一种基于FBG的双桥静力触探探头及静力触探试验方法技术

本发明专利技术公开一种基于FBG的双桥静力触探探头及静力触探试验方法，采用双桥结构，基于FBG的双桥静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。本次发明专利技术引入的压力感测梁结构，在后续数据处理中能将温度项自动抵消，实现温度自补偿，具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将FBG静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FBG的双桥静力触探探头及静力触探试验方法
本专利技术涉及岩土工程勘察
中的原位测试技术，具体涉及一种基于FBG的双桥静力触探探头及静力触探试验方法。
技术介绍
静力触探是一种重要的原位测试方法，但传统静力触探探头多采用电测式探头，其原理是利用传感器将探头所受阻力转换为电信号，然后借助电缆传送到记录仪并记录下来，进而实现土类定名、土层界面划分、评定地基土物理与力学性质、提供浅基承载力和预估单桩承载力等岩土工程勘察的目的。普遍存在防水性能不足，易受电磁干扰，零漂、温漂等问题，此外实际操作过程中多采用电缆线将探头采集的信息传输到地面，由于电信号长距离传递损耗较大将限制勘测深度，这些问题限制了静力触探在诸多方面的应用。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于FBG的双桥静力触探探头。技术方案：本专利技术所述的基于FBG(光纤布拉格光栅)的双桥静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆和传力柱，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。作为本专利技术的进一步改进，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。作为本专利技术的进一步改进，在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。作为本专利技术的进一步改进，在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈。作为本专利技术的进一步改进，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。本专利技术还包括一种基于FBG的双桥静力触探探头的静力触探试验方法，包括以下步骤：S1、将双桥静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力qc、摩擦阻力fs；S2、分析下部压力感应梁：p1＝k01ε01，(1)；上式中，p1为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k01为比例系数，ε01为下部门字梁受压下轴向应变；对于光纤光栅、波长变化率与应变温度变化存在如下关系：上式中，Δλ为光纤波长变化，λ为初始波长，k1为应变比例系数，ε为光纤应变，k2为温度系数，ΔT为温度变化；S3、在下部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F1，F2，F3，F4，光纤光栅的应变分别为ε1，ε2，ε3，ε4，光纤光栅的波长分别记为λ1，λ2，λ3，λ4，不同压力下的波长变化分别为Δλ1，Δλ2，Δλ3，Δλ4，则：上式中，k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，计算中温度项被约掉，将式(3)带入式(1)，化简得：p1＝ζ1ω1，(4)；上式中，S4、对于上部压力感应梁，受锥尖阻力和摩擦阻力共同作用；标定过程中摩擦阻力为0；锥尖阻力通过传力柱传入上部光纤光栅；p2＝k02ε02，(7)；上式中，p2为锥尖阻力和摩擦阻力共同作用的合阻力，k02为比例系数，ε02为上部门字梁受压下轴向应变；在上部压力感应梁从左到右对称粘贴四支光纤光栅F5，F6，F7，F8，光纤光栅的应变为ε5，ε6，ε7，ε8，波长分别记为λ5，λ6，λ7，λ8，不同压力下的波长变化分别为Δλ5，Δλ6，Δλ7，Δλ8，则：计算中温度项被约掉，其中k为光纤光栅的应变系数，当选取的光栅波长相近时，应变系数近似相等，将式(8)带入式(7)，化简得：p2＝ζ2ω2，(9)；上式中，S5、标定过程可同时测出比例系数ζ1、ζ2，在室内试验与原位测试中，锥尖阻力qc：上式中，A1为锥头截面积；摩擦阻力fs：上式中，A2为摩擦筒侧面积；摩阻比Rf：有益效果：基于FBG的双桥静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将FBG静力触探广泛应用于实际工程奠定基础。附图说明图1为本专利技术的双桥静力触探探头的结构图。图2为本专利技术的基于FBG的双桥静力触探探头研究技术路线图。图3为本专利技术的室内探头标定示意图。图4为本专利技术的室内试验示意图。具体实施方式下面通过附图对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例1：一种基于FBG的双桥静力触探探头，包括锥头1、摩擦筒2、压力感应梁、导接杆3和传力柱，所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁4和下部压力感应梁5，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱6和第二传力柱7，所述导接杆3、上部压力感应梁4、第一传力柱6、下部压力感应梁5和第二传力柱7从上至下依次设在摩擦筒2内，所述上部压力感应梁4的上下两端分别与导接杆3、第一传力柱6螺纹连接，所述下部压力感应梁5的上下两端分别与第一传力柱6、第二传力柱7螺纹连接，在上部压力感应梁4、下部压力感应梁5上设有光纤光栅8，在导接杆3、上部压力感应梁4、下部压力感应梁5、第一传力柱6上设有相互导通的通孔，所述光纤光栅8连接有通信光纤9，所述光纤从导接杆3的通孔处伸出，所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆3轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅8，所述光纤光栅8为光纤布拉格光栅，在导接杆3与摩擦筒2的内壁面配合处设有止水橡胶圈10，在传力柱与摩擦筒2的内壁面配合处设有止水橡胶圈10，在锥头1与摩擦筒2的连接处设有止水橡胶圈10。有益效果：基于FBG的双桥静力触探探头，拓宽了静力触探试验的技术手段。具有灵敏度高、稳定性好、绝缘、防水、耐腐蚀，容易实现远距离信号传输和测量控制等优点，并且可在恶劣环境下工作，为后续将FBG静力触探技术广泛应用于实际工程奠定基础。本专利技术还包括一种基于FBG的双桥静力触探探头的静力触探试验方法，具体的实施方案为，首先根据图2所示，是基于FBG的双桥静力触探探头研究技术路线图，前期在查阅大量文献的基础上，查找双桥静力触探最新现状。然后制定新型双桥静力触探探头。光纤布拉格光栅属于最重要的光纤传感元器件之一，利用光纤芯材的光敏特性，它的折射率沿光纤轴向呈固定的周期性调制分布，具有良好的波长选择性。当宽带光进入光纤后，满足特定波长λB的入射光在光栅处被耦合反射，其余波长会全部通过而不受影响。对于外界本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于FBG的双桥静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆和传力柱，其特征在于：所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于FBG的双桥静力触探探头，包括锥头、摩擦筒、压力感应梁、导接杆和传力柱，其特征在于：所述压力感应梁的数量为两个，且分别设为上部压力感应梁和下部压力感应梁，所述传力柱的数量为两个，且分别设为第一传力柱和第二传力柱，所述导接杆、上部压力感应梁、第一传力柱、下部压力感应梁和第二传力柱从上至下依次设在摩擦筒内，所述上部压力感应梁的上下两端分别与导接杆、第一传力柱螺纹连接，所述下部压力感应梁的上下两端分别与第一传力柱、第二传力柱螺纹连接，在上部压力感应梁、下部压力感应梁上设有光纤光栅，在导接杆、上部压力感应梁、下部压力感应梁、第一传力柱上设有相互导通的通孔，所述光纤光栅连接有通信光纤，所述通信光纤从导接杆的通孔处伸出。


2.按权利要求1所述的基于FBG的双桥静力触探探头，其特征在于：所述压力感应梁为门字梁，所述门字梁包括与导接杆轴心平行的两根竖梁，各竖梁两侧面分别粘贴有光纤光栅。


3.按权利要求1所述的基于FBG的双桥静力触探探头，其特征在于：在导接杆与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈，在传力柱与摩擦筒的内壁面配合处设有止水橡胶圈。


4.按权利要求1所述的基于FBG的双桥静力触探探头，其特征在于：在锥头与摩擦筒的连接处设有止水橡胶圈。


5.按权利要求1所述的基于FBG的双桥静力触探探头，其特征在于：所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。


6.一种按权利要求1所述的静力触探试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将双桥静力触探探头压入土中，分析所受土层的阻力包括：锥尖阻力qc、摩擦阻力fs；
S2、分析下部压力感应梁：
p1＝k01ε01，(1)；
上式中，p1为贯入阻力，对于下部压力感应梁，只有锥尖阻力，k01为比例系数，ε01为下部门字梁受压下轴向应变；

【专利技术属性】
技术研发人员：孙义杰，任存，徐洪钟，施斌，张丹，朱鸿鹄，高建勇，竺秉坤，刘涛，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32