基于光纖光柵技術(shù)的半剛性基層力學(xué)響應(yīng)測(cè)試分析*

張　靜，魏連雨，馬士賓，李　娜，張奕杰（河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津300401）

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基于光纖光柵技術(shù)的半剛性基層力學(xué)響應(yīng)測(cè)試分析*

張靜，魏連雨*，馬士賓，李娜，張奕杰
（河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，天津300401）

摘要：依托104國(guó)道改建項(xiàng)目，開(kāi)展了光纖光柵傳感器在半剛性基層動(dòng)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試中的應(yīng)用研究。通過(guò)測(cè)試靜載和動(dòng)載作用下半剛性基層底拉應(yīng)變，分析靜載作用下軸重對(duì)半剛性基層底拉應(yīng)變的影響，以及動(dòng)載作用下車速對(duì)半剛性基層底拉應(yīng)變的影響。研究表明，靜載作用下半剛性基層底拉應(yīng)變與荷載大小呈正比，且隨荷載值增加拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率不斷減小，當(dāng)荷載較小時(shí)，基層承受大部分荷載，層底拉應(yīng)變實(shí)測(cè)值大于理論值，隨荷載的增加，實(shí)測(cè)值逐漸趨近理論值，即受力情況逐漸趨于結(jié)構(gòu)整體受力；動(dòng)載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變與荷載大小呈正比，與車輛車速呈反比。測(cè)試結(jié)果表明光纖光柵傳感器與半剛性基層協(xié)同變形良好，能較好地用于半剛性基層應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)試，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：道路工程；應(yīng)變測(cè)試；光纖光柵傳感技術(shù)；半剛性基層；動(dòng)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)

項(xiàng)目來(lái)源：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2014099）；河北省教育廳青年基金項(xiàng)目（QN2015036）；河北工業(yè)大學(xué)優(yōu)秀青年科技創(chuàng)新基金（2013002）

目前及未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，半剛性基層瀝青路面仍然是我國(guó)高等級(jí)公路的主要路面結(jié)構(gòu)形式。然而，半剛性基層具有剛度大、易產(chǎn)生較大徑向拉應(yīng)變（或拉應(yīng)力）的特點(diǎn)，當(dāng)其底面拉應(yīng)變超過(guò)材料的容許疲勞拉應(yīng)變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。因此，半剛性基層底拉應(yīng)變是評(píng)價(jià)半剛性基層疲勞破壞能力的重要指標(biāo)［1］。半剛性基層鋪設(shè)過(guò)程中水穩(wěn)拌合料潮濕且硬度不均，使得埋入的檢測(cè)設(shè)備成活率極低，為找到協(xié)同變形良好且耐腐蝕抗干擾能力強(qiáng)的測(cè)試方法，準(zhǔn)確了解車輛荷載對(duì)半剛性基層底拉應(yīng)變的影響，本文嘗試使用光纖光柵傳感器進(jìn)行半剛性基層底應(yīng)變的測(cè)試。

光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)最早應(yīng)用于橋梁檢測(cè)中，Nellen等人在瑞典Winterhurstorck橋的兩根碳纖維索上布置了布拉格光柵和標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變計(jì)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明二者吻合良好［2］；Fuhr在美國(guó)waterbury橋的面板上埋入了8個(gè)布拉格光柵傳感器，結(jié)果顯示只要光柵能夠在埋入過(guò)程成活，就能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目的［3］。光纖傳感器在道路工程中的應(yīng)用尚處于嘗試階段，我國(guó)學(xué)者將光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用到瀝青路面的檢測(cè)中。陳少幸等［4］采用薄鋼板對(duì)傳感器進(jìn)行改進(jìn)，使其能更真實(shí)反應(yīng)路面應(yīng)變，并得出光纖傳感器具有比傳統(tǒng)電信號(hào)傳感器的抗電磁干擾和耐久性能更好；譚憶秋等［5-6］分別采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種加載方式進(jìn)行瀝青混合料應(yīng)變測(cè)試，得到光纖傳感器與瀝青混合料之間協(xié)同變形良好；王海朋等［7］提出了FBG傳感器在瀝青路面中的埋設(shè)工藝，并使用FBG傳感器進(jìn)行了瀝青路面狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文嘗試將光纖光柵傳感器應(yīng)用于半剛性基層的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試。

1　光纖光柵（FBG）傳感技術(shù)基本原理

光纖光柵傳感技術(shù)［8］的基本原理是由準(zhǔn)分子激光源發(fā)出光波進(jìn)入光纖耦合器，耦合器引導(dǎo)光波到達(dá)光纖傳感器，其中一部分光波從光柵中透射過(guò)去，一部分光波返回耦合器，同時(shí)光波的相干場(chǎng)圖形將寫(xiě)入纖芯，當(dāng)光柵受到拉伸、擠壓及溫度變化造成的變形時(shí)，纖芯光波的折射率發(fā)生周期性變化，光波隨之產(chǎn)生周期性波動(dòng)，從而可檢測(cè)光柵反射信號(hào)的變化，然后通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀得到應(yīng)變，如圖1所示。FBG的反射波的中心波長(zhǎng)λB主要取決于光柵周期Λ和光纖纖芯有效折射率neff，滿足表達(dá)式如下：

圖1　光纖光柵傳感技術(shù)原理示意圖

使用光纖光柵傳感器檢測(cè)應(yīng)變時(shí)，溫度T和應(yīng)變?chǔ)抛兓鸬摩薆的改變?nèi)缦率剑?］所示：

式中：p［i，j］為光彈系數(shù)，ε為應(yīng)變，neff為有效折射率，α為熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)，ΔT為溫度改變。由式（2）可以看出，應(yīng)變和溫度這兩項(xiàng)條件是相互獨(dú)立、線性疊加的，由于在一個(gè)溫度場(chǎng)內(nèi)兩者發(fā)生相同的溫度效應(yīng)，可以通過(guò)在光纖光柵應(yīng)變傳感器中設(shè)置光纖光柵溫度傳感器直接消除溫度對(duì)應(yīng)變傳感器的影響，進(jìn)而得到由荷載單獨(dú)引起的波長(zhǎng)變化［9-10］。

采用溫度光柵做溫度修正時(shí)，被測(cè)物體發(fā)生的應(yīng)變總和ε=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)，而僅荷載引起的應(yīng)變?chǔ)?K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-αΔT。其中：K為應(yīng)變系數(shù)（με/nm）；B為溫度修正系數(shù)，B=1 000-2.3K；λ1為應(yīng)變柵當(dāng)前波長(zhǎng)（nm）；λ0為應(yīng)變柵初始波長(zhǎng)（nm）；λt1為溫補(bǔ)光柵當(dāng)前波長(zhǎng)（nm）；λt0為溫補(bǔ)光柵初始波長(zhǎng)（nm）；α為熱膨脹系數(shù)；ΔT=（λt1-λt0）× 100。本研究采用北京基康BGK-4200型帶溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵傳感器，如圖2所示，解調(diào)使用SM130型光纖光柵動(dòng)態(tài)解調(diào)儀。SM130具有功率高、掃描快（可達(dá)2 kHz）、速度高、多通道等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)其他型號(hào)而言，SM130最突出的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)解調(diào)，用于動(dòng)載作用下半剛性基層力學(xué)響應(yīng)研究。

圖2　溫度補(bǔ)償型光纖光柵傳感器示意圖

2　試驗(yàn)路概況及傳感器布設(shè)

2.1試驗(yàn)路概況

以104國(guó)道改造工程為背景，試驗(yàn)路位于104國(guó)道連鎮(zhèn)出口至寧武線交叉口段。原路面結(jié)構(gòu)為：4 cm瀝青罩面+8 cm瀝青混凝土+15 cm二灰碎石+ 15 cm石灰土。改造前原路面出現(xiàn)嚴(yán)重龜裂、車轍、沉陷、坑槽等病害，須對(duì)原道路進(jìn)行改造。對(duì)舊路面進(jìn)行18 cm冷再生并調(diào)拱，其上依次鋪筑18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層及9 cm瀝青混凝土面層。改造后的路面結(jié)構(gòu)為：9 cm瀝青混凝土+18 cm水泥穩(wěn)定碎石+ 18 cm水泥冷再生+9 cm二灰碎石+15 cm石灰土。

2.2傳感器布設(shè)

在單車道范圍內(nèi)，車輛荷載作用下半剛性基層底拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在車道輪跡帶處。因此，將傳感器埋設(shè)在車道右側(cè)輪跡帶基層層底，如圖3所示。研究所用北京基康BGK-4200型光纖光柵傳感器基本信息如表1所示，傳感器埋設(shè)方向與行車方向相同（見(jiàn)圖4）。電阻式應(yīng)變片［11］的埋設(shè)用于與光纖光柵傳感器進(jìn)行對(duì)比。應(yīng)變片使用中國(guó)建筑科學(xué)研究院生產(chǎn)的BX120-10AA型電阻式應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采用秦皇島市信恒電子科技有限公司的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（CM-1L-10）進(jìn)行采集。由于基層底的特殊環(huán)境，需對(duì)其進(jìn)行防水防潮處理，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇抗冷熱且防潮性能優(yōu)異的奧斯邦181有機(jī)硅橡膠在自制模具中進(jìn)行密封。電阻應(yīng)變片的埋設(shè)方向如圖5所示，縱向與光纖光柵傳感器相同，由于電阻應(yīng)變片成活率低且變異性大，同時(shí)埋設(shè)水平方向及45°斜向應(yīng)變片以便對(duì)豎向應(yīng)變進(jìn)行校核。同時(shí)，為準(zhǔn)確獲得車輛荷載傳遞至基層底的壓應(yīng)力，在輪跡帶處埋設(shè)壓力盒，壓力盒使用天津盛克威科技有限公司生產(chǎn)的振弦式土壓力盒，量程為0.4 MPa，靈敏度為0.000 1 MPa。

表1　光纖光柵傳感器基本信息表

圖3　傳感器布置圖

圖4　FBG傳感器埋設(shè)圖

圖5　電阻式應(yīng)變片埋設(shè)圖

3　半剛性基層底應(yīng)變測(cè)試與分析

3.1接地壓力的測(cè)試

為研究不同軸載對(duì)半剛性基層底拉應(yīng)變的影響。將加載車輛右后軸作用于壓力盒正上方，改變測(cè)試車輛載重以改變軸重，測(cè)試加載車輛軸重傳遞至半剛性基層底的壓應(yīng)力。測(cè)試中共變換四種軸重，分別編號(hào)為P-1、P-2、P-3、P-4，其中P-2為標(biāo)準(zhǔn)軸重BZZ-100，即，單軸載100 kN。壓力盒采集的數(shù)據(jù)為頻率，按照出廠的標(biāo)定系數(shù)計(jì)算壓應(yīng)力，如式（3）：

式中，P為計(jì)算壓應(yīng)力（MPa），K為標(biāo)定系數(shù)，f1為加載后頻率，f0為初始頻率。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　軸載傳遞到半剛性基層底的壓應(yīng)力值

3.2靜載測(cè)試與分析

3.2.1靜載測(cè)試結(jié)果

為了探究靜載作用下，不同軸載對(duì)半剛性基層底應(yīng)變的影響規(guī)律。分別在半剛性基層底埋設(shè)有光纖光柵傳感器和電阻應(yīng)變片正上方施加3.1中所述4種不同靜載。實(shí)測(cè)應(yīng)變片Ⅲ、Ⅴ損壞無(wú)讀數(shù)，應(yīng)變片Ⅱ?yàn)?5°斜向應(yīng)變片，需將實(shí)測(cè)值經(jīng)三角形法則換算，記為Ⅱ*。兩種傳感器測(cè)得的應(yīng)變值（拉為正）見(jiàn)表3。圖6所示為FBG傳感器與電阻應(yīng)變片實(shí)測(cè)應(yīng)變值隨基層底壓應(yīng)力變化曲線。其中，為減小測(cè)量誤差，應(yīng)變片①實(shí)測(cè)值為應(yīng)變片Ⅰ與Ⅱ*的平均值，應(yīng)變片②實(shí)測(cè)值為應(yīng)變片Ⅳ與Ⅵ的平均值。

由表2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)BG傳感器及電阻應(yīng)變片測(cè)得基層底應(yīng)變值均為正值，即拉應(yīng)變。其中，兩組FBG傳感器實(shí)測(cè)應(yīng)變值非常接近，最大差值僅為0.986 με，而電阻應(yīng)變片實(shí)測(cè)應(yīng)變值顯示，同組測(cè)試數(shù)據(jù)差值達(dá)5 nm～10 nm，兩組之間差值在4 nm～10 nm范圍內(nèi)。圖6顯示，F(xiàn)BG傳感器與電阻應(yīng)變片實(shí)測(cè)值隨壓應(yīng)力數(shù)值的增大而增大。兩條FBG傳感器應(yīng)變曲線變化協(xié)同一致，層底應(yīng)變值變化率隨壓應(yīng)力的增加而逐漸增大；而電阻應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)變曲線，兩條曲線不僅數(shù)值相差較大，而且變化率隨壓應(yīng)力的增大呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。由此可見(jiàn)，在靜載作用下，光纖光柵傳感器所測(cè)應(yīng)變值穩(wěn)定、變異性小，電阻應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變值不僅差異較大，且呈現(xiàn)出的變化趨勢(shì)不一致。

表3　FBG傳感器及電阻應(yīng)變片實(shí)測(cè)應(yīng)變值

圖6　FBG傳感器與電阻應(yīng)變片應(yīng)變值隨層底壓應(yīng)力變化曲線

3.2.2靜載理論計(jì)算結(jié)果與分析

利用KENPAVE計(jì)算得到路面結(jié)構(gòu)中基層底的理論應(yīng)變值，與FBG實(shí)測(cè)均值進(jìn)行對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4　不同荷載作用下半剛性基層底的拉應(yīng)變

不同軸載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變的實(shí)測(cè)值及理論計(jì)算值經(jīng)回歸分析后得到圖7所示變化趨勢(shì)線。半剛性基層底拉應(yīng)變實(shí)測(cè)值與KENPAVE計(jì)算得到的理論值均與對(duì)數(shù)函數(shù)擬合良好，表明半剛性基層底拉應(yīng)變隨荷載的增加不斷增加，但增長(zhǎng)率不斷減小。如圖所示，當(dāng)荷載較小時(shí)，半剛性基層底拉應(yīng)變實(shí)測(cè)值小于理論計(jì)算值，隨著荷載的不斷增加，實(shí)測(cè)值不斷趨近理論計(jì)算值，最終兩曲線相交。這是由于實(shí)際工程中，半剛性基層具有板體性強(qiáng)、剛度較大的特點(diǎn)，在荷載較小的情況下，大部分荷載由基層承受，基層以下結(jié)構(gòu)層只承擔(dān)極小部分的荷載作用；而KENPAVE基于線彈性模型進(jìn)行計(jì)算，即無(wú)論外部荷載數(shù)值大小，其計(jì)算模型各結(jié)構(gòu)層共同承受荷載作用。因此，當(dāng)荷載較小時(shí)，實(shí)測(cè)應(yīng)變值大于理論值；隨著荷載的增加，基層以下結(jié)構(gòu)層開(kāi)始逐漸分擔(dān)荷載作用，且比重不斷增加；當(dāng)荷載不斷增大并趨于極限時(shí)，實(shí)測(cè)值與理論值不斷接近，直至兩曲線相交，說(shuō)明當(dāng)荷載足夠大時(shí)，基層與下臥層逐漸形成整體，即整個(gè)路面結(jié)構(gòu)共同承受荷載的作用，更趨近于線性變形。

圖7　不同荷載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變變化曲線

3.3動(dòng)載測(cè)試與分析

為了分析動(dòng)載作用下，相同軸載不同車速對(duì)半剛性基層底應(yīng)變的影響規(guī)律［12］。采用編號(hào)P-2標(biāo)準(zhǔn)軸載進(jìn)行半剛性基層底應(yīng)變的動(dòng)載測(cè)試。測(cè)試設(shè)計(jì)20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h 4種不同車速。加載車采用四種規(guī)定的不同車速通過(guò)測(cè)試點(diǎn)，考慮實(shí)際環(huán)境影響及駕駛員操作引起實(shí)際車速與規(guī)定車速值的偏差，通過(guò)光纖光柵傳感器測(cè)得加載車前軸與后軸波峰間的時(shí)間差，計(jì)算得到加載車輛的準(zhǔn)確車速。加載車以不同車速通過(guò)測(cè)試點(diǎn)時(shí)，前軸與中軸波峰間時(shí)間差分別為0.495 s、0.395 s、0.225 s、0.200 s，軸距為3.5 m，計(jì)算得到車速依次為25 km/h、32 km/h、56 km/h、63 km/h。加載車輛以上述四種不同車速行駛通過(guò)測(cè)試點(diǎn)，半剛性基層底拉應(yīng)變變化曲線如圖8～圖11所示。

圖8　車速25 km/h時(shí)，基層底拉應(yīng)變變化曲線

圖9　車速32 km/h時(shí)，基層底拉應(yīng)變變化曲線

圖10　車速56 km/h時(shí)，基層底拉應(yīng)變變化曲線

圖11　車速63 km/h時(shí)，基層底拉應(yīng)變變化曲線

表5所示為加載車以不同車速通過(guò)光纖光柵傳感器時(shí)半剛性基層底的拉應(yīng)變峰值。

表5　不同車速作用下，半剛性基層底的拉應(yīng)變峰值

由圖表數(shù)據(jù)可以看出，在動(dòng)載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變具有明顯規(guī)律性。首先，圖8～圖11光纖光柵的應(yīng)變測(cè)試結(jié)果顯示：未加載時(shí)，半剛性基層底應(yīng)變整體呈現(xiàn)負(fù)值或在x軸上下小范圍波動(dòng)；施加荷載作用后，最初的應(yīng)變值急劇增長(zhǎng)至峰值。說(shuō)明基層底應(yīng)變由壓應(yīng)變驟變?yōu)槔瓚?yīng)變，即無(wú)車輛荷載作用的基層底應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹?，而車輛荷載作用下的基層底應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，且光纖光柵反應(yīng)敏感。其次，加載車軸重由大到小依次為中軸、后軸、前軸，圖8～圖11還清晰的顯示出半剛性基層底拉應(yīng)變峰值與加載軸重呈現(xiàn)同步變化，因此可以得到，半剛性基層底拉應(yīng)變峰值與其軸重成正比，光纖光柵傳感器與半剛性基層結(jié)構(gòu)層協(xié)同變形良好。此外，由表3所示數(shù)據(jù)可以看出，半剛性基層底拉應(yīng)變峰值隨著車速的增加不斷減小，且均小于靜載作用下的應(yīng)變值。由此可見(jiàn)，動(dòng)荷載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變與車輛車速呈反比［13］；動(dòng)載作用時(shí)間短暫，路面結(jié)構(gòu)變形并不像靜載作用那樣充分。綜上所述，動(dòng)荷載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變與荷載大小呈正比，與車輛車速呈反比；光纖光柵傳感器與半剛性基層結(jié)構(gòu)層協(xié)同變形良好，能夠準(zhǔn)確快速的反映半剛性基層底應(yīng)變變化。

4　結(jié)論

本文對(duì)光纖光柵傳感器在半剛性基層中的應(yīng)用進(jìn)行了初步嘗試，通過(guò)實(shí)際工程對(duì)半剛性基層底應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試及分析。研究得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①靜載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變與荷載大小呈正比，且隨荷載的增加拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率不斷變大。荷載較小時(shí)，基層傳荷能力較差，承受大部分荷載，基層底拉應(yīng)變實(shí)測(cè)值大于理論值；隨荷載的增加，實(shí)測(cè)值逐漸趨近理論值，即受力情況逐漸趨于結(jié)構(gòu)整體受力。

②動(dòng)載作用下，半剛性基層底拉應(yīng)變與荷載大小呈正比，與車輛車速呈反比。

③光纖光柵傳感器與半剛性基層協(xié)同變形良好，能夠準(zhǔn)確快速的反映半剛性基層底應(yīng)變變化，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定、變異性小，適應(yīng)性強(qiáng)、成活率高，應(yīng)用前景廣闊。

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張靜（1988-），女，河北張家口人，博士研究生，主要研究方向?yàn)槁访婀こ獭⒐佛B(yǎng)護(hù)與管理，13920530692@126.com;

魏連雨（1957-），男，天津市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榈缆放c交通工程，wly57@126.com。

Experiments and Analysis on the Mechanical Response of the Semirigid Substrate Using Fiber Bragg Grating Sensing Technology*

ZHANG Jing，WEI Lianyu*，MA Shibin，LI Na，ZHANG Yijie
（School of Civil Engineering，Hebei University of technology，Tianjin 300401，China）

Abstract：Relying on the NO.104 National Road renovation project，one application research which is using Fiber Bragg Grating（FBG）sensor to test the static and dynamic mechanical response of the semi-rigid substrate is carried out. By testing layer bottom’s tensile strain of the semi -rigid substrate under static and dynamic load effect，analy?sis the tensile strain on the impact of both static axle load and vehicle speed of dynamic load. The research indi?cates，the tensile strain of the semi-rigid substrate which is under static load effect is proportional to the value of the load，and the tensile strain growth rate is decreasingwith the increasingload value. When the load is small，the mea?sured value of tensile strain is greater than the theoretical value，because the substrate bears majority load；with the load increasing，the measured value is gradually approaching the theoretical value，that means the pavement struc?ture resists load as a whole. Under the dynamic load effect，the tensile strain of the semi-rigid substrate is propor?tional to the value of the load and is inversely proportional to the vehicle speed. The test results show that Fiber Bragg Grating sensor has good coordination deformation with semi-rigid substrate，therefore，it can be better used to test the semi -rigid substrate strain and has broad application prospects.

Key words：road engineering；strain test；fiber bragg grating（FBG）sensing technology；the semi-rigid substrate；the dynamic and static mechanical response

doi：EEACC：7230E10.3969/j.issn.1004-1699.2016.03.004

收稿日期：2015-11-11修改日期：2015-12-27

中圖分類號(hào)：TP212.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1699（2016）03-0326-06