一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置的制作方法

本发明涉及岩土体受力变形、强度试验技术，以及分布式光纤监测工程技术领域，具体涉及一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置。

背景技术：

张拉力学特性是岩土介质的基本力学性质之一，在岩土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用，由此也产生了诸多与之相关的岩土工程问题。土体的抗拉强度与抗压强度、抗剪强度等指标一样，都是衡量其力学性质的重要参数。土体在形成过程中，原岩的完整性、整体性均遭到不同程度的破坏，力学性质上表现为还具有一定的抗压强度、抗剪强度，但强度值已大大降低，而抗拉强度则大部分或几乎完全丧失。

在以往的工程实践中，主要基于土体的抗压或者抗剪强度衡量其力学性质或在荷载下的抗破坏能力，因为与抗压、抗剪强度相比，抗拉强度在数值上要小得多，而且难以准确测量，工程中一般选择忽视这一强度指标。这种忽视在大多数情况下表现为0基质吸力和0拉应力负荷，是对于土体强度的一种较为保守的估计，在当代的岩土工程设计中亟须改进。

此外，实际工程中遇到的土体破坏模式主要表现为剪切破坏，如滑坡和地基土失稳等。然而，土体在拉应力作用下发生张拉破坏并出现裂隙的现象也很常见，如边坡后缘的张拉裂隙、土石坝心墙在土拱作用下的拉裂破坏、干燥环境中土体出现的龟裂现象、地裂缝的发育等，一些输电线路铁塔和风电塔在水平荷载作用下也容易引起周边土体发生张拉破坏。裂隙的存在会极大破坏土体结构的完整性，弱化力学性质，降低稳定性，增加渗透性，加剧蒸发，加重坡面水土流失和风化等，给岩土工程和环境岩土工程带来一系列负面影响。土体之所以出现张拉裂隙，是因为张拉应力超过了土体自身的抗拉强度。因此，监测土体张拉开裂过程中的应力、应变变化规律，测定其抗拉强度，在此基础上系统掌握土体的张拉破坏机理、预防土体开裂有着重要工程意义，可有效提高相关地质灾害的防治水平，节省大量的人力物力。

由于土体的张拉力学特性过去在岩土工程领域一直不受重视，研究报道相对较少，国内更是鲜见，已有的一些土体抗拉强度测试方法大多是借鉴了岩石、混凝土等其他材料领域。土体抗拉强度的试验方法可分为直接法和间接法两大类，直接法又分为单轴拉伸和三轴拉伸试验，间接法主要包括土梁弯曲试验、轴向压裂试验、径向压裂试验和气压劈裂试验4种方式。单轴拉伸和三轴拉伸试验分别在无侧限和三轴应力条件下向试样施加拉应力，直接测定峰值拉应力从而得到抗拉强度。间接法是基于一定理论假设，用压裂、弯折等方式进行试验，最后通过相应的理论公式计算得到抗拉强度。相对于三点弯曲试验中会出现应力集中的问题，土梁的四点弯曲试验中，土体受到的弯矩在荷载作用点之间为常数，因此拉应力分布比较均匀，是一种较为理想的试验方法。在这些试验中，拉应力可通过一定手段获取，但土体应变信息的获取却面临许多挑战。因为应变沿拉伸方向的分布不均，且存在许多不确定性，一般张拉应变在破坏面附近会发生集中，但采用传统的位移监测方法只能计算出试样的平均应变，与真实情况相差甚远。如果选择土木工程中常用的电阻应变片，又存在难以安装、对原位土体扰动大等问题。正是由于土体应变监测技术的空白，导致目前人们对土体张拉应力-应变本构关系认识不清，严重制约了该领域的理论研究和工程实践。

近年来分布式光纤监测(DFOS)技术发展迅速，并在探测混凝土、沥青等材料的开裂中得到了一些成功的应用。借助准分布式光纤布拉格光栅(FBG)、全分布式布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等监测技术，可以自动获取沿整根光纤长度方向上应变、温度等监测信息的分布情况。但是限于监测精度(一般为几十个微应变)、空间分辨率(一般为米级)和采样时间(一般需要十几分钟到几十分钟)，该技术一直没有在土体开裂监测中被很好地利用。而OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer)技术是近几年开始兴起的一个具有毫米级空间分辨率、1个微应变精度的尖端传感技术。与其它监测方法相比，OFDR具有数据采集量大、信噪比高、采样间隔小、所得结果精度高、适合长距离监测和高频采集等优点，所以在土体受拉开裂测量领域具有广阔的应用前景。

最近国内外一些研究者尝试将应变感测光纤埋入待监测的土体中，基于光纤传感数据来分析土体的变形特征，或监测其是否干缩开裂。这些研究由于未采用特制的、标准化、集成化的测试设备，无法控制整个试验过程和边界条件，因此只能得到一些定性的结论，对工程参考意义不大。由于试验时间长，光纤读数还受到环境温度、湿度等影响，分析结果的可靠性较差。此外，直埋这一方法在施工上较为便捷，但是土体和应变感测光纤之间的相互作用机理和协调变形问题无法保证，同时对于应变感测光纤的选用和锚固点的设置也没有科学依据，因而光纤应变监测结果的有效与否具有很大的不确定性，极大程度上制约了该技术在工程中的推广应用。基于OFDR技术，可以在土体开裂过程中对微变形进行高精度、高空间分辨率的监测，并对土体和应变感测光纤之间的界面变形协调特征进行精细化分析，在此基础上进一步优化传感器布设工艺、提高监测可靠性。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置。

本发明采用了如下技术方案：一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置，包括试验土梁、试验仪、应变感测光纤；所述的试验仪包括机箱外壳、反力支架、加载板、调速驱动装置、OFDR信号解调与处理模块、数字图像采集与分析装置，所述的机箱外壳内部设有调速驱动装置，调速驱动装置与测力计和加载板连接，加载板能够沿机箱外壳的内壁垂直方向上下移动，测力计和反力支架之间放置试验土梁，应变感测光纤沿水平方向穿过试验土梁，应变感测光纤通过信号传输光纤与OFDR信号解调与处理模块连通，数字图像采集与分析装置的数字图像采集窗口对应试验土梁的试验观测面。

调速驱动装置包括步进电机、变速箱。

数字图像采集与分析装置包含高速摄像机和计算机。

所述的加载板两端设有滚轮。

所述的应变感测光纤护套具有螺纹纹理。

所述的应变感测光纤与土体间设有管式或板式锚固装置。

有益效果：采用本发明的基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置，能实时监测四点弯曲试验过程中土梁表面以及内部的开裂变形信息以及拉压应变的时空演化规律，测定不同含水率、干密度等条件下土体的抗拉强度，在此基础上掌握土体受拉后的弹塑性应力-应变本构关系，具有经济可靠、测试准确、自动化程度高等优势。

附图说明

图1是本发明为的一个较佳实施例的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法中的装置示意图。

其中包括：1.OFDR信号解调与处理模块，2.信号传输光纤，3.应变感测光纤，4.试验土样，5.加载板，6.变速箱，7.步进电机，8.摄像机，9.计算机，10，土梁压制模具，11. 光纤穿透孔，12.机箱外壳，13.反力支架，14.试验仪，15.数字图像采集与分析装置， 16.测力计。

图2是本发明一实施例的数字图像采集与分析装置结构示意图。

图3是土梁压制模具示意图。

图4是采用本发明一实施例的使用方法测得应变光纤沿长度方向应变分布图。

图5是光纤测得应变和PIV测得应变的对比图。

图6是采用本发明一实施例的使用方法测得四点弯曲过程中土梁底部中点PIV处理结果。

图7是采用本发明一实施例的使用方法对土体几个典型开裂状态的记录结果。

图8是采用本发明一实施例的使用方法测得的不同含水率和干密度条件下的土体抗拉强度变化图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作更为具体的描述。

一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法，包括步骤如下：

第一步，制备试验土梁。在土梁压制模具中根据给定的干密度分层压制土梁，当土梁压制到应变感测光纤的布设位置时，将应变感测光纤依次穿过土梁压制模具箱体侧面光纤穿透孔布设于土体中，适当悬挂重物使其处于轻微受拉状态。

第二步，标记土样。将压制完毕的土梁取出，在试验观测面，采用直径为0.1mm 的钢针密集扎下针孔，并以此作为土梁表面纹理。然后自然风干(或烘干)到需要的含水率，将其覆膜；

第三步，揭开土梁覆膜，将其横置于试验仪的加载板上，将所有应变感测光纤采用并联或串联的方式相互连接后接至OFDR信号解调与处理模块的接口上。

第四步，开始试验。依次打开OFDR信号解调与处理模块、数字图像采集与分析装置、步进电机和变速箱的开关，步进电机推动加载板以特定速度向下运动，土梁随之发生四点弯曲；OFDR信号解调与处理模块实时获取并呈现土梁内部的应变分布状态；数字图像采集与分析装置实时追踪土梁表面的纹理变化，获取土梁受力变形后的应变场和位移场。

第五步，基于实测数据，建立土体张拉应力-应变本构关系，获取土体的抗拉强度及开裂应变值。

所述的数字图像处理系统是基于数字图像相干法或粒子图像测速法。

所述的OFDR信号解调与处理模块包括光纤解调仪、终端计算处理与可视化系统。其中，所述的OFDR信号解调与处理模块可以根据测试精度以及去噪等要求在 1mm-10cm的范围内自定义分辨率。

用于所述的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法中的装置，包括土梁压制模具10、试验仪14、应变感测光纤3；所述的土梁压制模具10由5块钢板相互嵌固、拼装而成；侧面4块板之间采用螺栓进行连接，再整体嵌固于底板的槽口中，并通过螺栓与底板相连，其中两块侧面板开有小圆孔11；所述应变感测光纤3沿水平向穿过土梁压制模具 10铺设于土梁4中；所述的试验仪14主要由反力支架13、机箱外壳12、加载板5、步进电机7、变速箱6、OFDR信号解调与处理模块1、数字图像采集与分析装置15组成。经过变速箱6调节的步进电机7与测力计(16)连接，推动两端带有滚珠的加载板5沿机箱外壳12的内壁向下移动。所述的OFDR信号解调与处理模块1与土梁4中的应变感测光纤3连接实时采集土梁4内部应变数据，并实时显示光波量和土梁强度等参数，所述的数字图像采集与分析装置15设于试验仪14的前后，通过识别土梁4纹理，追踪土梁4表面的位置变化，得到土梁受力变形后的应变场和位移场，并对光纤应变数据进行标定或验证。所述数字图像采集与分析装置包括高像素数码相机与计算机。所述的加载系统包括步进电机、变速箱、加载板；所述的应变感测光纤通过电极雕刻和放电加工技术对其护套进行螺纹处理；所述的应变感测光纤采用热缩管和小圆片方式锚固在土体中以保证应变感测光纤与土体的变形协调。

作为上述方案的进一步优化，组成土梁压制模具10的刚性侧板上设有光纤穿透孔 11用于穿过横向布置的光纤，所述的应变感测光纤3通过电极雕刻和放电加工技术对其护套进行螺纹化处理；所述的OFDR信号解调与处理模块可以根据测试精度以及去噪等要求在1mm-10cm的范围内自定义分辨率。

进一步地，所述数字图像采集与分析装置15还包括：

(1)标记有纹理的试验土梁4；在试验观测面，采用直径为0.1mm的钢针密集扎下针孔，并以此作为土梁4表面纹理；

(2)高像素相机8；所述高像素相机置于试验土梁(4)前面，通过识别土梁(4) 纹理，追踪土梁4表面的位置变化，得到土梁受力变形后的应变场和位移场，并对光纤应变数据进行标定或验证。

(3)数字图像处理软件；所述数字图像处理软件基于数字图像相干法(Digital Image Correlation，简称DIC)或粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)等。

实施例

如图1和图2所示，一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置，它包括土梁压制模具10、试验仪14、应变感测光纤3；所述的土梁压制模具10由5块钢板相互嵌固、拼装而成；侧面4块板之间采用螺栓进行连接，再整体嵌固于底板的槽口中，并通过螺栓与底板相连，其中两块侧面板开有小圆孔11；所述应变感测光纤3沿水平向穿过土梁压制模具10铺设于土梁4中；所述的试验仪14主要由反力支架13、机箱外壳12、加载板5、步进电机7、变速箱6、OFDR信号解调与处理模块1、数字图像采集与分析装置15组成，所述的OFDR信号解调与处理模块1与土梁4中的应变感测光纤3连接实时采集土梁4内部应变数据，并实时显示光波量和土梁强度等参数，所述的数字图像采集与分析装置15设于试验仪14的前后，通过识别土梁4纹理，追踪土梁4 表面的位置变化，得到土梁受力变形后的应变场和位移场，并对光纤应变数据进行标定或验证。

所述组成土梁压制模具10的刚性侧板上设有光纤穿透孔11用于穿过横向布置的光纤；所述的应变感测光纤3通过电极雕刻和放电加工技术对其护套进行螺纹处理；所述的OFDR信号解调与处理模块可以根据测试精度以及去噪等要求在1mm-10cm的范围内自定义分辨率。所述数字图像采集与分析装置还包括：(1)标记有纹理的试验土梁；在试验观测面，采用直径为0.1mm的钢针密集扎下针孔，并以此作为土梁表面纹理；(2) 高像素相机；所述高像素相机置于试验土梁前面，通过识别土梁纹理，追踪土梁表面的位置变化，得到土梁受力变形后的应变场和位移场，并对光纤应变数据进行标定或验证； (3)数字图像处理软件；所述数字图像处理软件基于数字图像相干法(Digital Image Correlation，简称DIC)或粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，简称PIV)等。

本实施例提供的上述土体张拉力学特性光纤监测与测试装置的测试方法包括步骤如下：

1)制备试验土梁4。在土梁压制模具10中根据给定的干密度分层压制土梁，当土梁压制到应变感测光纤3的布设位置时，将应变感测光纤依次穿过土梁压制模具10箱体侧面光纤穿透孔11布设于土体中，适当悬挂重物使其处于轻微受拉状态。

2)标记土样。将压制完毕的土梁取出，在试验观测面，采用直径为0.1mm的钢针密集扎下针孔，并以此作为土梁表面纹理。然后自然风干(或烘干)到需要的含水率，将其覆膜；

3)揭开土梁覆膜，将其横置于试验仪的加载板5上，将所有应变感测光纤(3)采用并联或串联的方式相互连接后接至OFDR信号解调与处理模块1的接口上。

4)开始试验。依次打开OFDR信号解调与处理模块1、数字图像采集与分析装置 15、步进电机7、变速箱6的开关，步进电机7推动加载板5以特定速度向下运动，土梁4随之发生四点弯曲；OFDR信号解调与处理模块1实时获取并呈现土梁4内部的应变分布状态；数字图像采集与分析装置15实时追踪土梁表面的纹理变化，获取土梁受力变形后的应变场和位移场。

5)基于实测数据，建立土体张拉应力-应变本构关系，获取土体的抗拉强度及开裂应变值。具体地，开裂应变由光纤监测数据得出，抗拉强度可结合测力计数据得出：由测力计读数做出F-t曲线，并确定出土体张拉应力F最终趋近稳定的土体张拉应力值F0，对应得到弯矩M0，由计算得抗拉强度σt，其中I为土梁的惯性矩，h为土梁高度， t为时间。

本实施例的土体张拉力学特性光纤监测与测试装置在具体使用时，首先配置含水率为32％的软质高岭土，然后用土梁压制模具10(尺寸长×宽×高为50cm×15cm×15cm) 分层压实(平均密度为1.87g/cm³)。压制过程中在土梁内部分三层两列水平安装6根应变感测光纤(3)(OF1-1、OF1-2、OF2-1、OF2-1、OF3-1、OF3-2)，光纤距离土梁底面高度分别为3cm(OF1-1、OF1-2)、6cm(OF2-1、OF2-1)、9cm(OF3-1、OF3-2)，横向间距为5cm。将压制完毕的土梁取出，在试验观测面，采用直径为0.1mm的钢针密集扎下针孔，并以此作为土梁表面纹理。将制备好的土梁放到加载板5相应位置上，然后将6根应变感测光纤3分别连至OFDR信号解调与处理模块1接口，依次打开OFDR 信号解调与处理模块1、数字图像采集与分析装置15、步进电机7、变速箱6的开关。步进电机7推动加载板5以0.28mm/min的速度推动加载板5向下移动，土梁开始发生四点弯曲，OFDR信号解调与处理模块1实时获取并呈现土梁内部的应变分布状态；数字图像采集与分析装置15实时追踪土梁表面的纹理变化，并通过内置的PIV数字图像处理软件获取土梁受力变形后的应变场和位移场；同时OFDR信号解调与处理模块1 还监测得到了试样在四点弯曲过程中下不同部位土体的应变时程曲线。

需要说明的是，除上述实施例外，本发明专利还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。