基于光纤光栅技术的半刚性基层力学响应测试分析*

张　静，魏连雨，马士宾，李　娜，张奕杰（河北工业大学土木工程学院，天津300401）



基于光纤光栅技术的半刚性基层力学响应测试分析*

张静，魏连雨*，马士宾，李娜，张奕杰
（河北工业大学土木工程学院，天津300401）

摘要：依托104国道改建项目，开展了光纤光栅传感器在半刚性基层动静态力学响应测试中的应用研究。通过测试静载和动载作用下半刚性基层底拉应变，分析静载作用下轴重对半刚性基层底拉应变的影响，以及动载作用下车速对半刚性基层底拉应变的影响。研究表明，静载作用下半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，且随荷载值增加拉应变增长率不断减小，当荷载较小时，基层承受大部分荷载，层底拉应变实测值大于理论值，随荷载的增加，实测值逐渐趋近理论值，即受力情况逐渐趋于结构整体受力；动载作用下，半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，与车辆车速呈反比。测试结果表明光纤光栅传感器与半刚性基层协同变形良好，能较好地用于半刚性基层应变场的测试，应用前景广阔。

关键词：道路工程；应变测试；光纤光栅传感技术；半刚性基层；动静态力学响应

项目来源：河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2014099）；河北省教育厅青年基金项目（QN2015036）；河北工业大学优秀青年科技创新基金（2013002）

目前及未来的一段时间内，半刚性基层沥青路面仍然是我国高等级公路的主要路面结构形式。然而，半刚性基层具有刚度大、易产生较大径向拉应变（或拉应力）的特点，当其底面拉应变超过材料的容许疲劳拉应变时，会产生疲劳开裂。因此，半刚性基层底拉应变是评价半刚性基层疲劳破坏能力的重要指标［1］。半刚性基层铺设过程中水稳拌合料潮湿且硬度不均，使得埋入的检测设备成活率极低，为找到协同变形良好且耐腐蚀抗干扰能力强的测试方法，准确了解车辆荷载对半刚性基层底拉应变的影响，本文尝试使用光纤光栅传感器进行半刚性基层底应变的测试。

光纤光栅（FBG）传感技术最早应用于桥梁检测中，Nellen等人在瑞典Winterhurstorck桥的两根碳纤维索上布置了布拉格光栅和标准电阻应变计，实测数据表明二者吻合良好［2］；Fuhr在美国waterbury桥的面板上埋入了8个布拉格光栅传感器，结果显示只要光栅能够在埋入过程成活，就能实现预定的目的［3］。光纤传感器在道路工程中的应用尚处于尝试阶段，我国学者将光纤光栅传感技术应用到沥青路面的检测中。陈少幸等［4］采用薄钢板对传感器进行改进，使其能更真实反应路面应变，并得出光纤传感器具有比传统电信号传感器的抗电磁干扰和耐久性能更好；谭忆秋等［5-6］分别采用静态和动态两种加载方式进行沥青混合料应变测试，得到光纤传感器与沥青混合料之间协同变形良好；王海朋等［7］提出了FBG传感器在沥青路面中的埋设工艺，并使用FBG传感器进行了沥青路面状态的实时监测。本文尝试将光纤光栅传感器应用于半刚性基层的动静态力学响应测试。

1　光纤光栅（FBG）传感技术基本原理

光纤光栅传感技术［8］的基本原理是由准分子激光源发出光波进入光纤耦合器，耦合器引导光波到达光纤传感器，其中一部分光波从光栅中透射过去，一部分光波返回耦合器，同时光波的相干场图形将写入纤芯，当光栅受到拉伸、挤压及温度变化造成的变形时，纤芯光波的折射率发生周期性变化，光波随之产生周期性波动，从而可检测光栅反射信号的变化，然后通过光纤光栅解调仪得到应变，如图1所示。FBG的反射波的中心波长λB主要取决于光栅周期Λ和光纤纤芯有效折射率neff，满足表达式如下：

图1　光纤光栅传感技术原理示意图

使用光纤光栅传感器检测应变时，温度T和应变ε变化引起的λB的改变如下式［9］所示：

式中：p［i，j］为光弹系数，ε为应变，neff为有效折射率，α为热膨胀系数，ξ为热光系数，ΔT为温度改变。由式（2）可以看出，应变和温度这两项条件是相互独立、线性叠加的，由于在一个温度场内两者发生相同的温度效应，可以通过在光纤光栅应变传感器中设置光纤光栅温度传感器直接消除温度对应变传感器的影响，进而得到由荷载单独引起的波长变化［9-10］。

采用温度光栅做温度修正时，被测物体发生的应变总和ε=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)，而仅荷载引起的应变ε=K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-αΔT。其中：K为应变系数（με/nm）；B为温度修正系数，B=1 000-2.3K；λ1为应变栅当前波长（nm）；λ0为应变栅初始波长（nm）；λt1为温补光栅当前波长（nm）；λt0为温补光栅初始波长（nm）；α为热膨胀系数；ΔT=（λt1-λt0）× 100。本研究采用北京基康BGK-4200型带温度补偿的光纤光栅传感器，如图2所示，解调使用SM130型光纤光栅动态解调仪。SM130具有功率高、扫描快（可达2 kHz）、速度高、多通道等优点。相对其他型号而言，SM130最突出的优点是可以进行动态解调，用于动载作用下半刚性基层力学响应研究。

图2　温度补偿型光纤光栅传感器示意图

2　试验路概况及传感器布设

2.1试验路概况

以104国道改造工程为背景，试验路位于104国道连镇出口至宁武线交叉口段。原路面结构为：4 cm沥青罩面+8 cm沥青混凝土+15 cm二灰碎石+ 15 cm石灰土。改造前原路面出现严重龟裂、车辙、沉陷、坑槽等病害，须对原道路进行改造。对旧路面进行18 cm冷再生并调拱，其上依次铺筑18 cm水泥稳定碎石基层及9 cm沥青混凝土面层。改造后的路面结构为：9 cm沥青混凝土+18 cm水泥稳定碎石+ 18 cm水泥冷再生+9 cm二灰碎石+15 cm石灰土。

2.2传感器布设

在单车道范围内，车辆荷载作用下半刚性基层底拉应变最大值出现在车道轮迹带处。因此，将传感器埋设在车道右侧轮迹带基层层底，如图3所示。研究所用北京基康BGK-4200型光纤光栅传感器基本信息如表1所示，传感器埋设方向与行车方向相同（见图4）。电阻式应变片［11］的埋设用于与光纤光栅传感器进行对比。应变片使用中国建筑科学研究院生产的BX120-10AA型电阻式应变片，数据采用秦皇岛市信恒电子科技有限公司的静态电阻应变仪（CM-1L-10）进行采集。由于基层底的特殊环境，需对其进行防水防潮处理，经过实验选择抗冷热且防潮性能优异的奥斯邦181有机硅橡胶在自制模具中进行密封。电阻应变片的埋设方向如图5所示，纵向与光纤光栅传感器相同，由于电阻应变片成活率低且变异性大，同时埋设水平方向及45°斜向应变片以便对竖向应变进行校核。同时，为准确获得车辆荷载传递至基层底的压应力，在轮迹带处埋设压力盒，压力盒使用天津盛克威科技有限公司生产的振弦式土压力盒，量程为0.4 MPa，灵敏度为0.000 1 MPa。

表1　光纤光栅传感器基本信息表

图3　传感器布置图

图4　FBG传感器埋设图

图5　电阻式应变片埋设图

3　半刚性基层底应变测试与分析

3.1接地压力的测试

为研究不同轴载对半刚性基层底拉应变的影响。将加载车辆右后轴作用于压力盒正上方，改变测试车辆载重以改变轴重，测试加载车辆轴重传递至半刚性基层底的压应力。测试中共变换四种轴重，分别编号为P-1、P-2、P-3、P-4，其中P-2为标准轴重BZZ-100，即，单轴载100 kN。压力盒采集的数据为频率，按照出厂的标定系数计算压应力，如式（3）：

式中，P为计算压应力（MPa），K为标定系数，f1为加载后频率，f0为初始频率。具体测试结果见表2。

表2　轴载传递到半刚性基层底的压应力值

3.2静载测试与分析

3.2.1静载测试结果

为了探究静载作用下，不同轴载对半刚性基层底应变的影响规律。分别在半刚性基层底埋设有光纤光栅传感器和电阻应变片正上方施加3.1中所述4种不同静载。实测应变片Ⅲ、Ⅴ损坏无读数，应变片Ⅱ为45°斜向应变片，需将实测值经三角形法则换算，记为Ⅱ*。两种传感器测得的应变值（拉为正）见表3。图6所示为FBG传感器与电阻应变片实测应变值随基层底压应力变化曲线。其中，为减小测量误差，应变片①实测值为应变片Ⅰ与Ⅱ*的平均值，应变片②实测值为应变片Ⅳ与Ⅵ的平均值。

由表2实测数据可以看出，FBG传感器及电阻应变片测得基层底应变值均为正值，即拉应变。其中，两组FBG传感器实测应变值非常接近，最大差值仅为0.986 με，而电阻应变片实测应变值显示，同组测试数据差值达5 nm～10 nm，两组之间差值在4 nm～10 nm范围内。图6显示，FBG传感器与电阻应变片实测值随压应力数值的增大而增大。两条FBG传感器应变曲线变化协同一致，层底应变值变化率随压应力的增加而逐渐增大；而电阻应变片所测应变曲线，两条曲线不仅数值相差较大，而且变化率随压应力的增大呈现不同的变化规律。由此可见，在静载作用下，光纤光栅传感器所测应变值稳定、变异性小，电阻应变片测得应变值不仅差异较大，且呈现出的变化趋势不一致。

表3　FBG传感器及电阻应变片实测应变值

图6　FBG传感器与电阻应变片应变值随层底压应力变化曲线

3.2.2静载理论计算结果与分析

利用KENPAVE计算得到路面结构中基层底的理论应变值，与FBG实测均值进行对比分析。计算结果如表4所示。

表4　不同荷载作用下半刚性基层底的拉应变

不同轴载作用下，半刚性基层底拉应变的实测值及理论计算值经回归分析后得到图7所示变化趋势线。半刚性基层底拉应变实测值与KENPAVE计算得到的理论值均与对数函数拟合良好，表明半刚性基层底拉应变随荷载的增加不断增加，但增长率不断减小。如图所示，当荷载较小时，半刚性基层底拉应变实测值小于理论计算值，随着荷载的不断增加，实测值不断趋近理论计算值，最终两曲线相交。这是由于实际工程中，半刚性基层具有板体性强、刚度较大的特点，在荷载较小的情况下，大部分荷载由基层承受，基层以下结构层只承担极小部分的荷载作用；而KENPAVE基于线弹性模型进行计算，即无论外部荷载数值大小，其计算模型各结构层共同承受荷载作用。因此，当荷载较小时，实测应变值大于理论值；随着荷载的增加，基层以下结构层开始逐渐分担荷载作用，且比重不断增加；当荷载不断增大并趋于极限时，实测值与理论值不断接近，直至两曲线相交，说明当荷载足够大时，基层与下卧层逐渐形成整体，即整个路面结构共同承受荷载的作用，更趋近于线性变形。

图7　不同荷载作用下，半刚性基层底拉应变变化曲线

3.3动载测试与分析

为了分析动载作用下，相同轴载不同车速对半刚性基层底应变的影响规律［12］。采用编号P-2标准轴载进行半刚性基层底应变的动载测试。测试设计20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h 4种不同车速。加载车采用四种规定的不同车速通过测试点，考虑实际环境影响及驾驶员操作引起实际车速与规定车速值的偏差，通过光纤光栅传感器测得加载车前轴与后轴波峰间的时间差，计算得到加载车辆的准确车速。加载车以不同车速通过测试点时，前轴与中轴波峰间时间差分别为0.495 s、0.395 s、0.225 s、0.200 s，轴距为3.5 m，计算得到车速依次为25 km/h、32 km/h、56 km/h、63 km/h。加载车辆以上述四种不同车速行驶通过测试点，半刚性基层底拉应变变化曲线如图8～图11所示。

图8　车速25 km/h时，基层底拉应变变化曲线

图9　车速32 km/h时，基层底拉应变变化曲线

图10　车速56 km/h时，基层底拉应变变化曲线

图11　车速63 km/h时，基层底拉应变变化曲线

表5所示为加载车以不同车速通过光纤光栅传感器时半刚性基层底的拉应变峰值。

表5　不同车速作用下，半刚性基层底的拉应变峰值

由图表数据可以看出，在动载作用下，半刚性基层底拉应变具有明显规律性。首先，图8～图11光纤光栅的应变测试结果显示：未加载时，半刚性基层底应变整体呈现负值或在x轴上下小范围波动；施加荷载作用后，最初的应变值急剧增长至峰值。说明基层底应变由压应变骤变为拉应变，即无车辆荷载作用的基层底应变以压应变为主，而车辆荷载作用下的基层底应变为拉应变，且光纤光栅反应敏感。其次，加载车轴重由大到小依次为中轴、后轴、前轴，图8～图11还清晰的显示出半刚性基层底拉应变峰值与加载轴重呈现同步变化，因此可以得到，半刚性基层底拉应变峰值与其轴重成正比，光纤光栅传感器与半刚性基层结构层协同变形良好。此外，由表3所示数据可以看出，半刚性基层底拉应变峰值随着车速的增加不断减小，且均小于静载作用下的应变值。由此可见，动荷载作用下，半刚性基层底拉应变与车辆车速呈反比［13］；动载作用时间短暂，路面结构变形并不像静载作用那样充分。综上所述，动荷载作用下，半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，与车辆车速呈反比；光纤光栅传感器与半刚性基层结构层协同变形良好，能够准确快速的反映半刚性基层底应变变化。

4　结论

本文对光纤光栅传感器在半刚性基层中的应用进行了初步尝试，通过实际工程对半刚性基层底应变进行了测试及分析。研究得到以下几点结论：

①静载作用下，半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，且随荷载的增加拉应变增长率不断变大。荷载较小时，基层传荷能力较差，承受大部分荷载，基层底拉应变实测值大于理论值；随荷载的增加，实测值逐渐趋近理论值，即受力情况逐渐趋于结构整体受力。

②动载作用下，半刚性基层底拉应变与荷载大小呈正比，与车辆车速呈反比。

③光纤光栅传感器与半刚性基层协同变形良好，能够准确快速的反映半刚性基层底应变变化，测试结果稳定、变异性小，适应性强、成活率高，应用前景广阔。

参考文献：

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张静（1988-），女，河北张家口人，博士研究生，主要研究方向为路面工程、公路养护与管理，13920530692@126.com;

魏连雨（1957-），男，天津市人，教授，博士生导师，主要研究方向为道路与交通工程，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

中图分类号：TP212.9

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）03-0326-06