岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (12): 4005-4014.doi: 10.16285/j.rsm.2020.0510

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低温影响下FBG永久变形计算方法研究

周智超1,王淼1,孟上九1, 2, 3,孙义强3   

  1. 1. 哈尔滨理工大学 建筑工程学院,黑龙江 哈尔滨 150080;2. 佳木斯大学 建筑工程学院,黑龙江 佳木斯 154007; 3. 中国地震局工程力学研究所,黑龙江 哈尔滨 150080
  • 收稿日期:2020-04-26 修回日期:2020-08-03 出版日期:2020-12-11 发布日期:2021-01-18
  • 通讯作者: 王淼,男,1990年生,博士,讲师,硕士生导师,主要从事土动力学与冻土力学方面的研究。E-mail:jyllwm1990@126.com E-mail:zzc18545567775@163.com
  • 作者简介:周智超,男,1995年生,硕士研究生,主要从事光纤光栅传感及岩土工程方面的研究工作。
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(No.2017YFC0404805,No.2017YFC0404803);黑龙江省普通高校基本科研业务费专项资金(No.2018-KYYWF-1651);黑龙江省自然科学基金(No.ZD2019E009);国家自然科学基金(No.51378164)

Calculation method of permanent deformation of FBG under the influence of low temperature

ZHOU Zhi-chao1, WANG Miao1, MENG Shang-jiu1, 2, 3, SUN Yi-qiang3   

  1. 1. College of Civil Engineering and Architecture, Harbin University of Science and Technology, Harbin, Heilongjiang 150080, China; 2. School of Civil Engineering and Architecture, Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007, China; 3. Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin, Heilongjiang 150080, China
  • Received:2020-04-26 Revised:2020-08-03 Online:2020-12-11 Published:2021-01-18
  • Supported by:
    This work was supported by the National Key Research and Development Program of China(2017YFC0404805, 2017YFC0404803), the Fundamental Research Foundation for Universities of Heilongjiang Province(2018-KYYWF-1651), the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province(ZD2019E009) and the National Natural Science Foundation of China(51378164).

摘要: 温度对光纤布拉格光栅(简称FBG)变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明:FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。

关键词: 季冻土, 光纤布拉格光栅, 永久变形, 温度补偿, 冻融循环

Abstract: Temperature has a significant effect on the deformation monitoring of fiber Bragg grating (FBG), which leads to great limitations of FBG technology in the monitoring of seasonal frozen soil subgrade. The temperature compensation method to solve the cross-sensitivity problem of FBG sensors is presented in this paper, and the deformation law of FBG-based monitoring beam under different loads and negative temperatures is analyzed. A subgrade model for laboratory tests is proposed, and the applicability of FBG in the monitoring of permanent deformation for seasonal frozen soil is verified. The results show that the wavelength of FBG is linearly correlated with temperature. The lower the temperature, the smaller the wavelength, and the greater the influence on the monitored deformation. The wavelength of the FBG monitoring beam is calculated using the temperature compensation method, so that the wavelength error caused by low temperature can be eliminated. Based on the deformation testing results of the subgrade model, the deformation measured using the FBG is similar to that measured using the cable displacement meter when the influence of temperature is eliminated. This means that the FBG monitoring beam can deform synchronously with soil and the soil deformation monitoring under low temperature can be achieved. Under the influence of freeze-thaw cycle, the FBG testing result is close to the actual deformation, and the error is within 5%. After 4 to 5 freeze-thaw cycles, the permanent deformation of the subgrade model tends to be stable.

Key words: seasonal frozen soil, fiber Bragg grating (FBG), permanent deformation, temperature compensation, freeze-thaw cycle

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