一种基于FBG的双桥静力触探探头

本实用新型涉及岩土工程勘察技术领域中的原位测试技术，具体涉及一种基于fbg的双桥静力触探探头。

背景技术：

静力触探是一种重要的原位测试方法，但传统静力触探探头多采用电测式探头，其原理是利用传感器将探头所受阻力转换为电信号，然后借助电缆传送到记录仪并记录下来，进而实现土类定名、土层界面划分、评定地基土物理与力学性质、提供浅基承载力和预估单桩承载力等岩土工程勘察的目的。普遍存在防水性能不足，易受电磁干扰，零漂、温漂等问题，此外实际操作过程中多采用电缆线将探头采集的信息传输到地面，由于电信号长距离传递损耗较大将限制勘测深度，这些问题限制了静力触探在诸多方面的应用。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于fbg的双桥静力触探探头。

技术方案：本实用新型所述的基于fbg(光纤布拉格光栅)的双桥静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆和传力柱，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。

作为本实用新型的进一步改进，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。

作为本实用新型的进一步改进，在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。

作为本实用新型的进一步改进，在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈。

作为本实用新型的进一步改进，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

有益效果：基于fbg的双桥静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将fbg静力触探广泛应用于实际工程奠定基础。

附图说明

图1为本实用新型的双桥静力触探探头的结构图。

图2为本实用新型的基于fbg的双桥静力触探探头研究技术路线图。

具体实施方式

下面通过附图对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

一种基于fbg的双桥静力触探探头，包括锥头1、摩擦筒2、压力感应梁、导接杆3和传力柱，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁4和下部压力感应梁5，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱6和第二传力柱7，所述导接杆3、上部压力感应梁4、第一传力柱6、下部压力感应梁5和第二传力柱7从上至下依次设在摩擦筒2内，所述上部压力感应梁4的上下两端分别与导接杆3、第一传力柱6螺纹连接，所述下部压力感应梁5的上下两端分别与第一传力柱6、第二传力柱7螺纹连接，在上部压力感应梁4、下部压力感应梁5上设有光纤光栅8，在导接杆3、上部压力感应梁4、下部压力感应梁5、第一传力柱6上设有相互导通的通孔，所述光纤光栅8连接有通信光纤9，所述光纤从导接杆3的通孔处伸出，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆3轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅8，所述光纤光栅8为光纤布拉格光栅，在导接杆3与摩擦筒2的内壁面配合处设有止水橡胶圈10，在传力柱与摩擦筒2的内壁面配合处设有止水橡胶圈10，在锥头1与摩擦筒2的连接处设有止水橡胶圈10。

有益效果：基于fbg的双桥静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将fbg静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。

本实用新型的试验方法应用：

包括一种基于fbg的双桥静力触探探头的静力触探试验方法，具体的实施方案为，首先根据图2所示，是基于fbg的双桥静力触探探头研究技术路线图，前期在查阅大量文献的基础上，查找双桥静力触探最新现状。然后制定新型双桥静力触探探头。光纤布拉格光栅属于最重要的光纤传感元器件之一，利用光纤芯材的光敏特性，它的折射率沿光纤轴向呈固定的周期性调制分布，具有良好的波长选择性。当宽带光进入光纤后，满足特定波长λb的入射光在光栅处被耦合反射，其余波长会全部通过而不受影响。对于外界应变ε与温度变化δt会引起光栅折射率与周期的变化，导致fbg波长λb产生漂移，漂移量δλ与应变和温度变化量具有良好的线性关系。

s1、将双桥静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力qc、摩擦阻力fs；

s2、分析下部压力感应梁：

p1＝k01ε01，(1)；

上式中，p1为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k01为比例系数，ε01为下部门字梁受压下轴向应变；

对于光纤光栅、波长变化率与应变温度变化存在如下关系：

上式中，δλ为光纤波长变化，λ为初始波长，k1为应变比例系数，ε为光纤应变，k2为温度比例系数，δt为温度变化；

s3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅f1，f2，f3，f4，光纤光栅的应变分别为ε1，ε2，ε3，ε4，光纤光栅的波长分别记为λ1，λ2，λ3，λ4，不同压力下的波长变化分别为δλ1，δλ2，δλ3，δλ4，则下部光纤光栅测得平均应变ε01为：

其中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉。将式(3)带入式(1)，化简得：

p1＝ζ1ω1，(4)；

上式中，

s4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅；

p2＝k02ε02，(7)；

上式中，p2为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用。k02为比例系数，ε02为下部门字梁受压下轴向应变；

在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅f5，f6，f7，f8，光纤光栅的应变为ε5，ε6，ε7，ε8，波长分别记为λ5，λ6，λ7，λ8，不同压力下的波长变化分别为δλ5，δλ6，δλ7，δλ8，则：

计算中温度项被约掉。其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：

p2＝ζ2ω2，(9)；

上式中，

s5、标定过程可同时测出比例系数ζ1、ζ2，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力qc：

上式中，a1为锥头截面积；

侧摩阻力fs：

上式中，a2为摩擦筒侧面积；

摩阻比rf：

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。