本发明涉及一种利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法及测试设备。现行规范的和传统的路堤测试方法其局限性很大。本发明的方法包括（1）光纤光栅的布设；（2）光纤光栅载体选择及光栅封装；（3）埋置位置及深度的确定；（4）各物理参数：变形、温度、应力的测试所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中，光纤光栅数据采集仪的光源、电源、传感器集成一体化；试验过程采用重载汽车对路基进行加载，加载过程中通过所述的光纤光栅采集仪采集试验数据，传输到光纤光栅数据解调仪的终端采集设备，光纤光栅数据解调仪对数据采集、分析和处理，实现重载作用下路基的变形、温度和应力的多场测试。本发明应用于寒区砂类土路堤进行多场测试的方法。
1.一种利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，其特征是：其方法包括以下步骤：
（4）各物理参数：变形、温度、应力的测试：数据的采集需光纤光栅数据采集仪和光纤光栅数据解调仪；光纤光栅解调仪应为测量低速变化，像应力、温度和压力的参数而设计的，其容量允许在一根光纤上同时连接大于40 个FBG 传感器；所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中，光纤光栅数据采集仪的光源、电源、传感器集成一体化；试验过程采用重载汽车对路基进行加载，加载过程中通过所述的光纤光栅采集仪采集试验数据，传输到光纤光栅数据解调仪的终端采集设备，光纤光栅数据解调仪对数据采集、分析和处理，实现重载作用下路基的变形、温度和应力的多场测试；
所述的步骤（1）光纤光栅的布设：首先，使用的光栅为光纤布拉格光栅，其是光纤光栅传感器中一种重要的基本传感元件，简称为FBG ；其次，截取两个光栅点之间的梁段为一个计算单元，其变形计算使用连续体在小变形下的几何方程；
所述的步骤（2）光纤光栅载体选择及光栅封装：光栅不能直接埋入，需要如ABS 塑料、PVC 管、PPR 管、碳纤维的载体材料，保证光纤光栅在载体材料支撑保护下可抵御恶劣环境，不受损坏，采用管式封装方式将光纤光栅封装到一定载体上；封装管采用非透明塑料管，胶黏剂采用环氧树脂胶，封装时将FBG 光栅直接用环氧树脂粘贴在塑料管上，而光纤部分采用铠装跳线进行保护；为了构成悬臂梁结构，采用以钢管作为固定端，在钢管上钻两个大于监测管直径的孔，将监测管插入孔内，用环氧树脂粘结剂将监测管固定到孔上；然后利用静压设备将装好监测管的钢管压入路基内；测试时，首先测得FBG光栅水平变形，即为检测管水平变形，然后根据悬臂梁结构特点，应用弹性力学的方法，计算得到测试管的竖向变形，即为土体的竖向变形；悬臂梁结构一端需要使用桩进行固定，并且在测试周期内桩的高程不能发生任何变化，但是由于寒区冬季气温极低，土体易发生冻胀现象，势必影响桩的高程，因此，在埋设桩时，采用砂作为回填材料，以防止冻胀现象对桩高程的影响；利用光纤光栅传感技术对砂类土路堤在荷载、温度及水多场耦合作用下的强度和稳定性进行检测，对砂类土路堤的变形、应力参数进行动态检测，实现荷载、温度及水多场耦合作用下的土体位移、压力的检测，并且不受低温和潮湿环境的限制；
所述的步骤（3）埋置位置及深度的确定：光纤光栅布置的空间相对位置，一是路堤轮迹带，二是基桩的位置；为了监测荷载作用下不同深度路基变化，将监测管埋置于路基的不同深度，其监测深度可控制在路基以下为0-100cm 的范围；
对寒区砂类土路堤进行多场测试的光纤光栅设备组成包括：光纤光栅数据采集仪和光纤光栅数据解调仪，所述的光纤光栅数据采集仪的光纤上同时连接大于40 个FBG 传感器；
每个光栅点装有传感器，2 个光栅点之间设置为一个计算单元，光源、电源、传感器集成一体化，所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中；
所使用的光栅为光纤布拉格光栅，光纤光栅载体选择及光栅封装：光栅通过ABS 塑料、PVC 管、PPR 管、碳纤维材料的管路采用环氧树脂胶进行管式封装，封装时光纤部分采用铠装跳线进行保护；
所述的管路外固定有悬臂梁结构，采用以钢管作为固定端，在钢管上钻有安装监测管插孔，所述的管路用环氧树脂粘结剂将监测管固定到所述的孔上；然后利用静压设备将装好监测管的钢管压入路基内。
利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试方法及设备
[0001] 技术领域：
[0002] 本发明涉及一种利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法及测试专用设备。
[0003] 背景技术：
[0004] 现行规范的和传统的路堤测试方法中，大部分为室内试验，仅有承载比和抗压弹性模量法可以进行室外试验；室内试验不能模拟实际工程工况，仅能对路堤土材料本身质量进行检验，检验结果有很大的局限性；CBR、贝克曼梁以及落锤式弯沉仪是目前我国路堤现场检测最为传统并且是公路行业规范中规定使用的测定路堤回弹模量的方法，但是这些方法最大的局限就是必须在路堤铺筑完成，而未进行路面结构铺筑前进行检测，即只能在公路施工过程中进行现场检测；而路堤在长期使用过程中，其性状将随荷载作用以及温度、水环境因素的变化而变化；特别是在寒区，公路路堤长期处于复杂多变的自然环境中，冻融循环和日益增加的重载车辆加速了砂类土路堤的破坏速度，如何检测寒区砂类土路堤在荷载、温度及水等多场耦合作用下强度与稳定性迫在眉睫，而上述传统检测方法在公路通车使用后检测多场作用下路堤的强度和稳定性方面显得束手无策。
[0005] 发明内容：
[0006] 本发明的目的是提供一种利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法。
[0007] 上述的目的通过以下的技术方案实现：
[0008] 一种利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，其方法包括以下步骤：
[0009] （1）光纤光栅的布设；（2）光纤光栅载体选择及光栅封装；（3）埋置位置及深度的确定；（4）各物理参数：变形、温度、应力的测试：数据的采集需光纤光栅数据采集仪和光纤光栅数据解调仪；光纤光栅解调仪应为测量低速变化，像应力、温度和压力的参数而设计的，其容量允许在一根光纤上同时连接大于40个FBG传感器；所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中，光纤光栅数据采集仪的光源、电源、传感器集成一体化；试验过程采用重载汽车对路基进行加载，加载过程中通过所述的光纤光栅采集仪采集试验数据，传输到光纤光栅数据解调仪的终端采集设备，光纤光栅数据解调仪对数据采集、分析和处理，实现重载作用下路基的变形、温度和应力的多场测试。
[0010] 所述的利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，所述的步骤（1）光纤光栅的布设：首先，使用的光栅为光纤布拉格光栅，其是光纤光栅传感器中一种重要的基本传感元件，简称为FBG；其次，截取两个光栅点之间的梁段为一个计算单元，其变形计算使用连续体在小变形下的几何方程。
[0011] 所述的利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，所述的步骤（2）光纤光栅载体选择及光栅封装：光栅不能直接埋入，需要如ABS塑料、PVC管、PPR管、碳纤维的载体材料，保证光纤光栅在载体材料支撑保护下可抵御恶劣环境，不受损坏，采用管式封装方式将光纤光栅封装到一定载体上；封装管采用非透明塑料管，胶黏剂采用环氧树脂胶，封装时将FBG光栅直接用环氧树脂粘贴在塑料管上，而光纤部分采用铠装跳线进行保护；为了构成悬臂梁结构，采用以钢管作为固定端，在钢管上钻两个大于监测管直径的孔，将监测管插入孔内，用环氧树脂粘结剂将监测管固定到孔上；然后利用静压设备将装好监测管的钢管压入路基内。
[0012] 所述的利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，所述的步骤（3）埋置位置及深度的确定：光纤光栅布置的空间相对位置，一是路堤轮迹带，二是基桩的位置；为了监测荷载作用下不同深度路基变化，将监测管埋置于路基的不同深度，其监测深度可控制在路基以下为0-100cm的范围。
[0013] 一种上述方法使用的对寒区砂类土路堤进行多场测试的光纤光栅设备，其组成包括：光纤光栅数据采集仪和光纤光栅数据解调仪，所述的光纤光栅数据采集仪的光纤上同时连接大于40个FBG传感器；每个光栅点装有传感器，2个光栅点之间设置为一个计算单元，光源、电源、传感器集成一体化，所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中。
[0014] 所述的光纤光栅设备，所使用的光栅为光纤布拉格光栅，光纤光栅载体选择及光栅封装：光栅通过ABS塑料、PVC管、PPR管、碳纤维等材料的管路采用环氧树脂胶进行管式封装，封装时光纤部分采用铠装跳线进行保护。
[0015] 所述的光纤光栅设备，所述的管路外固定有悬臂梁结构，采用以钢管作为固定端，在钢管上钻有安装监测管插孔，所述的管路用环氧树脂粘结剂将监测管固定到所述的孔上；然后利用静压设备将装好监测管的钢管压入路基内。
[0016] 本发明的有益效果：
[0017] 1. 本发明的方法能够克服传统检测方法不能在公路通车过程中检测的弊端，其是利用光纤光栅传感技术对砂类土路堤在荷载、温度及水多场耦合作用下的强度和稳定性进行检测，并且该方法具有良好的适用性，可以对砂类土路堤的变形、应力等参数进行动态检测，该测试方法简便、价格低廉、精度高。
[0018] 本发明方法最大优势是能够实现荷载、温度及水等多场耦合作用下的土体位移、压力的检测，并且不受低温和潮湿环境的限制；同时，光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法终端非常简洁，功率低，可以实现实时、动态检测。
[0019] 附图说明：
[0020] 附图1是本发明的光纤光栅结构示意图。图中：1—光纤光栅载体（含光纤光栅），2—固定端，A、B—光纤光栅传感器
[0021] 附图2是本发明的光纤光栅结构位移变化示意图。图中ν—位移量
[0022] 附图3是本发明的光纤光栅结构放大示意图。图中h—光纤光栅厚度[0023] 具体实施方式：
[0024] 实施例1：
[0025] 利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，其方法包括以下步骤：
[0026] （1）光纤光栅的布设；
[0027] （2）光纤光栅载体选择及光栅封装；
[0028] （3）埋置位置及深度的确定；
[0029] （4）各物理参数：变形、温度、应力的测试：数据的采集需光纤光栅数据采集仪和光纤光栅数据解调仪；光纤光栅解调仪应为测量低速变化，像应力、温度和压力的参数而设计的，其容量允许在一根光纤上同时连接大于40个FBG传感器；所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中，光纤光栅数据采集仪的光源、电源、传感器集成一体化；试验过程采用重载汽车对路基进行加载，加载过程中通过所述的光纤光栅采集仪采集试验数据，传输到光纤光栅数据解调仪的终端采集设备，光纤光栅数据解调仪对数据采集、分析和处理，实现重载作用下路基的变形、温度和应力的多场测试。
[0030] 实施例2：
[0031] 根据实施例1所述的利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，所述的步骤（1）光纤光栅的布设：首先，使用的光栅为光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating），其是光纤光栅传感器中一种重要的基本传感元件，简称为FBG；其次，截取两个光栅点之间的梁段为一个计算单元，其变形计算使用连续体在小变形下的几何方程。
[0032] 实施例3：
[0033] 根据实施例1所述的利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，所述的步骤（2）光纤光栅载体选择及光栅封装：光栅不能直接埋入，需要如ABS塑料、PVC管、碳纤维等载体材料，保证光纤光栅在载体材料支撑保护下可抵御恶劣环境，不受损坏；采用管式封装方式将光纤光栅封装到一定载体上；封装管采用非透明塑料管，胶黏剂采用环氧树脂胶，封装时将FBG光栅直接用环氧树脂粘贴在塑料管上，而光纤部分采用铠装跳线进行保护；为了构成悬臂梁结构，采用以钢管作为固定端，在钢管上钻两个略大于监测管直径的孔，将监测管插入孔内，用环氧树脂粘结剂将监测管固定到孔上；并将封装好的监测管水平安置在土体中，其中监测管一端需要固定，从而使监测管简化为悬臂梁结构，然后利用静压设备将装好监测管的钢管压入路基内，测试时，首先测得FBG光栅水平变形（即为检测管水平变形），然后根据悬臂梁结构特点，应用弹性力学的方法，计算得到测试管的竖向变形，即为土体的竖向变形；悬臂梁结构一端需要使用桩进行固定，并且在测试周期内桩的高程不能发生任何变化，但是由于寒区冬季气温极低，土体易发生冻胀现象，势必影响桩的高程，因此，本发明考虑在埋设桩时，采用砂作为回填材料，以防止冻胀现象对桩高程的影响。
[0034] 实施例4：
[0035] 根据实施例1所述的利用光纤光栅对寒区砂类土路堤进行多场测试的方法，其特征是：所述的步骤（3）埋置位置及深度的确定：光纤光栅布置的空间相对位置，根据道路结构和汽车行驶特点，分析车辆行驶轨迹的位置，合理布置光栅的埋设位置、密度以及桩的位置，一是路堤轮迹带，二是基桩的位置；为了监测荷载作用下不同深度路基变化，可将监测管埋置于路基的不同深度，其监测深度可控制在路基以下为0-100cm的范围。
[0036] 实施例5：
[0037] 一种实施例1或2或3或4使用的对寒区砂类土路堤进行多场测试的光纤光栅设备，其组成包括：光纤光栅数据采集仪和光纤光栅数据解调仪，所述的光纤光栅数据采集仪的光纤上同时连接大于40个FBG传感器；每个光栅点装有传感器，2个光栅点之间设置为一个计算单元，光源、电源、传感器集成一体化，所述的光栅布设于寒区砂类土路堤的路基的土层中。
[0038] 实施例6：
[0039] 实施例5所述的光纤光栅设备，所使用的光栅为光纤布拉格光栅，光纤光栅载体选择及光栅封装：光栅通过ABS塑料、PVC管、PPR管、碳纤维等材料的管路采用环氧树脂胶进行管式封装，封装时光纤部分采用铠装跳线进行保护。
[0040] 实施例7：
[0041] 根据实施例6所述的光纤光栅设备，所述的管路外固定有悬臂梁结构，采用以钢管作为固定端，在钢管上钻有安装监测管插孔，所述的管路用环氧树脂粘结剂将监测管固定到所述的孔上；然后利用静压设备将装好监测管的钢管压入路基内。
