基于FBG技術(shù)的土體含水率測量方法試驗(yàn)

陳 卓, 張 丹，孫夢雅( 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

土體含水率對土體強(qiáng)度、變形和滲透等特性有著重要的影響，而且土體含水率具有很強(qiáng)的時(shí)空變異性，是土體工程性質(zhì)研究中的主要指標(biāo)之一。目前，測量土體含水率常見的方法有烘干法、電阻法[1～2]、時(shí)域反射法[3～4]、探地雷達(dá)法[5]、頻域反射法[6]、紅外感測法[7]、遙感影像法和光譜分析法等[8]。上述方法通常適用于室內(nèi)試驗(yàn)如烘干法，或點(diǎn)式測量如電阻法、時(shí)域反射法、探地雷達(dá)法、頻域反射法，又或只是對一個(gè)地區(qū)土體表面含水狀況作大概的估計(jì)，難以對深部土體的含水率進(jìn)行精確測量[9]如紅外感測法、遙感影像法和光譜分析法。因此，研發(fā)一種(準(zhǔn))分布式、易安裝到深部土體中、性價(jià)比高的土體含水率測量方法顯得至關(guān)重要，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工程建設(shè)都具有重要意義。

高分子材料是指以高分子化合物為基礎(chǔ)的聚合物材料，通常其分子量大于10000。高分子材料由于其特殊的優(yōu)良性能成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。親水橡膠是一種具有吸水膨脹、失水收縮和雙重止水特性的新型功能高分子材料，廣泛用作土木建筑的止水材料、密封材料和填料等[10]。親水橡膠的高彈性和較好的機(jī)械強(qiáng)度，使得親水橡膠在吸水后可膨脹幾倍至幾百倍。

光纖作為一種傳感材料，當(dāng)其受到拉伸、彎折等作用后，其中傳導(dǎo)的光信號將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。建立被測參量與光纖中光信號之間的關(guān)系，通過解調(diào)光信號的變化可以實(shí)現(xiàn)對被測參量的測量[11]。FBG(Fiber Bragg Grating)光纖傳感技術(shù)具有抗電磁干擾、體積小、重量輕、全身絕緣、集成度高，經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢。本文基于FBG光纖傳感技術(shù)[12]，將親水橡膠與光纖光柵封裝在一起，利用親水橡膠吸水膨脹、失水收縮的特性，使FBG傳感器的中心波長隨親水橡膠含水率的變化而發(fā)生變化。在實(shí)際應(yīng)用中，通過將親水橡膠和光纖光柵的膠封結(jié)構(gòu)放置于土體中，當(dāng)親水橡膠與土體的水分交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，通過測量光纖光柵的中心波長，并依據(jù)中心波長與土體含水率的率定關(guān)系可以得到土體的含水率。該測量方法可以實(shí)現(xiàn)對土體含水率的原位測試，減少了取樣、運(yùn)輸造成的測量誤差。此外，利用FBG復(fù)用技術(shù)[13～14]，可以在一條傳感光纖上封裝多個(gè)含水率測點(diǎn)，通過在地表開挖溝槽或者鉆孔將傳感光纖埋設(shè)在土體中，實(shí)現(xiàn)對一定區(qū)域和深度范圍土體含水率的準(zhǔn)分布式、實(shí)時(shí)監(jiān)測，為各類土體的工程性質(zhì)研究和應(yīng)用提供含水率分布特征及其變化的有效信息。

1 試驗(yàn)原理與方案

以親水橡膠作為換能材料，將親水橡膠與光纖光柵耦合，利用親水橡膠吸水膨脹、失水收縮的特性，結(jié)合FBG準(zhǔn)分布式光纖傳感技術(shù)，測量親水橡膠含水率與光纖中心波長的相關(guān)關(guān)系。利用該方法對黏土試樣的含水率進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了FBG傳感技術(shù)與親水橡膠相結(jié)合測量土體含水率的可行性。試驗(yàn)包括3個(gè)部分：(1)標(biāo)定了在反復(fù)吸水、失水過程中，親水橡膠的體積與其含水率的相關(guān)關(guān)系；(2)測量了親水橡膠的含水率與光纖光柵中心波長的相關(guān)關(guān)系；(3)測量了黏土的含水率與光纖光柵中心波長的相關(guān)關(guān)系。

試驗(yàn)建立親水橡膠含水率和體積之間的相關(guān)關(guān)系，且在反復(fù)試驗(yàn)中親水橡膠吸水、失水的能力基本保持不變，驗(yàn)證利用親水橡膠實(shí)現(xiàn)含水率測量的可行性。通過膠黏封裝方法，將親水橡膠與光纖耦合建立FBG-親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)模型。通過親水橡膠調(diào)制光纖中的光信號，實(shí)現(xiàn)對含水率的實(shí)時(shí)測量。通過將FBG-親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)模型植入到土體中，當(dāng)親水橡膠與土樣中的水分交換達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，分別測量光纖光柵的中心波長與土樣含水率，并建立兩者之間的相關(guān)關(guān)系，基于該相關(guān)關(guān)系，可以在基本不擾動(dòng)土體的條件下，實(shí)現(xiàn)土體含水率的分布式、長期、原位、實(shí)時(shí)測量，避免了單點(diǎn)采樣帶來的偶然性，為各類土體的研究和治理提供相關(guān)參數(shù)。

2 親水橡膠的吸水、失水體變特征

親水橡膠主要是由彈性體和親水性物質(zhì)組成的多組分體系。水分子通過擴(kuò)散、毛細(xì)力和表面吸附等物理作用進(jìn)入橡膠內(nèi)，與橡膠中的親水性基團(tuán)形成極強(qiáng)的親和力。橡膠中的親水性物質(zhì)被進(jìn)入的水溶解或溶脹，在橡膠內(nèi)外形成滲透壓差，這種壓差對于水向橡膠內(nèi)部滲透具有促進(jìn)作用。親水性物質(zhì)不斷吸收水分，致使橡膠發(fā)生變形。當(dāng)橡膠自身抵抗變形力和滲透壓差達(dá)到平衡時(shí)，即靜水最大膨脹率，吸水膨脹作用保持相對穩(wěn)定[15]。由于其高彈性和較好的機(jī)械強(qiáng)度，橡膠在吸水后可膨脹幾倍至幾百倍。親水橡膠無毒、無味、承壓能力強(qiáng)、反復(fù)膨脹收縮也不會降低其基本性能，同時(shí)具有機(jī)械強(qiáng)度高、相容性好、吸水性高等特點(diǎn)，其用途相當(dāng)廣泛，主要用于土木建筑的止水材料、密封材料、填料、地上建筑和地下管道的防水工程等方面。試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫接H水橡膠在吸水膨脹過程中含水率與體積的關(guān)系，同時(shí)驗(yàn)證親水橡膠在反復(fù)吸水、失水過程中的穩(wěn)定性。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于親水橡膠具有彈性好和可切割的特性，可以把親水橡膠加工成各種形狀，便于和傳感光纖形成不同的封裝結(jié)構(gòu)。本次試驗(yàn)親水橡膠的形狀有3種：(1)條狀：長約2～3 cm，寬0.5 cm，厚0.25 cm。(2)環(huán)狀：長約10 cm，寬2～3 cm，厚0.5 cm。這種形狀的親水橡膠可以固定在剛環(huán)上，并將光纖纏繞在親水橡膠表面。(3)塊狀：長約5 cm，寬約4 cm，厚2～3 cm。

在測量親水橡膠含水率與體變的關(guān)系試驗(yàn)中，將干燥后的上述3種形狀的親水橡膠分別浸泡在水中，使其吸水膨脹，每隔1h測量親水橡膠吸水后的質(zhì)量，得到其對應(yīng)時(shí)刻的含水率。同時(shí)，將親水橡膠放進(jìn)裝有水的量筒中，根據(jù)量筒中水的體積變化得到橡膠的體積。

將3種形狀的親水橡膠分別放置在水中吸水直至飽和，再烘干失水，多次重復(fù)上述過程，得到親水橡膠在重復(fù)吸水、失水過程中含水率與時(shí)間的關(guān)系。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

親水橡膠在吸水膨脹過程中其含水率與體變的關(guān)系見圖1，在重復(fù)吸水、失水過程中含水率隨時(shí)間的變化見圖2。

圖1 親水橡膠體變與含水率率定曲線Fig.1 Linear correlation between the hydrophilic rubber’s volume and its moisture content

從圖1中可以看出，三種形狀的親水橡膠吸水后的體變與其含水率均呈正相關(guān)，且線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96以上，即FBG—親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)在吸水過程中隨著含水率的增加，親水橡膠體變導(dǎo)致的光纖拉伸形變也同步增加。不同形狀的橡膠，由于體積的差異，造成了相同含水率條件下，其體變各不相同。由圖2可知，親水橡膠在重復(fù)吸水、失水過程中，其含水率的變化范圍為0～200%，且重復(fù)性較好，表明親水橡膠在反復(fù)試驗(yàn)中其吸水、失水的能力基本保持不變，具有良好的穩(wěn)定性。表明利用該親水橡膠作為換能材料是可行的。

3 FBG傳感技術(shù)測量中心波長與親水橡膠含水率試驗(yàn)的關(guān)系

通過將親水橡膠與光纖光柵通過一定方式封裝形成含水率測試傳感器，利用親水橡膠吸水膨脹、失水收縮導(dǎo)致光纖產(chǎn)生形變，依據(jù)光纖光柵中心波長的變化得到含水率指標(biāo)。光纖參數(shù)，見表1。本試驗(yàn)的目的是得到親水橡膠在吸水膨脹、失水收縮時(shí)中心波長與含水率的關(guān)系。

表1 光纖參數(shù)Table1 Parameters of optical fiber

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以條帶狀親水橡膠作為換能材料，采用膠黏封裝方法，將光纖光柵夾在兩個(gè)形狀相同的條帶狀親水橡膠之間，形成FBG含水率傳感器。將該傳感器浸入水中，并放置在40 ℃的恒溫箱內(nèi)以消除溫度的影響。每隔1 h測量親水橡膠吸水膨脹后封裝部分的質(zhì)量，直至親水橡膠質(zhì)量不再增加為止。然后，將光纖光柵和親水橡膠封裝的部分從水中取出，同樣按1 h間隔測量親水橡膠烘干失水過程中封裝部分質(zhì)量的變化。根據(jù)親水橡膠質(zhì)量的變化，可以得到親水橡膠的含水率。在吸水、失水過程中，同時(shí)記錄相應(yīng)時(shí)刻光纖光柵的中心波長。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

將親水橡膠含水率與光纖光柵中心波長作散點(diǎn)圖，見圖3。

圖3 FBG中心波長和親水橡膠含水率的關(guān)系Fig.3 Linear correlation between the FBG central wavelength and the moisture content of hydrophilic rubber

親水橡膠含水率的變化范圍在0～200%。FBG中心波長和親水橡膠的含水率呈正相關(guān)，即在吸水膨脹階段，隨著含水率增加，中心波長隨之變大；失水收縮階段，含水率降低，中心波長隨之減小。而且，在吸水膨脹過程，F(xiàn)BG中心波長和親水橡膠的含水率以50%含水率為界，呈分段線性關(guān)系，即含水率分別為0～50%和50%～120%，線性關(guān)系良好。可見，本文提出的FBG—親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的傳感性能，可以用于含水率的測量。

4 土體含水率的測量

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將含水率為70%的條帶狀親水橡膠與光纖光柵膠黏封裝在一起，置于表面皿中含水率同樣為70%的黏土試樣中，密封放置一段時(shí)間直至親水橡膠與黏土的水分交換達(dá)到平衡，F(xiàn)BG中心波長不再變化。然后，將表面皿放在40 ℃的恒溫箱中的天平上，使其烘干失水。試驗(yàn)裝置見圖4。每隔0.5 h利用FBG解調(diào)儀測量在失水過程中光纖光柵傳感器的中心波長，同時(shí)根據(jù)天平的讀數(shù)得到黏土試樣水分的蒸發(fā)量，進(jìn)而計(jì)算黏土試樣的含水率。

圖4 光纖光柵測量土體含水率試驗(yàn)Fig.4 Measurement of soil moisture content by fiber grating

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在烘干失水過程中定時(shí)測量光纖光柵的中心波長和黏土試樣的含水率，得到兩者的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 黏土含水率與中心波長相關(guān)關(guān)系Fig.5 Linear correlation between the central wavelength and the moisture content of clay

含水率在10%～70%范圍內(nèi)，黏土含水率與FBG中心波長呈分段線性關(guān)系，即含水率分別在0～50%和50%～70%范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。表明采用FBG—親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)的傳感器測量黏土含水率是可行的。在實(shí)際運(yùn)用中，只需在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定好FBG中心波長與土樣含水率的關(guān)系曲線，即通過測量光纖的變形量就可以知道土體的含水率，可將其用于各類土體含水率的原位監(jiān)測。利用FBG技術(shù)準(zhǔn)分布式測量的特點(diǎn)，可以在一定空間范圍和一定深度土體內(nèi)大量布設(shè)的測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)土體含水率的分布式監(jiān)測，得到土體含水率在時(shí)空上分布特征和變化規(guī)律，為土體工程性質(zhì)的研究提供依據(jù)。

5 結(jié)論與建議

(1)親水橡膠的體積與其含水率均呈正相關(guān)，且線性關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.96以上，在反復(fù)試驗(yàn)中其吸水、失水的能力基本保持不變，具有良好的穩(wěn)定性。

(2)在FBG—親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)中，親水橡膠的含水率與光纖光柵中心波長呈正相關(guān)，且以50%含水率為界，呈分段線性關(guān)系，線性關(guān)系良好。

(3)黏土含水率與FBG中心波長呈分段線性關(guān)系，且以50%含水率為界，線性關(guān)系良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的FBG—親水橡膠封裝結(jié)構(gòu)監(jiān)測土體含水率的方法可行。