[发明专利]一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头及其静力触探试验方法

权利要求书

1.一种基于光纤光栅的孔压静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆、传力柱和孔压检测腔，其特征在于：所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述孔压检测腔设在第二传力柱和锥头之间，在孔压检测腔内设有变形膜，变形膜上设有光纤光栅，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。

2.按权利要求1所述的基于光纤光栅孔压静力触探探头，其特征在于：所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。

3.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。

4.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈和透水石。

5.按权利要求1所述的基于光纤光栅的孔压静力触探探头，其特征在于：所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。

6.一种按权利要求1所述的静力触探试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将孔压静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力q_c、侧壁摩阻力f_s；

S2、对于下部压力感应梁：

p₁＝k₀₁ε₀₁，(1)；

上式中，p₁为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k₀₁为比例系数，ε₀₁为下部门字梁受压下轴向应变；

对于光纤光栅，波长变化率与应变温度变化存在如下关系：

上式中，Δλ为光纤光栅波长变化，λ为初始波长，k₁为应变比例系数，ε为光纤光栅应变，k₂为温度比例系数，ΔT为温度变化；

S3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₁，F₂，F₃，F₄，光纤光栅的应变分别为ε₁，ε₂，ε₃，ε₄波长分别记为λ₁，λ₂，λ₃，λ₄，不同压力下的波长变化分别为Δλ₁，Δλ₂，Δλ₃，Δλ₄，则：

上式中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉，将式(3)带入式(1)，化简得：

p₁＝ζ₁ω₁，(4)；

上式中，

S4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅：

p₂＝k₀₂ε₀₂，(7)；

上式中，p₂为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k₀₂为比例系数，ε₀₂为上部门字梁受压下轴向应变；

在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F₅，F₆，F₇，F₈，光纤光栅的应变为ε₅，ε₆，ε₇，ε₈，波长分别记为λ₅，λ₆，λ₇，λ₈，不同压力下的波长变化分别为Δλ₅，Δλ₆，Δλ₇，Δλ₈，则：

计算中温度项被约掉，其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：

p₂＝ζ₂ω₂，(9)；

上式中，

S5、标定过程可同时测出比例系数ζ₁、ζ₂，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力q_c：

上式中，A₁为静力触探头横截面积；

侧壁摩阻力f_s：

上式中，A₂为摩擦筒表面积；

S6、对孔压检测腔进行标定：

u＝k₀₃ε₀₃ (14)；

上式中，u为作用于变形膜上的孔隙水压，k₀₃为比例系数，ε₀₃为变形膜轴向应变；

S7、在变形膜粘贴有光纤光栅F₉，光纤光栅的应变为ε₉，波长记为λ₉，波长变化为Δλ₉，则：

其中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(15)带入式(14)，化简得：

u＝ζ₃ω₃，(16)；

上式中，