[发明专利]一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法及装置

说明书

本发明涉及一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法及装置，所述应变感测光纤沿水平向铺设于土梁中；所述的试验仪主要由反力支架、加载系统、OFDR信号解调与处理模块、数字图像采集与分析装置组成，OFDR信号解调与处理模块与土梁中的应变感测光纤连接，实时采集土梁内部的应变分布数据，显示光波量和土梁强度等，数字图像采集与分析装置追踪土梁表面的位置变化，得到土梁受力变形后的应变场和位移场，和光纤测得数据互相校核。本发明能实时监测四点弯曲试验过程中土梁表面以及内部的开裂变形信息以及拉压应变的时空演化规律，测定不同含水率、干密度等条件下土体的抗拉强度，掌握土体受拉后的弹塑性应力‑应变本构关系。

技术领域

本发明涉及岩土体受力变形、强度试验技术，以及分布式光纤监测工程技术领域，具体涉及一种基于OFDR的土体张拉力学特性光纤监测与测试方法及装置。

背景技术

张拉力学特性是岩土介质的基本力学性质之一，在岩土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用，由此也产生了诸多与之相关的岩土工程问题。土体的抗拉强度与抗压强度、抗剪强度等指标一样，都是衡量其力学性质的重要参数。土体在形成过程中，原岩的完整性、整体性均遭到不同程度的破坏，力学性质上表现为还具有一定的抗压强度、抗剪强度，但强度值已大大降低，而抗拉强度则大部分或几乎完全丧失。

在以往的工程实践中，主要基于土体的抗压或者抗剪强度衡量其力学性质或在荷载下的抗破坏能力，因为与抗压、抗剪强度相比，抗拉强度在数值上要小得多，而且难以准确测量，工程中一般选择忽视这一强度指标。这种忽视在大多数情况下表现为0基质吸力和0拉应力负荷，是对于土体强度的一种较为保守的估计，在当代的岩土工程设计中亟须改进。

此外，实际工程中遇到的土体破坏模式主要表现为剪切破坏，如滑坡和地基土失稳等。然而，土体在拉应力作用下发生张拉破坏并出现裂隙的现象也很常见，如边坡后缘的张拉裂隙、土石坝心墙在土拱作用下的拉裂破坏、干燥环境中土体出现的龟裂现象、地裂缝的发育等，一些输电线路铁塔和风电塔在水平荷载作用下也容易引起周边土体发生张拉破坏。裂隙的存在会极大破坏土体结构的完整性，弱化力学性质，降低稳定性，增加渗透性，加剧蒸发，加重坡面水土流失和风化等，给岩土工程和环境岩土工程带来一系列负面影响。土体之所以出现张拉裂隙，是因为张拉应力超过了土体自身的抗拉强度。因此，监测土体张拉开裂过程中的应力、应变变化规律，测定其抗拉强度，在此基础上系统掌握土体的张拉破坏机理、预防土体开裂有着重要工程意义，可有效提高相关地质灾害的防治水平，节省大量的人力物力。

由于土体的张拉力学特性过去在岩土工程领域一直不受重视，研究报道相对较少，国内更是鲜见，已有的一些土体抗拉强度测试方法大多是借鉴了岩石、混凝土等其他材料领域。土体抗拉强度的试验方法可分为直接法和间接法两大类，直接法又分为单轴拉伸和三轴拉伸试验，间接法主要包括土梁弯曲试验、轴向压裂试验、径向压裂试验和气压劈裂试验4种方式。单轴拉伸和三轴拉伸试验分别在无侧限和三轴应力条件下向试样施加拉应力，直接测定峰值拉应力从而得到抗拉强度。间接法是基于一定理论假设，用压裂、弯折等方式进行试验，最后通过相应的理论公式计算得到抗拉强度。相对于三点弯曲试验中会出现应力集中的问题，土梁的四点弯曲试验中，土体受到的弯矩在荷载作用点之间为常数，因此拉应力分布比较均匀，是一种较为理想的试验方法。在这些试验中，拉应力可通过一定手段获取，但土体应变信息的获取却面临许多挑战。因为应变沿拉伸方向的分布不均，且存在许多不确定性，一般张拉应变在破坏面附近会发生集中，但采用传统的位移监测方法只能计算出试样的平均应变，与真实情况相差甚远。如果选择土木工程中常用的电阻应变片，又存在难以安装、对原位土体扰动大等问题。正是由于土体应变监测技术的空白，导致目前人们对土体张拉应力-应变本构关系认识不清，严重制约了该领域的理论研究和工程实践。