一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法技术方案

本发明专利技术属于土木工程技术领域，提供了一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法。一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统，包括基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置、利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置以及一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置。与现有海洋软土触变特性评价方法相比，从土体触变的机理出发，创新性的将反映土体结构改变的收缩变形量及电阻率作为触变过程中土体微观结构变化的评价指标，进一步的建立土体触变强度比率与土体结构变化评价指标的关系，提出了一种新型的海洋土触变特性综合评价方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法
本专利技术属于土木工程
，涉及一种海洋软土触变强度恢复的测试评价方法，尤其涉及一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统及方法。
技术介绍
随着海洋强国战略的推进，海洋资源与海洋空间的开发和利用正在如火如荼的进行当中。建设海洋强国，必须进一步认识海洋、经略海洋，加快海洋科技研究创新的步伐。对于多数海洋构筑物，海床是海洋空间结构物的“扎根”的土壤，海床地基和基础的稳定性对海洋结构物的稳定和安全具有至关重要的作用。海床地基在波浪荷载、地震荷载及由结构物间接传递的各类动荷载作用下，土体结构性遭到破坏，诱发强度刚度的退化、超孔压以及塑性应变的累计。海洋土在动荷载作用下的软化灾变将进一步的降低海洋结构物基础的承载力降低，诱发大变形破坏，严重影响海洋构筑物的安全。在外界不利震动荷载消失后，随时间的增长土体的结构和强度将逐渐恢复，岩土工程中将扰动后土体强度随时间的增长而逐渐恢复的现象定义为触变。对于处于相对软弱土层的海洋构筑物基础来说，科学认识海洋土软化后的强度恢复特性，对于海洋锚固基础的优化设计以及运营过程中的安全评估有着至关重要的意义。因此研究海洋软土的触变性，准确评价扰动后的强度恢复特性，对于海床稳定性评价和海洋锚固基础的优化设计方面有重要工程应用价值。目前，对于饱和软土触变特性的评价主要通过试验手段，研究随时间的推移土体结构及不排水强度的恢复特性。有别于陆地软土，海洋软土的强度往往较低，尤其对于深海软土来说，其强度一般在几十kPa范围内，触变过程的前期对扰动尤为敏感。传统的十字板剪切试验、静力触探探试验等传统强度测试手段在加载初期扰动的影响无法消除，具有天然缺陷，同时受制于测试精度，土体的早期触变特性难以准确评价。另一方面，对于土体触变过程中结构恢复的研究，局限于扫描电镜试验等手段，难以定量的分析土体触变过程中结构的连续变化。综合来看，目前对软黏土触变性的评价多围绕土体抗剪强度这一指标，建立强度-时间函数，未能将触变过程中土体的结构及强度变化进行同步量化分析。针对这一问题，本专利技术型专利从提高测试精度、降低不利扰动及建立综合反映土体结构恢复及强度变化特性的评价方法入手。在结合传统落锥法强度测试的优点的基础上，创新性的采用测试精度高、抗电磁干扰能力强的光纤光栅传感器，测试土体触变过程中的收缩应变。同步的，利用非接触电阻率测试技术在触变过过程中无扰动、连续的测试土体电阻率的变化。选取归一化的电阻率及收缩应变作为土体结构恢复的评价指标，量化了触变过程中土体结构恢复与抗剪强度的关系，提出了海洋土触变特性的综合评价方法。与现有方法对比，具有评价指标完善、精度高、可量化分析、综合性好的优点，对海洋软土触变特性的评价与研究有重要的参考意义。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性综合评价方法，以实现海洋软土触变过程中土体结构及强度的同步量化分析。该方法基于非接触电磁感应式电阻率测试方法，结合抗电磁干扰、抗腐蚀、精度高的光纤传感技术，实现了交变磁场中土体收缩应变及电阻率的同步量测。创新性的提出将触变过程中土体收缩应变及电阻率的变化作为土体结构变化的评价指标，并通过落锥法测量选定时刻的土体抗剪强度的增量。最终，建立了可综合考量土体结构变化及强度恢复指标的海洋软土触变特性评价方法。为实现上述目的，采用的技术方案如下：一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统，包括基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置、利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置以及一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置；利用无电极非接触土体电阻率测试装置获得土体电阻率ρ(t)，利用测量土体小变形收缩量的测试装置获得土体触变收缩变形量Δε(t)，利用土体不排水抗剪强度的测试装置获得土体抗剪强度Su(t)，利用数学拟合及归一化方法，建立无量纲的土体触变强度比率N(t)同归一化的土样的电阻率土样的变形量Δεt(t)函数关系，从而快速判定某种海洋土的触变强度恢复特性；所述基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置主要由初级线圈1、变频交流电源2、磁导铁芯3、环状土样容器4A、环状土样容器4B、测试土样5A、测试土样5B、电压测试线圈6、电压表7、小电流传感器8、电流表9和基座14组成；其中，初级线圈1与变频交流电源2串联，提供电力；磁导铁芯3为方形框架结构，初级线圈1紧密缠绕于磁导铁芯3一侧臂，环状土样容器4A和环状土样容器4B为一环线圈，穿过磁导铁芯3另一侧臂，整体构成升压变压器；电压测试线圈6环绕置于环状土样容器4A上侧，并与电压表7连接用于测试电压测试线圈6的电压；小电流传感器8环绕环状土样容器4A上，并与电流表9连接，用于测试通过测试土样5A的电流；基座14上设置有固定架，环状土样容器4A和环状土样容器4B侧壁外侧打孔形成搭接槽，固定架与环状土样容器4A和环状土样容器4B的搭接槽固连，构成测试装置框架结构；所述利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置包括激光发射器10、光纤布拉格光栅传感器11、调制解调器12、计算机13和温度补偿光纤18；其中，激光发射器10分别与光纤布拉格光栅传感器11、温度补偿光纤18直连，为测试装置提供光信号；光纤布拉格光栅传感器11由三根平行的光纤并联组成，分别预先埋入测试土样的土环中内接三角形的三个顶点处；温度补偿光纤18置放于土环外；光纤布拉格光栅传感器11和温度补偿光纤18分别依次与调制解调器12和计算机13连接，用以转换光信号为电信号并换算得到土体竖向变形收缩的应变值；一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置，包括标准落锥15、位移计16和落锥计支座17；所述标准落锥15与位移计16相连，标准落锥下端尖头在测量前紧贴测试土样上表面，在测量时由静止释放标准落锥15，使标准落锥15插入测试土样内部，即完成测量，组成落锥位移测量部分，该部分固连于所述落锥计支座17上，组成抗剪强度测试装置。所述海洋土触变特性的评价方法的实施：首先，针对某一类型海洋土，以平行试验方法分别建立土体触变收缩变形量、电阻率及抗剪强度与时间的关系函数Δε(t)、ρ(t)、Su(t)，并利用初始强度Su(t0)计算土体触变强度比率N(t)。进一步，将Δε(t)、ρ(t)作为自变量，并建立与土体触变强度比率N(t)的函数关系。一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试方法，步骤如下：(1)利用变频交流电源2及初级线圈1将交流电降压增频，避免极化现象、提高试验操作安全性；试验过程中测试土样中的电压U(t)和电流I(t)随时间的变化关系分别通过电压表及小电流传感器测试；(2)基于电阻率原理及相应积分规则，建立测试土样的电阻率ρ(t)与电压U(t)和电流I(t)的关系，如下所示：其中h为土环试样高度，R2为土环试样外径，R1为土环试样内径；(3)采用复合涂层包裹的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统，其特征在于，该海洋土触变特性测试系统包括基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置、利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置以及一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置；/n利用无电极非接触土体电阻率测试装置获得土体电阻率ρ(t)，利用测量土体小变形收缩量的测试装置获得土体触变收缩变形量Δε(t)，利用土体不排水抗剪强度的测试装置获得土体抗剪强度S

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感及非接触电阻率技术的海洋土触变特性测试系统，其特征在于，该海洋土触变特性测试系统包括基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置、利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置以及一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置；
利用无电极非接触土体电阻率测试装置获得土体电阻率ρ(t)，利用测量土体小变形收缩量的测试装置获得土体触变收缩变形量Δε(t)，利用土体不排水抗剪强度的测试装置获得土体抗剪强度Su(t)，利用数学拟合及归一化方法，建立无量纲的土体触变强度比率N(t)同归一化的土样的电阻率土样的变形量Δεt(t)函数关系，从而快速判定某种海洋土的触变强度恢复特性；
所述基于变压器原理的无电极非接触土体电阻率测试装置主要由初级线圈(1)、变频交流电源(2)、磁导铁芯(3)、环状土样容器(4A)、环状土样容器(4B)、测试土样(5A)、测试土样(5B)、电压测试线圈(6)、电压表(7)、小电流传感器(8)、电流表(9)和基座(14)组成；其中，初级线圈(1)与变频交流电源(2)串联，提供电力；磁导铁芯(3)为方形框架结构，初级线圈(1)紧密缠绕于磁导铁芯(3)一侧臂，环状土样容器(4A)和环状土样容器(4B)为一环线圈，穿过磁导铁芯(3)另一侧臂，整体构成升压变压器；电压测试线圈(6)环绕置于环状土样容器(4A)上侧，并与电压表(7)连接用于测试电压测试线圈(6)的电压；小电流传感器(8)环绕环状土样容器(4A)上，并与电流表(9)连接，用于测试通过测试土样(5A)的电流；基座(14)上设置有固定架，环状土样容器(4A)和环状土样容器(4B)侧壁外侧打孔形成搭接槽，固定架与环状土样容器(4A)和环状土样容器(4B)的搭接槽固连，构成测试装置框架结构；
所述利用光纤布拉格光栅实现测量土体小变形收缩量的测试装置包括激光发射器(10)、光纤布拉格光栅传感器(11)、调制解调器(12)、计算机(13)和温度补偿光纤(18)；其中，激光发射器(10)分别与光纤布拉格光栅传感器(11)、温度补偿光纤(18)直连，为测试装置提供光信号；光纤布拉格光栅传感器(11)由三根平行的光纤并联组成，分别预先埋入测试土样的土环中内接三角形的三个顶点处；温度补偿光纤(18)置放于土环外；光纤布拉格光栅传感器(11)和温度补偿光纤(18)分别依次与调制解调器(12)和计算机(13)连接，用以转换光信号为电信号并换算得到土体竖向变形收缩的应变值；
一种利用落锥法测试土体不排水抗剪强度的测试装置，包括标准落锥(15)、位移计(16)和落锥计支座(17)；所述标准落锥(15)与位移计(16)相连，标准落锥下端尖头在测量前紧贴测试土样上表面，在测量时由静止释放标准落锥(15...

【专利技术属性】
技术研发人员：裴华富，孙安元，杨庆，杨钢，田世豪，张敏捷，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21