基于FBG及全流触探的软黏土早期触变强度测试及装置的制作方法

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种利用全流触探方法的新型软黏土触变强度测试方法，涉及光纤布拉格光栅(fbg)应变测试方法及全流触探相关理论。

背景技术：

随着我国深海战略的不断推进，围绕海洋结构物的建设施工问题不断显现。在设计和建设海洋工程中的海洋结构物(如深海采油平台、海底运输管线等)时，会涉及对于海底软黏土的力学性质及物理性质的分析和计算。自然状态下的软黏土多具有含水量高、渗透性差、强度低等性质，因此软黏土工程性质较差，不利于海洋工程的建设施工。

海洋结构物埋入海底软黏土中的部分，会受到海流、波浪、温度变化等周期性作用的影响以及海洋生物无规则的扰动。在扰动初期，由于饱和黏性土具有软化和触变性，黏性土的强度会成倍下降并逐渐恢复，对海洋结构物的稳定性产生极大威胁。因此，精确测量黏性土的初期触变强度具有十分重要的工程意义。

对于软黏土的抗剪强度测试，通常有直剪试验、三轴剪切试验、十字剪切板试验、平板贯入试验，以及近年来常用的静力触探(cpt)等方式。直剪试验、三轴剪切试验等剪切强度测量方法具有测量范围大、精度低、获取参数不准确等特点，不适合强度较小的软黏土强度测定。平板贯入试验具有原理简单、测试装置简便等优点，但无法控制平板在剪切过程中保持竖直，并且具有加载不稳定、测试结果精度低等不足。针对原有测试方法存在的问题，本发明考虑利用塑性全流理论测试方法来改善原有测试方法。

根据塑性全流动理论，在软黏土试样中探头阻力的上限解等于下限解，此解为精确理论解，由此得到的软黏土不排水抗剪强度计算公式具有参数少、可靠度高的特点。以塑性全流动理论为依托的全流触探贯入方法主要有球型、t型、盘型等探头形式。传统全流触探贯入技术采用电阻式应变传感器测量应变，具有测量精度低、易受电磁干扰、不耐腐蚀等缺点。为解决该问题并进一步提高测试精度，本发明考虑引入fbg应变测量装置。此外，由于软黏土早期触变强度较低，为减小扰动，本发明拟在土样中预置探头，考虑到拉出探头过程中存在不可控的偏拉问题，特采用球型探头。

fbg(fiberbragggranting)光纤布拉格光栅，传感fbg利用掺杂光纤具有的紫外光敏特性，通过紫外线曝光使得纤芯折射率沿轴向周期性变化，是一种具有波长选择特性的无源反射型光学器件。fbg传感器具有体积小、精度高、不易腐蚀等特点，且对于测量系统的影响很小，可根据中心波长的漂移推定应变大小及应力水平。

fbg自上个世纪80年代开始出现后不断发展，如今可以利用fbg光纤布拉格光栅传感器实现微米级别的应变测量，使得应力应变测量在电阻式应变传感器的基础上精度进一步提高。

在测试系统中引入fbg传感器，可以对软黏土强度进行精度较高的测量，尤其是对于土样初期扰动时微小的应力进行测量，从而对软黏土早期触变强度及其剪切稀释性做进一步研究。

基于现有软黏土早期触变强度测试方法的不足，利用塑性全流动理论并结合fbg高精度应变测量提出了一种新型软黏土早期触变强度测试方法及试验装置。

技术实现要素：

本发明可提供一种在理论上较为完备、在试验中更为精准的海底软黏土抗剪强度测试方法，综合考虑全流触探仪器对于软黏土扰动过大以及原状软黏土初期扰动后的软化和触变性。

本发明的技术方案：

一种基于fbg及全流触探的软黏土早期触变强度测试装置，包括基座及固定装置1、增高支柱2、滚珠丝杆线性导轨3、电动机4、滑块5、转向l型刚接头6、受力丝线7、fbg光纤光栅8、fbg激光入射端9、fbg光纤输出端10、球型探头11、土样器皿12、光纤光栅解调仪13和位移测量仪14；

所述的基座及固定装置1、增高支柱2、滚珠丝杆线性导轨3、电动机4、滑块5和转向l型刚接头6为该测试装置的主体承载部分；基座及固定装置1包括基座和固定装置，固定装置固定在基座上，用于支撑和固定其他部分；增高支柱2为l型，其一端固定在基座上，另一端固定在滚珠丝杆线性导轨3上，其中间部分与固定装置刚接；滚珠丝杆线性导轨3竖直固定安装在固定装置的上表面，其进一步与位移测量仪14连接，用于测量和记录测试装置的位移；电动机4安装在滚珠丝杆线性导轨3的上表面，为测试装置提供动力，电动机4通过c、d端分别外连至电机控制器，并进一步由计算机控制；滑块5穿过滚珠丝杆，在滚珠丝杆线性导轨3上滑动；滑块5前端安装转向l型刚接头6；

所述的受力丝线7、fbg光纤光栅8、fbg激光入射端9、fbg光纤输出端10、球型探头11、土样器皿12、光纤光栅解调仪13和位移测量仪14为测试装置的测量部分；转向l型刚接头6下表面固定有受力丝线7；受力丝线7连接fbg光纤光栅8，fbg光纤光栅8端部连接有球型探头11；fbg光纤光栅8分为上端的fbg激光入射端9和下端的fbg光纤输出端10，均与光纤光栅解调仪13连接，将光信号转变为电信号并获得相应应力应变信息；土样器皿12放置在基座表面，保证球型探头11位于土样器皿12的正上方。

一种基于fbg及全流触探的软黏土早期触变强度测试方法，步骤如下：

(1)首先根据塑性全流动理论算得球型探头11所受阻应力qball，再根据近似公式算得软黏土不排水抗剪强度su；

(2)光纤布拉格光栅应力换算

在已知fbg光纤光栅8反射中心波长λ、光栅有效折射率neff和光栅周期λ的前提下，计算得到fbg的轴向应变值；

(3)根据胡克定律，得到fbg的应力变化量；

(4)以受力丝线7代替直杆，简化实测球型探头11所受阻应力qr计算公式，得到球型探头11所受阻应力qball的简化公式：

qball＝qr

(5)本测试装置所测软黏土强度计算式为：

其中，ea为光纤材料的弹性模量，δλ为fbg的中心波长漂变量，λ为原fbg的中心波长，pε为光纤材料的弹光系数，nball为球型探头11阻力系数，su为软黏土不排水抗剪强度。

本发明的有益效果：

(1)计算过程简便。以受力丝线代替直杆，可以简化实测球型探头11所受阻应力qr计算公式，使现有塑性全流动理论的计算公式得到简化。

(2)计算结果可靠性高。由于t型全流动触探测试技术基于塑性全流动理论，当其上限解等于下限解时取得塑性理论解，故可以得到较为可信的理论解。

(3)测试方法精度高。fbg应变传感器还具有体积小、重量轻、耐腐蚀等多项优势，可以在对于原状土尽可能小的扰动下更为精确地测量其剪切强度。

附图说明

图1为光纤布拉格光栅传感原理图。

图2为海洋软黏土抗剪强度试验装置侧视图。

图3为海洋软黏土抗剪强度试验装置透视图。

图中：1基座及固定装置；2增高支柱；3滚珠丝杆线性导轨；4电动机；5滑块；6转向l型刚接头；7受力丝线；8fbg转接器；9fbg激光入射端；10fbg光纤输出端；11球型探头；12土样器皿；13光纤光栅解调仪；14位移测量仪。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，详述本发明的具体实施方式。

一种基于fbg及全流触探的软黏土早期触变强度测试装置，包括基座及固定装置1、增高支柱2、滚珠丝杆线性导轨3、电动机4、滑块5、转向l型刚接头6、受力丝线7、fbg光纤光栅8、fbg激光入射端9、fbg光纤输出端10、球型探头11、土样器皿12、光纤光栅解调仪13和位移测量仪14；

所述的基座及固定装置1、增高支柱2、滚珠丝杆线性导轨3、电动机4、滑块5和转向l型刚接头6为该测试装置的主体承载部分；基座及固定装置1包括基座和固定装置，固定装置固定在基座上，用于支撑和固定其他部分；增高支柱2为l型，其一端固定在基座上，另一端固定在滚珠丝杆线性导轨3上，其中间部分与固定装置刚接；滚珠丝杆线性导轨3竖直固定安装在固定装置的上表面，其进一步与位移测量仪14连接，用于测量和记录测试装置的位移；电动机4安装在滚珠丝杆线性导轨3的上表面，为测试装置提供动力，电动机4通过c、d端分别外连至电机控制器，并进一步由计算机控制；滑块5穿过滚珠丝杆，在滚珠丝杆线性导轨3上滑动；滑块5前端安装转向l型刚接头6；

所述的受力丝线7、fbg光纤光栅8、fbg激光入射端9、fbg光纤输出端10、球型探头11、土样器皿12、光纤光栅解调仪13和位移测量仪14为测试装置的测量部分；转向l型刚接头6下表面固定有受力丝线7；受力丝线7连接fbg光纤光栅8，fbg光纤光栅8端部连接有球型探头11；fbg光纤光栅8分为上端的fbg激光入射端9和下端的fbg光纤输出端10，均与光纤光栅解调仪13连接，将光信号转变为电信号并获得相应应力应变信息；土样器皿12放置在基座表面，保证球型探头11位于土样器皿12的正上方。

一种基于fbg及全流触探的软黏土早期触变强度测试方法，步骤如下：

步骤一：制备土样并预置fbg光纤光栅

制备一组含水量相同的黏性土土样，将连接好的受力丝线7和球型探头11埋入土样。

步骤二：连接装置各部分

将基座及固定装置1和增高支柱2组合固定成为装置基础，并将滚珠丝杆线性导轨3和电动机4固定在装置基础之上作为装置动力部分，转向l型刚接头6用螺丝固定在滚珠丝杆线性导轨3的滑块5上。

步骤三：粘贴fbg光纤光栅8并确定fbg相应参数

将fbg光纤光栅8直接粘贴在受力丝线7上。fbg光纤光栅8上端引出fbg激光入射端9，fbg光纤光栅8下端引出fbg光纤输出端10；

获取fbg光纤光栅8反射中心波长λ，光栅有效折射率neff，光栅周期λ，根据光纤布拉格光栅传感原理求得光栅反射中心波长λ：

λ＝2neffλ

其中，λ为光栅反射中心波长，neff为光栅有效折射率，λ为光栅周期。

步骤四：连接计算机

fbg激光入射端9和fbg光纤输出端10分别与光纤光栅解调仪13相连，并连接至计算机，电动机4由c、d端分别外连至电机控制器并连接至另一计算机，滚珠丝杆线性导轨3与位移测量仪14连接记录装置位移。

步骤五：标定并测试导轨位移与速度

控制滚珠丝杆线性导轨3的位移和速度进行校准和标定，使其位于试验初始位置。

步骤六：连接并测试

以一定速度提升预置在土样中的球型探头11，并从计算机中得到其受力情况。

步骤七：试验数据处理并计算

根据光纤布拉格光栅应变换算公式算得fbg的中心波长漂变δλ：

其中，δλ为fbg的中心波长漂变量，λ为原fbg的中心波长，pε为光纤材料的弹光系数，δε为fbg的轴向应变，θ为光纤光栅的热光系数，为光纤光栅的热膨胀系数，δt为外界温度的变化量。

根据塑性全流动理论，其塑性理论解由塑性全流动理论的上限解等于下限解得到，球型探头11所受土的阻力与软黏土的强度构成映射，其计算公式如下：

其中：su为软黏土不排水抗剪强度，qball为球型探头11所受阻应力，nball为球型探头11阻力系数，qr为实测球型探头11所受阻应力，σv0为上覆土应力，u0为静孔隙水压力，α为球型探头11的表面摩擦系数，ac为连接轴截面积，aball为球型探头11的横截面积；

由于本装置取消了球型探头11的直杆，代之以极细的受力丝线7，故上式中的ac连接轴截面积趋近于0，可以得到：

qball＝qr

通常认为ball触探探头表面做轻度喷砂处理，α即ball的表面摩擦系数取值为0.4，nball即ball探头阻力系数一般取值13.1。

由于光纤材料处在线弹性形变范围内，根据胡克定律，得到fbg的应力变化量：

δσ＝ea·δε

其中，ea为光纤材料的弹性模量。

最终利用公式计算土样早期触变强度。