[发明专利]一种温控光纤-土体拉拔试验装置及其使用方法

权利要求书

1.一种温控光纤-土体拉拔试验装置，其特征在于，该温控光纤-土体拉拔试验装置包括温控系统、测试系统和量测系统；

所述的温控系统主要由高精度温湿度控制仪(1)、进出风管(2)、恒温室(3)、恒温室左侧进出气口(3A)、恒温室右侧光纤拉拔通道(3B)、恒温室上盖板(3C)和温度计(5)组成；高精度温湿度控制仪(1)通过进出风管(2)与恒温室(3)连通；空气加热器的进风管与恒温室左侧进出气口(3A)的进气口密封连接，空气加热器的出风管与恒温室左侧进出气口(3A)的出风口密封连接；恒温室(3)为一前板透明、立方体加盖箱，恒温室右侧光纤拉拔通道(3B)供光纤通过；恒温室上盖板(3C)的中心处开孔，供竖向加载杆(15A)通过；温度计(5)放置于恒温室(3)中，用于监测恒温室(3)的气室温度；

所述的测试系统包括试样垫块(4)、L型刚性接头(9)、滑块(10)、步进电机(11)、水准器(12)、土样上覆荷载(6)、环刀土样(7)、第一FBG光纤布拉格光栅(8A)、第二FBG光纤布拉格光栅(8B)、杠杆竖直加载装置(15)、竖向加载杆(15A)、杠杆支点铰(15B)、杠杆竖向加载装置底座(15C)和砝码盘挂环(16)；试样垫块(4)置于环刀土样(7)下侧，用于调整环刀土样(7)的高度与第一FBG光纤布拉格光栅(8A)保持水平；竖向加载杆(15A)一端位于土样上覆荷载(6)上方，另一端与砝码盘挂环(16)通过水平杆刚性连接成为一体，水平杆与杠杆支点铰(15B)连接，杠杆支点铰(15B)与杠杆竖向加载装置底座(15C)通过一竖杆铰接，为土样上覆荷载(6)提供竖向荷载，土样上覆荷载(6)置于环刀土样(7)上侧，转化集中荷载为均布荷载，为环刀土样(7)提供竖向均布荷载；第二FBG光纤布拉格光栅(8B)在测试前埋入环刀土样(7)中，其并与L型刚性接头(9)一端相连；步进电机(11)为试验装置提供动力，滑块(10)与L型刚性接头(9)刚性连接，L型刚性接头(9)将动力作用线转移至第二FBG光纤布拉格光栅(8B)所在轴线；水准器(12)放置于L型刚性接头的水平面上，用于监控测试过程中第二FBG光纤布拉格光栅(8B)的水平状态；

所述的量测系统包括计算机(13)和光纤光栅解调仪(14)；光纤光栅解调仪(14)与FBG光纤布拉格光栅相连接，用于将光信号解调并转换为电信号；计算机(13)与光纤光栅解调仪(14)连接，采集测试所得数据。

2.一种温控光纤-土体拉拔试验方法，其特征在于，步骤如下：

(1)首先制备预定种类、含水率的试验土体，使用环刀将其制备成环刀土样(7)待用；而后调节高精度温湿度控制仪(1)，使得恒温室(3)的温湿度达到预设温度和相对湿度，并保持稳定不变；最后将环刀土样(7)置于恒温室(3)中；

(2)将第二FBG光纤布拉格光栅(8B)的端头与L型刚性接头(9)连接；调整试样垫块(4)的高度，使环刀土样(7)竖向中轴线与L型刚性接头竖向中心点在一条水平线上，保持第二FBG光纤布拉格光栅(8B)的水平放置；

(3)静置一段时间后，待环刀土样(7)达到与恒温室(3)相同的温度后，开始试验；启动步进电机(11)，将第二FBG光纤布拉格光栅(8B)从环刀土样(7)中匀速拔出；实验过程中，光纤光栅解调仪(14)全程实时记录栅区波长变化；通过处理分析所得数据，即得知不同温度下光纤-土体界面剪切特性。

3.根据权利要求2所述的温控光纤-土体拉拔试验方法，其特征在于，光纤光栅信息处理步骤如下：

(1)假定拉拔光纤试验满足以下两个条件：

光纤-土体界面力与光纤所受的拉力满足静力平衡，即

F_τ＝F_P

光纤与土体界面的摩擦力在光纤表面均匀分布，即

F_τ＝πDLτ

其中，F_τ为光纤-土体界面力，F_P为光纤所受的拉力，D为光纤外直径，L为光纤与土体接触的轴向长度，τ为光纤-土体界面剪切强度；

(2)确定FBG中心波长变化量Δλ

根据光纤布拉格光栅应变换算公式算得FBG的中心波长变化量Δλ：

其中，Δλ为FBG的中心波长变化量，λ为原FBG的中心波长，P_ε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；

(3)根据力学平衡及胡克定律求得光纤-土体界面剪切强度τ

由胡克定律其中，E_a为光纤材料的弹性模量；

得到光纤-土体界面剪切强度τ的计算表达式为：