[發明專利]一種基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試方法及裝置

在審

• 申請號: 201810770673.3
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN108801357A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發明（設計）人: 朱鴻鵠;李豪杰;程剛;施斌;吳海穎
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02
• 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

本發明涉及一種基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試方法及裝置。底座上設置機箱外殼，機箱外殼內相對的兩側內壁設置一對表面設有限位裝置的豎軌，豎軌之間設置承臺，承臺能夠沿豎軌上下滑動，并能夠通過豎軌表面的限位裝置固定在豎軌的任意位置，承臺上設置步進電機，探桿自上而下貫穿過機箱外殼頂部、步進電機、承臺和底座，貫入地基土或土樣中；所述的探桿底部與可替換鉆頭連接，所述的傳動探桿與步進電機的主動齒輪咬合，底部與貫入探桿固定連接；通過信號傳輸光纖串聯光纖光柵傳感器，信號傳輸光纖與手持式FBG解調模塊連接。清理待測場地，固定裝置，將信號傳輸光纖連接至手持式FBG解調模塊；令貫入探桿與鉆頭垂直貫入所要測試的地基土或土樣中；拔出探桿，結束測試。

技術領域

本發明涉及光纖傳感、土體強度指標測試與土體微觀結構性分析領域，具體涉及一種基于光纖光柵的用于工程地基土以及室內試驗土體力學特性與微觀結構性測定的便攜式貫入綜合測試裝置及實現方法。

背景技術

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工程性質指標以及對地基土分類分層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(PLT)、十字板剪切試驗(VST)、標準貫入(SPT)和靜力觸探試驗(CPT)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，這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、扭力計等傳感元件的測量精度有限、耐久性差，在現場測試過程中，讀數會受到潮濕環境和電磁場的干擾，尤其不適用于富水地層土體的測試。此外，現有的地基土原位測試設備體積笨重，在丘陵、山區等現場組裝、測試和移動十分困難，這些不利因素大大限制了這些方法的應用。

光纖傳感器因具有體積小巧、靈敏度高、穩定性好、耐腐蝕、抗電磁波干擾、可分布式監測等優點，近年來在工程中得到了越來越廣泛的應用。其中，光纖布拉格光柵(fiberBragg grating，簡稱光纖光柵)是目前比較成熟的光纖傳感技術，已被成功應用于地質工程、巖土工程、水利工程和交通工程等多個領域，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為波長變化量。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應變和溫度都極為敏感，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，實現對光纖沿線各點應變和溫度數據的實時、自動采集。

發明內容

針對現有地基原位測試技術的不足，本發明旨在提供一種基于光纖光柵的便攜式多功能土體貫入綜合測試裝置及實現方法，可以用于工程地基土以及室內試驗土體力學特性與微觀結構性測定。與傳統方法相比，本發明采用一體化設計，具有方便攜帶和操作、精確度高、耐久性和穩定性好、抗電磁干擾能力強、多參量監測、自動實時監測等優點，可同時獲取鉆頭阻力、側壁阻力、地基承載力、變形模量及其分類與土體分層情況以及土體內部微觀結構性、不均勻性以及團聚體的分布特征，并通過手持式FBG解調模塊實現監測數據的自動采集、記錄和儲存等功能。