一种基于FBG光纤光栅感测技术的公路应力、应变综合监测方法

一种基于fbg光纤光栅感测技术的公路应力、应变综合监测方法
技术领域
1.本发明属于道路监测及光纤应用技术领域，具体涉及一种基于fbg光纤光栅感测技术的公路应力、应变综合监测方法。


背景技术：

2.车辆动荷载长期反复作用，会造成公路路基路面不同程度的强度疲劳和变形破坏。为优化公路结构设计，探究在动荷载作用下，公路不同深度处应力、应变耦合关系，揭示公路变形破坏规律，对运营期公路进行实时、长期健康监测，必须对公路路基路面应力、应变进行综合监测。
3.传统的路基监测方法分为地表监测和内部监测两种。地表监测技术包括：沉降板法、监测墩法、沉降杯法等；路基内部监测技术包括：测斜仪法、钢弦式剖面仪法等。常规的监测方法技术成熟、应用广泛，但大多采用点式监测及数据采集形式，无法实现全断面或三维实时连续监测，地表监测技术监测期间影响公路正常运营，尤为关键的是大多常规监测方法无法对车辆动荷载作用下公路路基路面应力、应变进行实时、连续、精确的综合监测。
4.fbg光纤光栅是通过测量波长的漂移来实现对被测量体的监测。上世纪90年代，国外就将fbg应用到桥梁结构的健康检测。因其优点突出，在土木工程、岩土工程等众多领域中广泛应用。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种基于fbg光纤光栅感测技术的公路应力、应变综合监测方法，目的在于解决上述技术问题。
6.为此，本发明采用如下技术方案：一种基于fbg光纤光栅感测技术的公路应力、应变综合监测方法，包括以下步骤：1）点位布置：包括应力传感器、应变传感器及温度补偿传感器，所述传感器埋设于车轮高频碾压的道路区域，在道路的断面内沿竖直方向埋设多个应力传感器、应变传感器及温度补偿传感器，传感器分布于道路的路基层、基层及面层中，且应力传感器、应变传感器和温度补偿传感器沿同一竖直直线叠加铺设；2）应力传感器封装：所述应力传感器为fbg微型土压力计，所述fbg微型土压力计的承压面为不锈钢金属膜片，fbg微型土压力计的敏感元件采用短栅距光纤光栅，所述短栅距光纤光栅通过硫化硅橡胶固定于金属膜片的中心处；金属膜片的外层设有铝制壳体，所述短栅距光纤光栅从壳体的侧壁孔引出，多个fbg微型土压力计依次串联连接；3）应变传感器封装：所述应变传感器采用fbg应变传感器，fbg应变传感器上套设有塑料软管，所述塑料软管的外层封装有铠装线，所述铠装线的外层封装有frp塑料保护管，所述frp塑料保护管拉伸变形时，内部的短栅距光纤光栅随frp塑料保护管等比例变形，将多个fbg应变传感器串联连接，fbg应变传感器的位置与步骤2）中fbg微型土压力计的位
置对应；4）温度补偿传感器封装：所述温度补偿传感器连接于fbg应变传感器光纤的最中间，所述温度补偿传感器采用金属管封装；5）传感器铺设：a）路基层传感器铺设：在路基层上，沿道路的横向切割沟槽，沟槽深不小于10cm，在沟槽底部布设传感器，每个车道的车轮高频碾压处设置应力传感器，再铺设应变传感器和温度补偿传感器，各应变传感器与应力传感器对应且同水平布设，温度补偿传感器位于道路中央，传感器铺设完成后将光纤从路肩引出；然后将路基填料回填压实，用同样的方法在沟槽回填层上方处进行第二层传感器的布设、回填与压实，按此步骤在路基层中铺设多层传感器；b）基层传感器布设：铺设基层时，在路基层的沟槽正上方固定钢板，用于在基层上预留沟槽，所述钢板上设有用于拆除钢板的吊钩；首先在钢板上涂刷润滑油，使用少量水稳层填料固定钢板，然后铺设水稳层材料，将钢板埋设于水稳层材料中，摊铺机对实验路段进行摊铺，压路机对路基进行压实处理，达到水稳层预定高度，养护结束后将钢板取出，按照步骤a）的方法在基层的沟槽中铺设多层传感器；c）面层传感器铺设：按照步骤b）的方法在面层上预制沟槽，然后在预制的沟槽中铺设多层传感器，最后将面层铺平；d）按以上铺设步骤在公路的多个断面铺设传感器，相邻断面之间的距离不小于60cm；6）数据采集：将路肩引出的光纤连接至zx
‑
fp型解调仪上，公路运营时开始采集数据：1）车辆经过时，采集不同深度（h
i
）处在不同动荷载作用下的应力值σ
ij
，绘制应力沿深度方向变化曲线，耦合得出不同动荷载作用下深度与应力的函数关系，探究动荷载作用下公路不同深度应力分布及应力传递情况；σ
j
=f(h)2）采集不同深度(h
i
)处在不同动荷载作用下的应变值ε
ij
，绘制同一时间变形沿深度方向变化曲线，耦合得出深度与应变的函数关系，探究动荷载作用下公路不同深度变形情况；ε
j
=f(h)3）采集不同动荷载作用下同一时刻不同深度相对应的应力值σ
ij
和应变值ε
ij
，耦合得出不同深度处应力应变的函数关系式，探究动荷载作用下应力应变耦合关系；ε
j
=f(σ
j
)。
7.本发明的有益效果在于：1.实时监测动荷载作用下公路不同深度的应力与应变，揭示应力应变随深度的变化规律，为优化公路结构设计，合理设计公路各层的摊铺厚度提供科学依据；2.探究在动荷载作用下，公路不同深度处应力、应变耦合关系，揭示公路变形破坏规律，进一步发展和完善公路在动荷载作用下的破坏理论；3.对运营期公路进行实时、长期健康监测，为公路的健康评估提供数据支撑。
附图说明
8.图1是本发明公路光纤布设断面图；图2是本发明光纤布设的平面图；图3是本发明每段应变传感器的示意图；图4是应力沿深度方向变化曲线；图5同一时间变形沿深度方向变化曲线；图中：1
‑
应力传感器，2
‑
应变传感器，3
‑
温度补偿传感器。
具体实施方式
9.下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：（实施例描述无误）本实施例以某双向6车道高速公路的单侧3车道为例进行说明，高速公路结构包括路基层、基层（路基水稳层）、面层。最上面为面层，面层厚度一般为15cm；面层之下为公路基层，是主要的承重层，总厚度一般为30～40cm，本设计以35cm为例；最下面为公路路基。垂直公路走向的同一断面，在不同水平层位，光纤布设如下：面层布设3层，基层7层，路基2层，光纤铺设每层间隔5cm。三种传感器布设在每层的相同位置（如图1所示）。
10.为保证埋入的传感器测得更多更准确的数据，根据正常行驶习惯，传感器应该布设在过往车辆轮胎经常碾压的路面正下方。高速公路单条车道的宽度为3.75m，通常载重卡车在最外侧车道行驶，小轿车在内侧的两条车道行驶。载重卡车的前轮距一般为2.05m，后轮距一般为1.86m；小轿车的轮距为1.6m。实测时布设3～4个横断面，横断面之间的间距为1
‑
3m，每个横断面布设方案相同。如下所述：应力传感器1在3个车道内每层布置6个监测点，货车道两测点的位置距车行道分界线和车行道边缘线各0.9m；行车道、超车道测点布置距行道分界线和车行道边缘线各1.0m。
11.应变传感器2与应力传感器1位置相对应，以应力传感器1布设点为中心，各向两侧水平延伸25cm，在每层相应位置布设6段应变光栅，每段应变光栅长50cm，段内每隔10cm布设一个fbg应变传感器2（如图3所示）。
12.温度补偿传感器3在路面同一垂直断面内每层布设1个，布设在同向三车道中间车道的中心位置，温度补偿传感器3连接于fbg应变传感器2光纤的最中间，温度补偿传感器3为光栅类传感器。
13.根据车辆类型与行车习惯，尽可能将传感器布设在车轮碾压部位。每层布设6个应力传感器1，每2个应力传感器1检测一个车道，应力传感器1间距为1.75m、2m、1.75m、1.9m、和1.94m。应力传感器1对应位置布设应变光栅，光栅间距1.25m、1.5m、1.25m、1.4m和1.45m。应变传感器2与应力传感器1布设在相同位置，以应力传感器1为中心，各向两侧水平延伸25cm。温度补偿传感器3每层布设1个（如图2所示）。
14.一种基于fbg光纤光栅感测技术的公路应力、应变综合监测方法，包括以下步骤：1）点位布置：包括应力传感器1、应变传感器2及温度补偿传感器3，传感器埋设于车轮高频碾压的道路区域，在道路的断面内沿竖直方向埋设有多个应力传感器1、应变传感器2及温度补偿传感器3，传感器分布于道路的路基层、基层及面层中，且应力传感器1、应变传感器2和温度补偿传感器3沿同一竖直直线叠加铺设；2）应力传感器1封装：应力传感器1为fbg微型土压力计，所述fbg微型土压力计的
承压面为不锈钢金属膜片，fbg微型土压力计的敏感元件采用短栅距光纤光栅，所述短栅距光纤光栅通过硫化硅橡胶固定于金属膜片的中心处；金属膜片的外层设有铝制壳体，短栅距光纤光栅从壳体的侧壁孔引出，多个fbg微型土压力计依次串联连接；3）应变传感器2封装：应变传感器2采用fbg应变传感器2，fbg应变传感器2上套设有塑料软管，塑料软管的外层封装有铠装线，铠装线的外层封装有frp塑料保护管，frp塑料保护管拉伸变形时，内部的短栅距光纤光栅随frp塑料保护管等比例变形，然后将多个fbg应变传感器2串联连接，fbg应变传感器2的位置与步骤2）中fbg微型土压力计的位置对应；4）温度补偿传感器3封装：温度补偿传感器3连接于fbg应变传感器2光纤的最中间，温度补偿传感器3采用金属管封装；5）传感器铺设：a）路基层传感器铺设：在路基层上，沿道路的横向切割沟槽，沟槽深不小于10cm，在沟槽底部布设传感器，每个车道的车轮高频碾压处设置应力传感器1，再铺设应变传感器2和温度补偿传感器3，各应变传感器2与应力传感器1对应且同水平布设，温度补偿传感器3位于道路中央，传感器铺设完成后将光纤从路肩引出；然后将路基填料回填压实，用同样的方法在沟槽回填层上方处进行第二层传感器的布设、回填与压实，按此步骤在路基层中铺设多层传感器；b）基层传感器布设：铺设基层时，在路基层的沟槽正上方固定钢板，用于在基层上预留沟槽，钢板上设有用于拆除钢板的吊钩，钢板的厚度为5cm；首先在钢板上涂刷润滑油，使用少量水稳层填料固定钢板，然后铺设水稳层材料，将钢板埋设于水稳层材料中，摊铺机对实验路段进行摊铺，压路机对路基进行压实处理，达到水稳层预定高度，养护结束后将钢板取出，按照步骤a）的方法在基层的沟槽中铺设多层传感器；c）面层传感器铺设：按照步骤b）的方法在面层上预制沟槽，然后在预制的沟槽中铺设多层传感器，最后将面层铺平；d）按以上铺设步骤在公路的多个断面铺设传感器，相邻断面之间的距离不小于60cm；6）数据采集：将路肩引出的光纤连接至zx
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fp型解调仪上，公路运营时开始采集数据：1）车辆经过时，采集不同深度（h
i
）处在不同动荷载作用下的应力值σ
ij
，绘制应力沿深度方向变化曲线，耦合得出不同动荷载作用下深度与应力的函数关系，探究动荷载作用下公路不同深度应力分布及应力传递情况；σ
j
=f(h)2）采集不同深度(h
i
)处在不同动荷载作用下的应变值ε
ij
，绘制同一时间变形沿深度方向变化曲线，耦合得出深度与应变的函数关系，探究动荷载作用下公路不同深度变形情况；ε
j
=f(h)3）采集不同动荷载作用下同一时刻不同深度相对应的应力值σ
ij
和应变值ε
ij
，耦合得出不同深度处应力应变的函数关系式，探究动荷载作用下应力应变耦合关系；ε
j
=f(σ
j
)。
15.需要说明的是，以上仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。