[發明專利]一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置及方法

在審

• 申請號: 201710983777.8
• 申請日: 2017-10-20
• 公開（公告）號: CN107727483A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 朱鴻鵠;周谷宇;朱寶;施斌
• 申請（專利權）人: 南京大學（蘇州）高新技術研究院
• 主分類號: G01N3/00
• 分類號: G01N3/00;G01N3/24
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 馮慧

技術鄰域：

本發明涉及光纖感測和地基原位測試領域，具體涉及一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置及方法。

技術背景：

土體作為一種天然生成的三相介質，一般具有含水率高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低等特點，在工程施工中的危害性大，常造成地基破壞、邊坡失穩等問題。因此快速有效地測定地基土體的物理力學性質是巖土工程中的重要課題。目前，常用的地基原位測試方法包括平板荷載試驗、十字板剪切試驗和靜力觸探試驗等。

一般而言，平板荷載試驗是確定地基承載力最直接也相對準確的原位測試方法，但該方法成本較高，耗時費力，限制了其在工程中的應用。十字板剪切試驗多為手動操作，人工誤差大。近年來開始出現的電測式十字板剪切試驗和靜力觸探試驗在理論上較為完善，具有快速、經濟、節省人力等優點，但這兩種方法只能測量單個物理量，且應變片的測量精度有限，在現場測試過程中可能會受到電磁干擾，應變片在潮濕環境中容易發生短路，不適合富水地層土體的測試。

光纖傳感器因具有靈敏度高、穩定性好、耐腐蝕、抗電磁波干擾、準分布式等優點，近年來得到了飛速的發展。其中，光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，簡稱光纖光柵)是目前比較成熟的光纖傳感技術，已廣泛應用于地質工程、巖土工程和水利工程等多個領域，為地基原位測試方法的革新提供了一種有力的工具。光纖光柵的傳感原理是，當寬帶入射光進入光纖時，光纖光柵會反射特定波長的光，反射光的中心波長λ_B和應變Δε、溫度ΔT之間滿足以下關系：

式中：K_ε為應變傳感靈敏度系數，K_T為溫度傳感靈敏度系數，Δλ_B為中心波長的變化量。對于一般的光纖光柵傳感器，K_ε≈0.78×10^-6με^-1，K_T≈6.67×10^-6℃^-1。光纖光柵的中心波長對溫度和應變都極為敏感，所以光纖光柵應變傳感器和溫度傳感器具有很高的精度。同時，不同中心波長的光纖光柵可以串聯使用，組成準分布式的傳感序列，實現對光纖沿線應變或溫度數據的自動采集。

發明內容

針對現有地基原位測試技術的不足，本發明的目的是提供一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置及方法。與傳統方法相比，本發明具有精確度高、穩定性好、防水性好、抗電磁干擾能力強、多參量監測、自動實時監測等優點，可同時獲取錐尖阻力、土體抗剪強度和探頭溫度，并通過光纖光柵無線解調儀實現監測數據的自動采集、遠程傳輸等功能。

本發明采用了如下技術方案：一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置，包括多功能探頭、迥轉鉆進裝置、光纖光柵無線解調儀、機箱外殼和底座，多功能探頭穿過底座貫入地基土體中，另一頭連接迥轉鉆進裝置再經由信號傳輸光纖與光纖光柵無線解調儀連接，迥轉鉆進裝置外設機箱外殼，機箱外殼和底座連接；所述的多功能探頭包括Y字形板頭和錐尖測頭，錐尖測頭安裝在Y字形板頭的底端；所述的迥轉鉆進裝置包括探桿、卡盤、步進電機、安裝平臺、壓入主機和固定裝置，所述的探桿自下而上貫穿整個迥轉鉆進裝置，依次穿過卡盤、步進電機、安裝平臺和壓入主機，探桿底部與多功能探頭連接；迥轉鉆進裝置通過固定裝置安裝在機箱外殼內壁；所述的底座下部設置滾輪和支座。

所述的Y字形板頭由三塊夾角互為120°的三角形金屬側板組成，各金屬側板上都安裝側板光纖光柵應變傳感器，側板光纖光柵應變傳感器通過信號傳輸光纖互相串聯。

所述的Y字形板頭的側板上刻有細槽，側板光纖光柵應變傳感器緊緊黏貼在細槽中間，表面覆蓋一層環氧樹脂。

所述的錐尖測頭由下往上依次設置錐尖頭、傳力柱、彈性金屬膜片、錐尖頭光纖光柵應變傳感器和光纖光柵溫度傳感器；錐尖頭光纖光柵應變傳感器緊貼在彈性金屬膜片上，通過信號傳輸光纖與光纖光柵溫度傳感器串聯。

所述的彈性金屬膜片為四周固定的等厚度圓形薄板。

所述的探桿為單個或多個串聯，探桿側邊開有細縫，剛好允許信號傳輸光纖穿過細縫，并放置在探桿中空部分。

使用所述的一種基于光纖光柵用于地基原位測試的貫入剪切裝置的方法，包括如下步驟：

1)清場、就位：清理并平整待測場地，裝置底座固定在待測地基上方，將信號傳輸光纖連接至光纖光柵無線解調儀；

2)貫入：壓入主機提供推力，將多功能探頭垂直貫入到所要測試的地基深度，測量多功能探頭的錐尖阻力和溫度變化；