[发明专利]一种基于光纤光栅的土体基质吸力准分布式原位测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅的土体基质吸力准分布式原位测量方法及装置，包括：加热直流电源、高热敏绝缘管(内置电阻丝和光纤光栅)、陶土棒、光纤光栅解调仪和分析处理监测数据的计算机。将制作完成并饱和处理的基质吸力传感器埋置在被测土体中，静置后连接加热电源对传感器内置的电阻丝脉冲加热，热量通过高热敏绝缘管扩散到包裹高热敏绝缘管的陶土棒中；温度变化值可通过光纤光栅解调仪采集到的光纤光栅波长数据转化得到；之后根据传感器脉冲加热得到对应温度变化值的土体基质吸力。本发明可以实现快速、连续、远程、高精度、准分布式的土体基质吸力测量。

技术领域

本发明公开了一种光纤布拉格光栅(光纤光栅)的分布式原位测量土体基质吸力的方法及装置，涉及土体基质吸力测量技术领域。

背景技术

在非饱和土中土体的构成有土粒、水和空气，即土中除存有孔隙水压力外，尚有孔隙气压力。在孔隙水和孔隙气界面上，水具有表面张力。土中吸力包括基质吸力和渗透吸力(溶质吸力)，由于弯液面的存在，孔隙水压力和孔隙气压力二者数值不相等，当孔隙水压力(u_w)小于孔隙气压力(u_a)时，二者差值(u_a-u_w)称为基质吸力。对于绝大多数的非饱和土，吸力均存在，当突遇降雨或浸水时，易引起快速饱和，常出现基质吸力快速下降甚至消失的现象，这就是某些滑坡突然失稳破坏的原因之一。因此，测量土体基质吸力对于理论研究和工程实践均具有十分重要的意义。

目前，土体基质吸力测量方法主要有张力计技术法、热传导传感器法、介电常数法、轴平移技术法、渗析法、接触式滤纸技术法、盐溶液气相法、高速离心机法。在使用张力计技术测量时，张力计中水可能出现气蚀现象和通过陶土头蒸发等问题，此方法只适用于测量小量程的基质吸力值。传统热传感器法存在读数慢、拆卸更换部件困难、长时间使用的易老化问题，在标定时也常存在滞后现象。介电常数法受被测土体含盐度的影响较大，且高含盐度的土壤无法进行测试，在长距离监测中也无法使用。

轴平移技术由于其设备体积较大，对测试环境要求高，通常用于实验室内测定，且当土样中存在气泡时，所测基质吸力值会偏高；当通过高进气值陶瓷板的空气扩散后，会使测得的基质吸力值偏低，误差较大。渗析法测量通常适用于低吸力部分(2MPa)，且需要在PEG溶液中加入少量青霉素以消除土样中细菌对半透膜的侵蚀，操作繁琐，且易于造成污染。接触式滤纸技术、盐溶液气相法和高速离心机法对操作者的技术和熟练程度有较高要求。接触式滤纸技术测量中，对滤纸的批次要求高，测试耗时长，测试前需对特定批次的滤纸做校准实验，操作复杂，无法广泛使用。盐溶液气相法测量中，当所测量的基质吸力低于1500kPa时，精度较低。高速离心机法测量时，土样中的水完全排出土体的可能性较低，设备造价昂贵。

光纤布拉格光栅(光纤光栅)是在纤芯制造等周期光栅，当光纤沿轴向受拉或周围温度发生变化后，光纤沿轴向会发生形变，引起光纤折射率发生改变使得输出信号光谱会发生变化，对变化值进行处理分析即可实现待测体应变(温度)测量。光纤光栅是基于光敏性现象，以布拉格条件为基础发展起来的一种本征波长调制型传感器，具有体积小(裸栅外径125μm)、抗电磁干扰能力强、性能不受湿度影响、稳定性好、耐腐蚀、灵敏度高等优点，近年来广泛应用于桥梁、大坝和岩土结构稳定性监测中。

本发明基于准分布式光纤布拉格光栅(FBG)来测量土体中的基质吸力，通过光纤光栅解调仪采集脉冲加热后光纤光栅的波长读数，将波长值转化为温度变化值，最后通过率定试验建立土体基质吸力与温度变化值间的函数关系，得到土体的基质吸力。与传统测量方法相比，这一方法具有快速、连续、远程、高灵敏度、准分布式测量土体基质吸力等优点，在室内试验和野外监测中均可使用，解决了传统测试吸力方法对人员技术性要求高的难题。国内外尚无运用该技术确定非饱和土中基质吸力的相关研究报道。

发明内容