[发明专利]一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法

摘要

本发明公开一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作振动传感器；S2：构建砂土模型；S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系；S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别。本申请采用光纤光栅制作振动传感器对河床特性进行测量，大大减少人力物力的投入并提高操作的安全性。

主权项

1.一种基于光纤传感器的河床特性的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：制作振动传感器，S2：构建砂土模型，S3：根据所述砂土模型模拟分析所述振动传感器在砂土中的动态特性，根据各种砂土的参考刚度数据，建立振动传感器的振动特性与砂土的物理特性之间的关系，S4：将振动传感器插入实际土层中，将测得的振动传感器的振动特性与砂土模型的物理特性进行比较，得出各土层厚度和地基土刚度，推断出土的类别；所述步骤S1中的振动传感器包括振动杆、贴合于所述振动杆上的光纤光栅和与光纤光栅连接的光纤电缆，通过测量所述光纤光栅中心波长的变化得到振动杆上应变的变化规律，振动杆上应变和波长的变化满足：其中，ε为振动杆上的应变，λ_B为FBG的中心波长，Δλ_B为波长的偏移量，G_F为应变系数；在振动杆插入砂土中的某一深度处，没有埋入土中的部分为一段悬臂梁，振动杆的基础频率ω与悬臂梁的长度l之间的关系为：其中，ρ,A,E和I分别是振动杆的密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩；因悬臂梁的固结点并非在土体与空气交界面，而是在土体下一部分深度，通过反复实验推断出悬臂梁真正的固结点并在计算公式中加以修正，因此，振动杆的基础频率ω与悬臂梁的长度l的关系为：其中，L，ρ,A,E和I分别是振动杆的总长，密度，横截面面积，弹性模量和惯性矩，c为修正系数；所述步骤S2中构建砂土模型为通过运用Winkler地基模型来构建砂土模型，埋入砂土中的部分振动杆的压力强度p(x)为：p(x)＝K*x，其中，K为土体的变形常数，x为振动杆的埋入深度；运用Winkler地基模型，将K进一步用能够反映土体特性的Ki来分析，根据分析结果埋入土中的振动杆的振动特性Ki为：K_i＝k^*x_iDa，   (1)其中，x_i是埋入土的深度，k^*是地基土刚度，D是振动杆的直径，a相邻土体的距离；建立所述振动传感器的基础频率和土体刚度矩阵之间的关系模型，其数学表达式为：||k‑ω²m||＝0，   (2)其中m是单元质量矩阵，k是单元刚度矩阵，0是零向量，ω为振动频率；解出刚度矩阵，确定能够反映土的物理特性的地基土刚度k^*的参数，从而判断出土的特性。