一种基于光纤传感技术的土体三向应力测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种可用于测量边坡、地基等自重或荷载所产生的应力的测量装置，具体涉及测量土体三个方向上的应力大小的测量装置，属于土体应力测试技术领域。

背景技术：

边坡失稳往往是因为在外力或者强降雨作用下，土体内部的应力和土体强度发生改变，导致边坡内部逐渐产生裂隙，最终导致边坡的垮塌。而土体应力则是反映边坡、地基等土体稳定状态的一个重要参数，测量土应力的大小及其分布具有比较重要的理论研究和工程实践意义，同时还具有指导工程设计、运营维护等作用。

由于传统的电阻式、压磁式、振弦式等电信号测量装置存在着许多缺陷，如在雷雨天气或强磁场环境下受干扰严重，无法准确的测量土体的应力状态变化，或因测试方向的单一性，无法测量土体各个方向的应力状态，此外，目前多数土体应力传感器无法与土体贴合密实，所以导致测量精度不够准确。光纤光栅具有耐高温、不受电磁干扰、体积小、精度高等特点，可以在严酷的工作环境下正常服役，很好的替代了一些传统电测式传感器。

技术实现要素：

本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种适应性强、精度高、制作成本低、适用范围广的基于光纤传感技术的土体三向应力测量装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种基于光纤传感技术的土体三向应力测量装置，包括感压中空腔体，所述感压中空腔体为多面体，在相对或相邻的棱之间设置有通槽，所述通槽内用于安装固定固端梁，固端梁内表面用于粘贴感应外部土压力的光纤光栅传感元件；在感压中空腔体外表面设置有感压液囊，所述感压液囊用于传递土压力给光纤光栅传感元件；所述光纤光栅传感元件通过光纤与外部的光纤光栅解调仪相连。

进一步的，还包括温度补偿光纤光栅，所述温度补偿光纤光栅粘贴于设置在感压中空腔体内部的不受力梁上；不受力梁的一端铰接于感压中空腔体上，另一端为自由端。

优选的，所述感压中空腔体为正六面体。

优选的，所述通槽设置于相对棱的中部，固端梁的两端分别固定于棱上。

优选的，在正六面体的六个面上均固定有凹形槽，所述凹形槽用于安装固定感压液囊。

测试时，先在静力状态下读取光纤光栅传感元件的波长数值，记录静力状态下的波长数据，在被测土坡或地基处进行钻孔，待钻孔到待测深处时，先在孔洞底部填一层约5cm厚的细砂，然后将此测量装置放置孔洞内，使朝下凸起的感压液囊与底层细砂充分接触，再进行回填处理，待回填密实后开始对工作状态下的光纤光栅波长进行数据记录。工作时，土体通过与感压液囊表面充分接触，传递土压力，在与土体充分接触后密封液囊中的液体介质在土压力的作用下将压力传递给多面体感压中空腔体中的固端梁，固端梁受到压力而发生变形，固端梁的变形使得粘贴在固端梁内表面的光纤光栅传感元件的中心波长发生变化，通过记录中心波长的变化就可以得到固端梁发生的应变值，从而得出固端梁的变形量，然后根据均布荷载作用下固端梁的应力位移公式，可以计算出作用在固端梁上的均布荷载大小，这个均布荷载就可以认为是土压力。因为感压中空腔体设置有多个固端梁，可以测量至少三个方向轴上的六个土压力变化值。为防止温度带来的波长漂移，对温度补偿光栅进行波长数据读取，剔除温度对光纤光栅传感元件测量土体应力的影响。

本实用新型具有以下优点：

1.感压的方向具有多向性，可以感应多个不同方向上的土体压力大小，改善了传统电测传感器只能测量单一方向土压力的不足。

2.液囊式的感应壳体可以与土体密切贴合，充分的感应土体传递的应力，在土体发生大变形时依然可以保持其适应性。

3.光纤光栅传感元件的优势，改善了传统电测传感器在恶劣环境下无法正常工作的缺点，提高了测量的精度。

4.制作成本低，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型实施例结构示意图；

图2是本实用新型实施例中感压中空腔体结构示意图；

图3是图1的剖面图；

图中，1、正六面体感压中空腔体；2、感压液囊；3、光纤光栅传感元件；4、温度补偿光纤光栅；5、不受力梁；6、引出光纤；7、凹形槽；8、固定螺栓；9、铰接支架；10、固端梁。

具体实施方式

下面结合附图1-3对本实用新型做进一步详述：一种基于光纤传感技术的土体三向应力测量装置，包括一个正六面体感压中空腔体1、六个感压液囊2、光纤光栅传感元件3、温度补偿光纤光栅4、不受力梁5、引出光纤6、凹形槽7、固定螺栓8、铰接支架9、固端梁10。正六面体感压中空腔体1用不锈钢铸成，六个面经过加工预留中间段,形成通槽，用于固定固端梁10，固端梁用于粘贴光纤光栅传感元件3；利用环氧树脂将光纤光栅传感元件3粘接在正六面体感压中空腔体1六个面上的固端梁内表面，用于感应通过感压液囊2传递的外部土压力，光纤光栅传感元件粘贴好后，用光纤将它们一一串联，然后通过引出光纤与外部的光纤光栅解调仪相连，读取监测数据。

为了减少温度对监测数据的影响，在正六面体感压中空腔体1内沿对角线方向布设一根不受力梁5,用于粘贴温度补偿光纤光栅4，不受力梁5一端通过铰接支架9铰接，另一端为自由端。因为温度的变化会导致光纤光栅波长的漂移，所以需布置一根温度补偿光栅，为保证温度补偿光栅不受力，将温度补偿光栅粘贴在对角架空的不受力梁上。

为了固定和安装感压液囊2，需事先在六面体感压中空腔体1的六个面上安装凹形槽7，凹形槽由不锈钢铸成，凹形槽用固定螺栓8与正六面体感压中空腔体1固定，其中在竖向方向的两个凹形槽之间设置有预留孔洞，引出光纤6通过该预留孔洞与外部光纤光栅解调仪相连，光纤引出孔洞用橡胶圈嵌入，保护光纤在工作时不被凹形槽切割。待凹形槽安装好后，将感压液囊2嵌入凹形槽中，为防止感压液囊在工作中发生移动或脱落，用环氧树脂将感压液囊与凹形槽四周粘贴牢靠。

实施过程：先在静力条件下利用光纤光栅解调仪读取光纤光栅波长数值，之后对土坡或地基进行钻孔处理，待孔洞钻到待测深度时，先在孔洞底部填一层约5cm厚的细砂，然后将此测量装置放置孔洞内，使朝下凸起的感压液囊与底层细砂充分接触，再进行回填处理，待回填密实后开始对工作状态下的光纤光栅波长进行数据记录。工作时，土体通过与感压液囊表面充分接触，传递土压力，在与土体充分接触后，感压液囊中的液体介质在土压力的作用下将压力（这里可以认为是均布荷载）传递给正六面体感压中空腔体上的固端梁，使正六面体感压中空腔体上的固端梁发生变形，固端梁的变形使得粘贴在梁内表面的光纤光栅传感元件中心波长发生变化，通过记录中心波长的变化就可以得到固端梁的应变值，通过计算可以得出固端梁的变形值，即梁的扰度值。然后利用均布荷载作用在固端梁上的扰度公式，可以计算出作用在固端梁上的均布荷载，这个均布荷载可以认为是土体压力。为防止温度带来的波长漂移，对温度补偿光纤光栅进行波长数据读取，剔除温度对光纤光栅传感元件测量土体应力的影响。固端梁上粘贴的光纤光栅传感元件以及不受力梁上粘贴的温度补偿光纤光栅可以通过连接光纤将它们串联在一起，最后通过引出光纤与光纤光栅解调仪相连，进行数据读取。因为感压中空腔体设置有六个固端梁，可以测量出土体某个点三个方向轴上的六个土压力变化值, 每个方向轴上的两个压力值可以取平均，这样就可以获得土体某个深度某个点的土体三向应力值变化情况。

上述实施例仅仅是本实用新型的优选实施方式，感压中空腔体的选择可以根据实际环境要求进行设定，并不限于实施例中的正六面体。本领域普通技术人员在本实用新型的基础上所做的任何引申、变形均在本实用新型的保护范围内。