分别表示喷砂光纤和普通光纤拉拔试验曲线线性部分的斜率。该图为某一时刻喷砂传感光纤和普通传感光纤的监测数据。由图可以看出，在图中里程48m处(即出现地裂缝位置)，光纤应变测试值出现了显著的应变增量。其中，喷砂光纤的应变增量峰值达到800 μ ε，普通光纤的应变增量峰值则为300 μ ε。两种不同光纤峰值存在差异的原因在于:普通光纤表面相对比较光滑，在地裂缝出现且逐步张开的过程中，普通光纤与地裂缝两侧岩土介质间产生了相对滑移；而喷砂光纤表面与岩土介质间存在较强的相互咬合与摩擦作用，使得地裂缝开展过程中相对滑移量很小，比较真实地反映出地裂缝的实际张开程度。由此可见，采用喷砂传感光纤与待测岩土介质间具有良好的界面相容性，能够获得相对准确的岩土介质变形测量结果，对于较小的岩土体变形具有更强的可辨识性。
[0037]结合图7，该图为测量数据的相关性曲线图，其中横坐标为传感光纤峰值处的应变，纵坐标为作为参照的拉绳式引伸计的平均应变，图中直线为散点的拟合直线，其斜率为0.92。该图是一种标定方法，目的是用来说明光纤监测数据与现有成熟技术测量的数据准确度的差距。由图可以看出，光纤测量得到的应变数据与引伸计直接测到的变形数据虽有误差，但比较接近，因此光纤测量数据的可信度较高，可作为监测指标。
【权利要求】
1.岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器方法，其特征是:通过对光纤护套的表面粗糙度处理，使分布式光纤应变传感器与岩土介质接触面具有界面相容性。
2.根据权利要求1所述的岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器，其特征是对光纤护套表面进行粗糙度处理，通过传感光纤的喷砂颗粒表面与岩土体颗粒之间的咬合、嵌固以及摩擦作用，来实现传感光纤与岩土介质之间的界面相容；首先，要确定不同地层岩土介质粗糙度值，然后根据待埋设地层的粗糙度特征值，对光纤护套作喷砂或钢丝磨刷处理；喷砂或钢丝磨刷后，需要对其进行相容性拉拔试验，用以检测表面喷砂后的光纤护套与岩土介质的咬合和嵌固效果。
3.根据权利要求1所述的岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器，其特征是该喷砂后传感光纤的相容性主要是依靠粗糙的光纤护套表面与岩土体颗粒之间的咬合与嵌固作用来实现；在不同表面粗糙度的光纤护套熔接时，为了保证过渡土层与光纤护套的界面相容性，要在光纤护套熔接处采用具有中间粗糙度的护套包裹。
4.根据权利要求1所述的岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器，其特征是引入了地层材料粗糙度特征值的概念，将地层材料所特有的界面粗糙程度用粗糙度特征值定量化判定，以此作为对光纤护套进行准确的粗糙化处理的标记。
5.根据权利要求1所述的岩土介质界面相容型分布式光纤应变传感器，其特征是确定地层粗糙度特征值的方法，第一种是通过现场钻孔取样，直接选取某一代表性岩土体，用工具切开，选择裸露出的任意一个平面，然后直接用合适的粗糙度仪对其进行测量，获取粗糙度值；第二种是根据工程勘察大纲和相关地质水文资料中记录的土的类型、其孔隙比和含水率、土颗粒的大小、以及土的级配等参数，以及已有的粗糙度特征值的情况进行经验判断，得到大致的粗糙度特征值。
【文档编号】G01B11/16GK104501734SQ201410817582
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月24日 优先权日:2014年12月24日
【发明者】张巍, 唐心煜, 施斌, 周发, 王小敏, 周远航, 孙逊 申请人:南京大学