土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法及其裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置，包括標(biāo)定與試驗(yàn)主箱、應(yīng)變感測光纖、光纖解調(diào)儀、數(shù)字圖像采集與分析裝置；所述試驗(yàn)主箱前后兩面為透明的剛性板，內(nèi)部填充有分層壓實(shí)的土體；所述應(yīng)變感測光纖沿水平向和/或豎向逐段鋪設(shè)于土體中；所述光纖解調(diào)儀與應(yīng)變感測光纖連接并采集土體內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù)；所述數(shù)字圖像采集與分析裝置用于測量與前后透明剛性板相接觸土體的位移與應(yīng)變。本發(fā)明能對土體變形的分布式光纖監(jiān)測讀數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，研究土體與光纖之間的相互作用及變形耦合性，并獲取在加載、卸載、開挖、滲流等不同工況下土體內(nèi)部應(yīng)變的時(shí)空演化規(guī)律。
【專利說明】
土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法及其裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及土體變形及分布式光纖監(jiān)測工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土體的變形量是評價(jià)土體穩(wěn)定狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對于邊坡填筑、堤壩施工和隧道開挖等一些大型工程，實(shí)施分布式變形監(jiān)測有助于及時(shí)獲取土體受力和變形異常部位，采取相應(yīng)的工程對策，以保證工程的正常施工和運(yùn)行?，F(xiàn)有的非接觸式土體變形測量技術(shù)，比如全球定位系統(tǒng)、遙感、激光掃描和攝影測量，僅能獲取土體表面的變形信息，且其測量精度通常不高。而邊坡測斜儀、鉆孔引伸計(jì)等巖土監(jiān)測儀器雖能在工程中測量土體的內(nèi)部變形，但是較難實(shí)施遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和長期的監(jiān)測，且其測量距離、范圍通常不大，存在監(jiān)測盲區(qū)。
[0003]近年來分布式光纖監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，在土體變形監(jiān)測中的應(yīng)用也越來越多。借助準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵(FBG)、全分布式布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)和布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)等監(jiān)測技術(shù)，可以自動獲取沿整根光纖長度方向上應(yīng)變、溫度等監(jiān)測信息的分布情況。與傳統(tǒng)監(jiān)測方法相比，分布式光纖監(jiān)測具有數(shù)據(jù)采集量大、采樣間隔小、所得結(jié)果精度較高、適合長距離監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，所以在土體變形測量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。最近國內(nèi)外一些研究者直接將應(yīng)變感測光纖埋入待監(jiān)測的土體中，基于光纖傳感數(shù)據(jù)來分析土體的變形狀態(tài)和穩(wěn)定程度。這一方法施工較為便捷，但是土體和應(yīng)變感測光纖之間的相互作用機(jī)理和協(xié)調(diào)變形問題沒有得到充分的認(rèn)識，同時(shí)對于應(yīng)變感測光纖的選用和錨固點(diǎn)的設(shè)置也沒有科學(xué)依據(jù)，因而光纖監(jiān)測結(jié)果的可靠性具有很大的不確定性，極大程度上制約了該技術(shù)在工程中的推廣應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法及其裝置。
[0005]本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:一種土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法，包括步驟如下:
[0006]第一步，在標(biāo)定與試驗(yàn)主箱前后透明的剛性板上貼上標(biāo)記點(diǎn)；
[0007]第二步，制備試驗(yàn)用土樣，在標(biāo)定與試驗(yàn)主箱中采用落砂法或壓實(shí)法分層填筑地基模型；
[0008]第三步，當(dāng)?shù)鼗钪綉?yīng)變感測光纖的布設(shè)位置時(shí)，將應(yīng)變感測光纖預(yù)拉一定應(yīng)變后鋪設(shè)于土中；
[0009]第四步，待所有應(yīng)變感測光纖鋪設(shè)完畢后，將所有光纖采用并聯(lián)或串聯(lián)的方式相互連接，并采用傳輸光纖接到光纖解調(diào)儀接口上；
[0010]第五步，在填筑完成的地基模型表面居中設(shè)置加壓裝置；
[0011]第六步，將數(shù)字圖像采集與分析裝置分別置于透明剛性板的兩側(cè)；
[0012]第七步，開始試驗(yàn)，光纖解調(diào)儀連續(xù)讀數(shù);加壓裝置分級施加荷載;數(shù)字圖像采集與分析裝置連續(xù)拍攝采集與透明剛性板相接觸的土體照片;使用數(shù)字圖像處理軟件分析所拍攝到的一系列照片，將所得到的土體應(yīng)變結(jié)果與光纖監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，并采用光纖應(yīng)變標(biāo)定程序?qū)饫w應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。
[0013]所述的數(shù)字圖像處理軟件是基于數(shù)字圖像相干法或粒子圖像測速法。
[0014]所述的光纖應(yīng)變標(biāo)定程序采用數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)按εΡο5= ζε?ΙΡ對光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，其中eDIP為數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)，epos為光纖測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，ζ為標(biāo)定系數(shù)。
[0015]用于所述的土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法中的裝置，包括標(biāo)定與試驗(yàn)主箱、應(yīng)變感測光纖、光纖解調(diào)儀、數(shù)字圖像采集與分析裝置;所述標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的前后兩面設(shè)有透明的剛性板，另外兩個側(cè)板為剛性板，內(nèi)部填充有分層壓實(shí)的土體，所述應(yīng)變感測光纖沿水平向和/或垂直于底面逐段鋪設(shè)于土體中，所述的前后透明剛性板上對應(yīng)應(yīng)變感測光纖的周圍設(shè)有標(biāo)記點(diǎn)，所述的土體上還設(shè)有加壓裝置;所述光纖解調(diào)儀與應(yīng)變感測光纖連接;所述數(shù)字圖像采集與分析裝置設(shè)于標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的前后;所述的應(yīng)變感測光纖上設(shè)有應(yīng)變感測傳感器。
[0016]所述的剛性側(cè)板上設(shè)有光纖穿透孔。
[0017]所述數(shù)字圖像采集與分析裝置包括高像素?cái)?shù)碼相機(jī)與計(jì)算機(jī)。
[0018]所述的加壓裝置包括加載板和砝碼或千斤頂。
[0019]有益效果:采用本發(fā)明專利的土體變形光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置，能使用數(shù)字圖像采集與分析裝置對土體變形光纖監(jiān)測的讀數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上研究土與光纖的相互作用機(jī)理及變形耦合性，并獲取在加載、卸載、開挖、滲流等不同工況下土體內(nèi)部應(yīng)變分布的時(shí)空演化規(guī)律。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(正視圖)。
[0021]圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖(1-1剖面圖)。
[0022]圖3是采用本發(fā)明一實(shí)例的使用方法測得的側(cè)壁土體水平向線應(yīng)變云圖。
[0023]圖4是采用本發(fā)明一實(shí)例的使用方法測得的土體光纖應(yīng)變值與數(shù)字圖像處理結(jié)果的對比圖。
[0024]圖5是采用本發(fā)明一實(shí)例的使用方法對光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)的標(biāo)定結(jié)果。
[0025]圖6是采用本發(fā)明一實(shí)例的使用方法測得的不同部位土體在不同荷載下的應(yīng)變-時(shí)間分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明作更為具體的描述。
[0027]—種土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置，包括標(biāo)定與試驗(yàn)主箱、應(yīng)變感測光纖、光纖解調(diào)儀、數(shù)字圖像采集與分析裝置;所述標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的前后兩面為透明剛性板，另外兩個側(cè)板為剛性板，內(nèi)部填充有分層壓實(shí)的土體;所述應(yīng)變感測光纖沿水平向和/或豎向逐段鋪設(shè)于土體中；所述光纖解調(diào)儀與應(yīng)變感測光纖連接并采集土體內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù);所述數(shù)字圖像采集與分析裝置用于測量與前后透明剛性板相接觸土體的位移與應(yīng)變，并對光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。
[0028]作為上述方案的進(jìn)一步優(yōu)化，所述標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的兩剛性側(cè)板有若干小孔用于穿過橫向布置的光纖，兩透明剛性板外側(cè)貼有若干紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)。
[0029]進(jìn)一步地，所述數(shù)字圖像采集與分析裝置還包括:
[0030](I)紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn);所述紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)按一定間隔貼于兩透明剛性板外側(cè)；
[0031](2)兩臺高像素相機(jī);所述兩臺高像素相機(jī)分別置于兩透明剛性板側(cè)，并拍攝與透明剛性板相接觸的土體；
[0032](3)數(shù)字圖像處理軟件；所述數(shù)字圖像處理軟件基于數(shù)字圖像相干法(DigitalImage Correlat1n，簡稱DIC)或粒子圖像測速法(Particle Image Velocimetry，簡稱PIV)等。
[0033](4)光纖應(yīng)變標(biāo)定程序;所述光纖應(yīng)變標(biāo)定程序采用數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)按EFCis = GeDip對光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，其中eDIP為數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)，eFQS為光纖測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，ζ為標(biāo)定系數(shù)。
[0034]實(shí)施例
[0035]如圖1和圖2所示，一種土體變形光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置，它包括標(biāo)定與試驗(yàn)主箱、應(yīng)變感測光纖、光纖解調(diào)儀、數(shù)字圖像采集與分析裝置;所述標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的前后兩面為透明剛性板，另外兩個側(cè)板為剛性板，內(nèi)部填充有分層壓實(shí)的土體;所述應(yīng)變感測光纖沿水平向和/或豎向逐段鋪設(shè)于土體中；所述光纖解調(diào)儀與應(yīng)變感測光纖連接并采集土體內(nèi)部應(yīng)變數(shù)據(jù);所述數(shù)字圖像采集與分析裝置用于測量與前后透明剛性板相接觸土體的位移與應(yīng)變。
[0036]所述標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的兩剛性側(cè)板有若干小孔用于穿過橫向布置的光纖，兩透明剛性板外側(cè)貼有若干紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)。所述數(shù)字圖像采集與分析裝置還包括:(I)紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)；所述紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)按一定間隔貼于兩透明剛性板外側(cè)；(2)兩臺高像素相機(jī);所述兩臺高像素相機(jī)分別置于兩透明剛性板側(cè)，并拍攝與透明剛性板相接觸的土體；(3)數(shù)字圖像處理軟件;所述數(shù)字圖像處理軟件基于數(shù)字圖像相干法或粒子圖像測速法等；(4)光纖應(yīng)變標(biāo)定程序;所述光纖應(yīng)變標(biāo)定程序采用數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)按= 對光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，其中eDIP為數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)，epos為光纖測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，ζ為標(biāo)定系數(shù)。
[0037]本實(shí)施例提供的上述土體變形光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置的測試方法包括步驟如下:
[0038]I)在模型箱前后透明剛性板上按一定間隔貼上紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)；
[0039]2)制備試驗(yàn)用土樣，在標(biāo)定與試驗(yàn)主箱中采用落砂法或壓實(shí)法分層填筑地基模型；
[0040]3)當(dāng)?shù)鼗钪綉?yīng)變感測光纖的布設(shè)位置時(shí)，將應(yīng)變感測光纖預(yù)拉一定應(yīng)變后鋪設(shè)于土中；
[0041]4)待所有應(yīng)變感測光纖鋪設(shè)完畢后，將所有光纖采用并聯(lián)或串聯(lián)的方式相互連接，并采用傳輸光纖接到光纖解調(diào)儀接口上。試驗(yàn)開始后，光纖解調(diào)儀連續(xù)讀數(shù)；
[0042]5)在填筑完成的地基模型表面居中放置一塊加載板，試驗(yàn)開始后采用砝碼或千斤頂分級施加荷載；
[0043]6)將兩臺高像素?cái)?shù)碼相機(jī)分別置于透明剛性板的兩側(cè)，試驗(yàn)開始后連續(xù)拍攝與透明剛性板相接觸的土體照片；
[0044]7)使用數(shù)字圖像處理軟件分析高像素?cái)?shù)碼相機(jī)所拍攝到的一系列照片，將所得到的土體應(yīng)變結(jié)果與光纖監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，并采用光纖應(yīng)變標(biāo)定程序?qū)饫w應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。
[0045]本實(shí)施例的土體變形光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)裝置在具體使用時(shí)，首先將含水率為4%的砂土過2mm的篩，然后采用落砂法在標(biāo)定與試驗(yàn)主箱(尺寸長X寬X高為50cm X 25cmX 50cm)內(nèi)填筑砂土地基模型(平均密度為1.47g/cm3，相對密實(shí)度為0.248)。在砂土地基模型內(nèi)部分層安裝3根應(yīng)變感測光纖，光纖豎向間距為3.3cm，每根光纖上串有3個FBG應(yīng)變感測傳感器，傳感器間距為10cm。每根應(yīng)變感測光纖中間的FBG傳感器編號為2，兩側(cè)記為I和3 ο將3根應(yīng)變感測光纖(從上之下標(biāo)記為Hl、H2、H3)分別連至FBG光纖解調(diào)儀，并自動采集讀數(shù)。當(dāng)然也可以按同樣的方式在垂直地面方向設(shè)置兩根應(yīng)變感測光纖記為Vl、V2連接至FBG光纖解調(diào)儀。在模型箱前后透明剛性板上按1cm間隔貼上3層紙質(zhì)圓形標(biāo)記點(diǎn)。待地基模型填筑完成后，在中央放置1cmX 25cmX Icm的鋁板作為加載板，然后采用砝碼施加靜力荷載。試驗(yàn)中總共施加了 3級荷載，荷載增量分別為4kPa、8kPa以及8kPa。每施加一級荷載，采用佳能EOS 600D數(shù)碼相機(jī)在模型箱前后兩側(cè)壁外進(jìn)行連續(xù)拍照。拍攝所得的照片采用PIV數(shù)字圖像處理軟件進(jìn)行分析，得到側(cè)壁土體的水平向線應(yīng)變云圖，如圖3所示。將FBG監(jiān)測得到的土體應(yīng)變與數(shù)字圖像處理得到的側(cè)壁對應(yīng)點(diǎn)土體的應(yīng)變進(jìn)行對比分析，可對FBG光纖監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，如圖4和圖5所示。本實(shí)施例中光纖應(yīng)變標(biāo)定系數(shù)ζ = 0.705 ο同時(shí)FBG還監(jiān)測得到了砂土地基模型在各級荷載下不同部位土體的應(yīng)變時(shí)程曲線，如圖6所示。
[0046]需要說明的是，除上述實(shí)施例外，本發(fā)明專利還可以有其它實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明專利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法，其特征在于，包括步驟如下: 第一步，在標(biāo)定與試驗(yàn)主箱前后的透明剛性板上貼上標(biāo)記點(diǎn)； 第二步，制備試驗(yàn)用土樣，在標(biāo)定與試驗(yàn)主箱中采用落砂法或壓實(shí)法分層填筑地基模型； 第三步，當(dāng)?shù)鼗钪綉?yīng)變感測光纖的布設(shè)位置時(shí)，將應(yīng)變感測光纖預(yù)拉一定應(yīng)變后鋪設(shè)于土中； 第四步，待所有應(yīng)變感測光纖鋪設(shè)完畢后，將所有光纖采用并聯(lián)或串聯(lián)的方式相互連接，并采用傳輸光纖接到光纖解調(diào)儀接口上； 第五步，在填筑完成的地基模型表面居中設(shè)置加壓裝置； 第六步，將數(shù)字圖像采集與分析裝置分別置于透明的剛性板的兩側(cè)； 第七步，開始試驗(yàn)，光纖解調(diào)儀連續(xù)讀數(shù);加壓裝置分級施加荷載;數(shù)字圖像采集與分析裝置連續(xù)拍攝采集與透明剛性板相接觸的土體照片;使用數(shù)字圖像處理軟件分析所拍攝到的一系列照片，將所得到的土體應(yīng)變結(jié)果與光纖監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，并采用光纖應(yīng)變標(biāo)定程序?qū)饫w應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法，其特征在于，所述的數(shù)字圖像處理軟件是基于數(shù)字圖像相干法或粒子圖像測速法。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法，其特征在于，所述的光纖應(yīng)變標(biāo)定程序采用數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)按eFQS = GeDIP對光纖應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，其中ewp為數(shù)字圖像處理所得應(yīng)變數(shù)據(jù)，為光纖測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，ζ為標(biāo)定系數(shù)。4.用于權(quán)利要求1?3任一所述的土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法中的裝置，其特征在于，包括標(biāo)定與試驗(yàn)主箱、應(yīng)變感測光纖、光纖解調(diào)儀、數(shù)字圖像采集與分析裝置；所述標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的前后兩面設(shè)有透明的剛性板，另外兩個側(cè)板為剛性板，內(nèi)部填充有分層壓實(shí)的土體，所述應(yīng)變感測光纖沿水平向和/或垂直于底面逐段鋪設(shè)于土體中，所述的前后透明剛性板上對應(yīng)應(yīng)變感測光纖的周圍設(shè)有標(biāo)記點(diǎn)，所述的土體上還設(shè)有加壓裝置；所述光纖解調(diào)儀與應(yīng)變感測光纖連接;所述數(shù)字圖像采集與分析裝置設(shè)于標(biāo)定與試驗(yàn)主箱的前后;所述的應(yīng)變感測光纖上設(shè)有應(yīng)變感測傳感器。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法中的裝置，其特征在于，所述的剛性側(cè)板上設(shè)有光纖穿透孔。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法中的裝置，其特征在于，所述數(shù)字圖像采集與分析裝置包括高像素?cái)?shù)碼相機(jī)與計(jì)算機(jī)。7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于土體變形分布式光纖監(jiān)測標(biāo)定與試驗(yàn)方法中的裝置，其特征在于，所述的加壓裝置包括加載板和砝碼或千斤頂。
【文檔編號】G01B11/16GK105865365SQ201610382460
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月1日
【發(fā)明人】朱鴻鵠, 張誠成, 施斌, 李飛, 許星宇, 董文文, 王德洋, 朱泳
【申請人】南京大學(xué)