软土不排水强度参数测量装置、系统及测量方法

1.本发明属于岩土工程原位测量领域，尤其涉及一种软土不排水强度参数测量装置、系统及测量方法。


背景技术：

2.随着城市规划发展，越来越多的建筑需要通过填海造陆来获得更多的陆地建造，而常规的填料例如砂石，山石等，随着填海造陆活动的扩大这些填料供应趋于不足，因此一些沿海城市已开始利用疏浚过的海洋软土通过吹填法进行填海。由于海洋软土含水量高，需要在地基改造之前对软土进行沉降和自重固结，而软土的强度参数对于指导吹填过程和施工程序很重要。此外，为了评估海底管道在铺设过程中的嵌入以及管道在海底移动时产生的相互作用力，有必要对沉积物上部区域的强度进行评估。因此，在岩土工程中，采用适当的原位测试方法来测量海洋软土(例如吹填土或近地表沉积物)的强度数据是非常重要的。
3.现在常用的土壤强度原位测试方法主要是圆锥贯入试验法(cpt)、十字板剪切试验法(vst)、全流触探贯入仪，这些测试方法仍存在一些缺陷，包括易受弯矩影响，不同的土壤类型和状态需要有不同的校正因子，不适用于膨胀性或粗粒土壤，要考虑轴承阻力的影响，且这些方法只适用于垂直方向上的抗剪强度测量。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提出一种软土不排水强度参数测量装置及测量方法，以克服以上现有技术的缺陷。
5.第一方面，本发明提供一种软土不排水强度参数测量装置，包括：
6.光纤，间隔串接在光纤上的薄圆片，光纤解调仪；
7.光纤的一端被插入软土中，另一端连接至解调仪的输入端；
8.光纤受牵引在软土中移动使得薄圆片对软土进行剪切，光纤感测沿光纤方向上感测点的应变，应变读数用于计算软土的不排水强度参数。
9.进一步地，薄圆片以等距均匀地间隔串接在光纤上。
10.进一步地，测量装置包括两根光纤，两根光纤相互垂直地以端对端方式固定，每根光纤上都间隔串接有薄圆片，两根光纤远离端对端连接位置的另一端均连接至解调仪的输入端。
11.进一步地，薄圆片包括聚甲醛材料。
12.进一步地，薄圆片包括铜。
13.进一步地，薄圆片包括不锈钢材料。
14.进一步地，光纤复用多个fbg传感器。
15.进一步地，光纤解调仪为ofdr解调仪。
16.进一步地，光纤解调仪为fbg解调仪。
17.第二方面，本发明提供一种软土不排水强度参数测量系统，包括：
18.如第一方面提供的测量装置，牵引装置和导向装置；
19.牵引装置包括牵引线，第一牵引电机，第二牵引电机；
20.测量装置通过导向装置插入软土中，光纤在导向装置底部的一端与牵引线的一端绕接，另一端经过安装在导向装置外的第一牵引电机连接至解调仪的输入端；
21.牵引线的另一端连接至导向装置外的第二牵引电机；
22.牵引装置对光纤进行牵引使得测量装置中的薄圆片对软土进行剪切，光纤感测沿光纤方向上感测点的应变，应变读数用于计算软土的不排水强度参数。
23.进一步地，导向装置包括沉降柱和导向框架，导向框架嵌套在沉降柱内部，导向框架在沉降柱内部形成供光纤插入的限位空间，沉降柱用于容纳软土，光纤通过限位空间插入软土中。
24.进一步地，导向装置底部还设有两个圆环，牵引线穿过两个圆环与光纤绕接。
25.进一步地，牵引线为钓鱼线。
26.进一步地，牵引线为钢绞线。
27.第三方面，本发明提供一种软土不排水强度参数测量方法，包括：
28.将间隔串接有薄圆片的光纤插入未固结的软土，光纤感测沿光纤方向上感测点的应变；
29.建立感测点应变读数和张力的关系，根据应变读数计算感测点的张力；
30.基于力平衡理论建立感测点张力与不排水抗剪强度的关系；
31.基于应变读数和张力的关系，以及张力与不排水抗剪强度的关系，根据应变读数计算软土感测点的不排水抗剪强度。
32.进一步地，上述方法包括：
33.取以薄圆片为中心面，以相邻薄圆片间距为柱高的柱体空间作为感测单元，光纤感测柱体两个底面之处的平均应变；
34.计算两个底面的应变平均差；
35.基于应变读数和张力的关系，以及张力与不排水抗剪强度的关系，根据应变平均差计算平均不排水抗剪强度。
36.进一步地，感测点应变读数和张力的关系建立如下：
37.p＝e
faf
ε，
38.式中，p为沿光纤方向的感测点张力，ef为光纤的弹性模量，af为光纤截面面积，ε为感测点应变读数。
39.进一步地，感测点张力与不排水抗剪强度的关系建立如下：
40.p+dp＝p+2πrτdz，
41.式中，p为感测点张力，r为剪切面半径，τ表示不排水抗剪强度，数值上等于剪切面上的剪切应力，z为光纤长度。
42.进一步地，感测点的不排水抗剪强度计算如下：
[0043][0044]
式中，α为剪切面形状的校正因子。
[0045]
进一步地，该测量方法还包括：
[0046]
根据土体垂直方向和/或水平方向上测量得的不排水抗剪强度计算软土的内摩擦角。
[0047]
进一步地，该测量方法还包括：
[0048]
建立摩擦角和有效应力的关系，根据不排水抗剪强度和摩擦角计算土体垂直方向和/或水平方向上的有效应力。
[0049]
从以上技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
[0050]
本发明提出的软土不排水强度参数测量装置、系统及测量方法，创新地提出了光纤和薄圆片串接的感测元件，牵引装置对光纤牵引使其可以在土体中移动，串接在光纤上的薄圆片对软土进行剪切，采用光纤传感技术进行土体应变感测，且可以垂直或水平插入土体，能够测量土体垂直方向或水平方向上的抗剪强度分布；进一步地采用ofdr或者fbg这样分布式或准分布式测量的光纤传感，可以实现土体强度参数的分布式或准分布式测量；而光纤传感技术固有的特性，满足了本发明强度参数测量方法对高分辨率、高准确度、抗电磁干扰的测量要求；除了用于计算抗剪强度，还可以利用本发明的测量装置计算土体的摩擦角、有效应力、单位重量、密度等参数。
附图说明
[0051]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0052]
图1为本发明示例的基于ofdr传感的软土不排水强度参数测量装置示意图；
[0053]
图2为本发明示例的基于fbg传感的软土不排水强度参数测量装置示意图；
[0054]
图3为本发明示例的软土不排水强度参数测量系统结构示意图；
[0055]
图4为本发明示例的基于ofdr传感的软土不排水强度参数测量系统示意图；
[0056]
图5为本发明示例的软土不排水强度参数测量方法实现原理示意图；
[0057]
图6为本发明示例的基于ofdr传感的软土应变感测原理示意图；
[0058]
图7为本发明示例的基于fbg传感的软土应变感测原理示意图；
[0059]
图8为本发明示例的软土应变随测量装置放置位置变化示意图；
[0060]
图9为本发明示例的软土应变随牵引时间变化示意图；
[0061]
图10为本发明示例的基于ofdr传感的测量方法与vst法测量剪切强度效果对比图。
具体实施方式
[0062]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0063]
常规的土体强度原位测试方法或仪器主要是圆锥贯入试验法(cpt)、十字板剪切
试验法(vst)、全流触探贯入仪。cpt法对不同的土壤类型和土体状态要求不同的校正因子，土壤内部水压带来的影响也需要校正，且测量的分辨率较低。vst法是一种离散的测量方法，不适用于膨胀性和粗粒的土壤，而且通过过高地给出原位强度测量值。后来出现了全流触探贯入仪，贯入仪通常是球形或t型，相较于传统的静态触探方式的cpt法和vst法，有获取参数更准确、不用修正的优点，但是对贯入仪的尺寸有限制，通常为了便于操作，贯入仪长度在150mm左右，且易受弯矩影响，还需考虑轴承阻力对测量参数的影响。另外，这些常规的测试方法都只适用于在土体中垂直方向的测量。
[0064]
光纤传感技术有着高准确度、高分辨率、抗电磁干扰的优点，分布式或准分布式测量的特性使其在物理量测量领域得到较为广泛的应用，包括土木工程领域、航天检测技术、电力传输、石油测井等，能够实现实时检测、高精度、稳定性佳、多路复用等。
[0065]
本发明的各方面涉及了软土不排水强度参数测量装置、系统及测量方法，装置结构简易，能够垂直插入软土或水平插入软土，测量土体垂直方向或水平方向上的强度参数分布。测量方法可实现原位测量，利用光纤感测到的应变值，基于力平衡建立与抗剪强度的计算关系，且基于光纤对土体应变变化的感测，本发明涉及的测量方法还可以用于计算土体的摩擦角、有效应力、单位重量、密度等参数，计算结果可用于指导使用海洋软土的吹填过程和造陆建造。
[0066]
如图1所示，本发明在示例方面提供一种利用ofdr传感技术的测量装置100，包括光纤101、薄圆片102和ofdr解调仪103。薄圆片102间隔串接在光纤101上，使得光纤101被插入土体并被牵引时，薄圆片102对软土进行剪切，光纤则可以感测沿光纤方向上感测点的应变。测量时光纤101的一端被插入软土中，另一端连接至ofdr解调仪103的输入端。测量装置100可以垂直地插入软土，也可以水平地插入软土，用于测量土体在垂直方向或水平方向上的应变分布，光纤感测到的应变读数用于计算软土的不排水强度参数。具体地，在一些示例中，测量装置100中可以包括两根光纤，两根光纤相互垂直地以端对端方式固定，每根光纤上都间隔串接有薄圆片102，两根光纤的另一端均连接至ofdr解调仪的输入端。具备两根互相垂直固定的光纤时，测量装置100可以同时测得土体垂直方向和水平方向上的应变分布。
[0067]
如图2所示，在示例方面本发明还提供一种利用fbg传感技术的测量装置200，包括光纤201、薄圆片202和fbg解调仪203，光纤201中复用有多个fbg传感器。测量装置200可以垂直地插入软土，也可以水平地插入软土，用于测量土体在垂直方向或水平方向上的应变分布，光纤感测到的应变读数用于计算软土的不排水强度参数，其连接方式和插入方式与上述的测量装置100类似，此处不再赘述，本领域技术人员可以参照上述示例对fbg型的测量装置200进行配置和安装。在一些示例方面，测量装置200也可以包括两根光纤，两根光纤相互垂直地以端对端方式固定，每根光纤上都间隔串接有薄圆片202，两根光纤的另一端均连接至fbg解调仪的输入端。具备两根互相垂直固定的光纤时，测量装置200可以同时测得土体垂直方向和水平方向上的应变分布。
[0068]
在示例方面，通常地薄圆片等距均匀地间隔串接在光纤上，薄圆片可以使用聚甲醛材料制成，聚甲醛具有高的力学性能，在强度、耐磨性、韧性、抗蠕变性等方面都是理想的材料。薄圆片还可以使用铜、不锈钢等金属制成。
[0069]
测量装置插入土体进行测量时，需要有牵引机构对光纤进行来回牵引，例如左右方向的牵引，上下方向的牵引，模拟对土体的剪切过程。还需要有导向机构，用于固定光纤
的活动范围，使其不至于在反复牵引中偏移过多。
[0070]
在示例方面，本发明提供一种具有上述示例的测量装置的测量系统。具体地如图3所示例的，本发明示例地提供了在垂直方向上测量系统的结构示意图，当然在其他示例情形中，测量系统可以水平插入土体，这不能视为对本发明的限制。
[0071]
图3的测量系统300包括测量装置310，牵引装置320和导向装置330。牵引装置包括有牵引线321，第一牵引电机322，第二牵引电机323。测量系统垂直插入软土时，测量装置310在导向装置的限位下插入软土，串接有薄圆片312的光纤311在导向装置330底部的一端与牵引线321的一端绕接，另一端经过安装在导向装置330外的第一牵引电机322连接至解调仪313的输入端，牵引线321的另一端连接至导向装置330外的第二牵引电机323。进行测量时，驱动第一牵引电机322对光纤311牵拉，使得光纤311向上移动，驱动第二牵引电机323对牵引线321牵拉，使得光纤311向下移动，薄圆片312在光纤被牵拉时对软土进行剪切，光纤311感测沿光纤方向上感测点的应变，应变读数用于计算软土的不排水强度参数。
[0072]
在一些示例中，牵引装置和导向装置可以根据测量位置和测量方式进行适配性设计，图4给出了一些示例情形。具体地，图4的测量系统400采用ofdr传感技术，测量装置410具有光纤411和间隔串接在光纤411上的薄圆片412；牵引装置420包括有牵引线421，第一牵引电机422，第二牵引电机423。导向装置430具有一个用于限定光纤411插入位置的框架431，和容纳软土的沉降柱432，框架设计为丁字形，具有供光纤411插入的限位空间和水平搭在沉降柱上方的固定件。在示例方面限位空间可以是垂直方向或水平方向的，这取决于测量系统以何种方位放置到软土中。导向装置底部还焊接有两个不锈钢圆环433，牵引线421穿过两个不锈钢圆环与光纤绕接。
[0073]
测量装置410在导向装置的限位下插入软土，光纤411在导向装置430底部的一端与牵引线421的一端绕接，另一端经过安装在导向装置430外的第一牵引电机422连接至ofdr解调仪413的输入端，牵引线421的另一端连接至导向装置430外的第二牵引电机423。进行原位测量时，测量系统400放置到软土中，沉降柱内容纳有驱动第一牵引电机422对光纤411牵拉，使得光纤411向上移动，驱动第二牵引电机423对牵引线421牵拉，使得光纤411向下移动，薄圆片412在光纤被牵拉时对软土进行剪切，光纤411感测沿光纤方向上感测点的应变，应变读数用于计算软土的不排水强度参数。在示例方面，牵引线采用钓鱼线或者钢绞线制成，其他具有良好拉扯和性能的材料也是可行的。
[0074]
利用上述提供的测量装置或测量系统，能够实现对土体应变的分布式或准分布式测量。在示例方面，本发明提供利用上述测量装置或测量系统测量软土不排水强度参数的方法。
[0075]
图5示出了该测量方法的工作原理，如示例的，光纤上等距间隔串接有若干个薄圆片，薄圆片的半径为r，薄圆片之间的间距为s，测量时光纤被上下牵引或左右牵引，薄圆片对软土进行剪切。为了更好的力学分析，这里取一个剪切柱面作为示例对计算过程进一步阐述。
[0076]
如图5所示，选取一个与薄圆片等半径r的剪切柱面，当受到一个方向的牵引力时，软土内部产生相反方向的应力变化，则基于力平衡理论，这个剪切柱面具有如下力平衡关系：
[0077]
p+dp＝p+2πrτdz，
[0078]
式中，p为感测点张力，r为剪切面半径，τ表示不排水抗剪强度，数值上等于剪切面上的剪切应力，z为光纤长度。
[0079]
光纤和软土之间的内摩擦在本示例中忽略不计，对于感测点的张力有如下计算关系：
[0080]
p＝e
faf
ε，
[0081]
式中，p为沿光纤方向的感测点张力，ef为光纤的弹性模量，af为光纤截面面积，ε为感测点应变读数。
[0082]
根据上述的力平衡关系式和张力计算式，感测点的不排水抗剪强度可以如下计算：
[0083][0084]
式中，α为剪切面形状的校正因子，其值可以通过校正试验计算得到。
[0085]
在一些示例中，可以不只是计算某个感测点的抗剪强度，还可以计算平均值。具体地，如图5示例的，取薄圆片为中心面，薄圆片间距s为柱高的柱体空间，则该柱体空间有两个底面的剪切面，在这两个剪切面上产生的平均切向应变分别是和用近似替代上式的dε，则计算的不排水抗剪强度为平均值，有如下计算关系：
[0086][0087]
对于ofdr传感技术，光纤对应变的感测原理有如下，如图6所示例的，ofdr解调仪主要由线性扫描激光源、耦合器和接收器组成。耦合器将入射光分成参考光和在光纤中传输的探测光，由于传输过程中或传感光纤固有的材料异质性和密度波动，探测光沿光纤发生瑞利散射，其中与探测光方向相反的散射光被引导回耦合器，散射光和反射参考光的拍频干涉由耦合器产生并由接收器分析。散射光的光谱是沿光纤距离的函数，从而实现分布式传感，软土应变的变化引起散射光谱的变化，因此探测光的波长及频率与应变的关系可以简单地描述为：
[0088][0089]
其中λ和ν分别表示探测光的波长和频率，δλ和δν表示波长和频率的变化量，k
ε
是应变系数。
[0090]
此处仅仅是以ofdr传感技术为例，其他的分布式传感技术，例如布里渊光时域分析(botda)、布里渊光时域反射仪(botdr)等，其对应变的感测原理与ofdr传感技术相似，使用在本发明的测量方法中作为应变感测的步骤也是被允许的。
[0091]
在示例方面，本文还对准分布式传感的工作原理进行一并说明。如图7所示例的，波长为λ的入射光信号通过刻在光纤中的布拉格光栅，反射布拉格波长为λb的信号，该波长由下式确定，
[0092]
λb＝2n
eff
λ，
[0093]
式中n
eff
是光纤纤芯的有效折射率，λ是光栅周期。
[0094]
软土应变的变化引起布拉格波长变化即δλb，两者的关系可以由下式描述：
[0095][0096]
其中λ
b0
是初始布拉格波长，pe是有效光弹系数，c
ε
是应变系数，通常取值为0.78。
[0097]
目前成熟的的ofdr传感技术在120m的测量距离上具有1mm的空间分辨率和1με的被测分辨率，而当前商用的fbg解调仪对于波长变化具有2pm的被测分辨率，这保证了本发明提出的测量方法的分辨率和准确性。容易理解的是，如果其他新的或更好的分布式和多路复用光纤传感技术具有更好的性能，这些技术也可以用于本发明提出的测量方法中对海洋软土相关物理量测量。
[0098]
在示例方面，本发明还对利用上述测量装置/测量系统测量其他强度参数例如摩擦角、有效应力等的测量计算进一步阐述。
[0099]
如示例的，对于软土摩擦角的计算，垂直方向上的剪切应力(抗剪强度)可以表示为τv＝fvσ
′h，水平方向上的剪切应力(抗剪强度)可以表示为τh＝fhσ
′v，假设软土是各向同性的，则有性的，则有表示摩擦角，又已知σ
′h＝k0μ
′v，则可以如下根据垂直和水平方向上的剪切应力表达式计算得到k0，
[0100][0101]
时即可以如下计算得到摩擦角：
[0102][0103]
进而根据求解的摩擦角和剪切应力表达式可以反演算得到垂直方向和水平方向上的有效应力分别是和
[0104]
在更多的示例中，本发明的测量装置和测量系统还可以用于计算软土的单位重量、密度等物理量。
[0105]
如示例的，图8示出了使用本发明的ofdr测量装置或测量系统测得沿光纤方向软土应变分布情况，图9示出了实验条件下使用本发明提出的测量方法测得软土剪切应力(抗剪强度)随光纤被牵引时间变化的变化情况，可以看到随着牵引时间的变化，使用本发明的测量装置对应变的感测是连续的，且具有高分辨率，即便是在7m深也能感测到软土的应变变化。进一步地，图10示出了本发明提出的测量方法和传统vst法对剪切强度测量的效果对比，vst法在软土700mm以上的分辨率是不足的，基本不能测量到700mm以上的剪切强度，而本发明的测量方法的分辨率明显要高于vst法，且可以用于计算不同的强度参数。
[0106]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。