[发明专利]一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法

权利要求书

1.一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统，其特征在于，该海洋土触变特性测试系统包括基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置、利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置以及一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置；

利用无电极非接触土体电阻率测试装置获得土体电阻率ρ(t)，利用测量土体小变形收缩量的测试装置获得土体触变收缩变形量Δε(t)，利用土体不排水抗剪强度的测试装置获得土体抗剪强度S_u(t)，利用数学拟合及归一化方法，建立无量纲的土体触变强度比率N(t)同归一化的土样的电阻率土样的变形量Δε_t(t)函数关系，从而快速判定某种海洋土的触变强度恢复特性；

所述基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置主要由初级线圈(1)、变频交流电源(2)、磁导铁芯(3)、环状土样容器(4A)、环状土样容器(4B)、测试土样(5A)、测试土样(5B)、电压测试线圈(6)、电压表(7)、小电流传感器(8)、电流表(9)和基座(14)组成；其中，初级线圈(1)与变频交流电源(2)串联，提供电力；磁导铁芯(3)为方形框架结构，初级线圈(1)紧密缠绕于磁导铁芯(3)一侧臂，环状土样容器(4A)和环状土样容器(4B)为一环线圈，穿过磁导铁芯(3)另一侧臂，整体构成升压变压器；电压测试线圈(6)环绕置于环状土样容器(4A)上侧，并与电压表(7)连接用于测试电压测试线圈(6)的电压；小电流传感器(8)环绕环状土样容器(4A)上，并与电流表(9)连接，用于测试通过测试土样(5A)的电流；基座(14)上设置有固定架，环状土样容器(4A)和环状土样容器(4B)侧壁外侧打孔形成搭接槽，固定架与环状土样容器(4A)和环状土样容器(4B)的搭接槽固连，构成测试装置框架结构；

所述利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置包括激光发射器(10)、光纤布拉格光栅传感器(11)、调制解调器(12)、计算机(13)和温度补偿光纤(18)；其中，激光发射器(10)分别与光纤布拉格光栅传感器(11)、温度补偿光纤(18)直连，为测试装置提供光信号；光纤布拉格光栅传感器(11)由三根平行的光纤并联组成，分别预先埋入测试土样的土环中内接三角形的三个顶点处；温度补偿光纤(18)置放于土环外；光纤布拉格光栅传感器(11)和温度补偿光纤(18)分别依次与调制解调器(12)和计算机(13)连接，用以转换光信号为电信号并换算得到土体竖向变形收缩的应变值；

一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置，包括标准落锥(15)、位移计(16)和落锥计支座(17)；所述标准落锥(15)与位移计(16)相连，标准落锥下端尖头在测量前紧贴测试土样上表面，在测量时由静止释放标准落锥(15)，使标准落锥(15)插入测试土样内部，即完成测量，组成落锥位移测量部分，该部分固连于所述落锥计支座(17)上，组成抗剪强度测试装置。

2.根据权利要求1所述的海洋土触变特性测试系统，其特征在于，所述的光纤布拉格光栅传感器(11)中使用的光纤采用光纤包层(20)和光纤涂覆层(21)包裹的光纤，增加与土体接触的摩擦系数，提高变形耦合程度。

3.一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试方法，其特征在于，步骤如下：

(1)利用变频交流电源(2)及初级线圈(1)将交流电降压增频，避免极化现象、提高试验操作安全性；试验过程中测试土样中的电压U(t)和电流I(t)随时间的变化关系分别通过电压表及小电流传感器测试；

(2)基于电阻率原理及相应积分规则，建立测试土样的电阻率ρ_(t)与电压U(t)和电流I(t)的关系，如下所示：

其中h为土环试样高度，R₂为土环试样外径，R₁为土环试样内径；

(3)采用复合涂层包裹的光纤传感器，增加与土体接触的摩擦系数，提高变形耦合程度；测试土样的应变Δε(t)由光纤布拉格光栅的轴向应变表示，在试验中设置温度补偿模块，测试土样由触变引起的应变Δε(t)由下式计算：

其中Δλ为光纤布拉格光栅栅区反射光中心波长的漂变量，λ为原光纤布拉格光栅栅区反射光的中心波长，c_ε为光纤材料的应变影响系数，c_T为光纤材料的温度影响系数，ΔT为温度变化量；

(4)基于落锥试验原理测定土样抗剪强度的方法，t时刻土体的强度S_u(t)为：

t时刻的触变强度比率为：

其中W为落锥重量，d为落锥贯入深度，K为强度折减系数，S_u(t₀)为初始时刻的土体强度；

(5)利用数学拟合及归一化方法，建立无量纲的土体触变强度比率N(t)同归一化的土样的电阻率土样的变形量Δε_t(t)函数关系：

其中用土样的电阻率ρ_(t)除以土样触变前的初始电阻率得到归一化的土样的电阻率

(6)误差分析

考虑光纤布拉格光栅传感器(11)的误差，即由于光纤纤芯(19)、光纤包层(20)、光纤涂覆层(21)之间的应变传递损失所造成的误差；应用材料力学方法推导出光纤涂覆层(21)的真实应变值、光纤纤芯(19)和光纤包层(20)所产生的应变误差之间的关系式：

式中：Δε为光纤光栅的应变误差，ε为光纤涂覆层(21)的真实应变，h为应变传递层厚度，d′为光纤与应变传递层的接触宽度，l为光纤粘结段初始长度，G为应变传递层的剪切模量，E′为光纤的弹性模量，A₀为光纤的横截面积。