光纤光栅传感器在路基冲击碾压监测中的应用

钟 阳 余耀威

(大连理工大学道路工程研究所，辽宁 大连 116024)



光纤光栅传感器在路基冲击碾压监测中的应用

钟 阳 余耀威

(大连理工大学道路工程研究所，辽宁 大连 116024)

针对目前路基冲击碾压施工监测手段的不足，提出利用光纤光栅传感器进行路基冲击碾压监测，并对具体的监测数据作了分析，指出利用光纤光栅传感器可准确测算冲击压路机的行驶速度，确定必要的碾压次数。

路基，光纤光栅传感器，冲击碾压，动态监测

1 当前路基冲击碾压施工监测手段的不足

冲击碾压施工方法是广泛应用于土木工程的一种地基和路基压实处理技术。当前对于冲击碾压施工的现场监测手段还很不足。有学者曾利用土压力盒等传统传感器量测冲击碾压过程中土基的动力响应[1]，但由于工作环境恶劣，普通传感器的成活率、耐久性以及数据采集的准确性和可靠程度都不能令人满意。

现有监测手段的不足，造成了现场实测数据的不充分，使得冲击碾压施工技术的理论研究缺乏实践的验证。而另一方面，工程实践也得不到明确精准的理论指导。目前冲击碾压法施工中对填料的松铺厚度和必要碾压次数的决策在很大程度上是经验性的，很容易和实际情况产生偏差。如果填料过厚，或者冲击碾压次数过少，会导致路基得不到充分压实，强度和稳定性达不到要求；如果填料过薄，或者冲击碾压次数过多，则会造成资源的浪费。

综上，目前亟需一种适应性强、性能稳定、灵敏度高、数据可靠的传感器来进行现场的试验监测，为理论研究提供准确的实测数据支持，进而正确指导路基的冲击碾压施工。

2 利用光纤光栅传感器监测冲击碾压施工过程

光纤光栅传感器灵敏度高、耐久性好，本文采用土工塑料格栅封装的光纤光栅传感器，可以适应道路土基恶劣的工作环境，并且与土体的变形协调性较好，可以保证数据的准确性(见图1)[2]。

本文在沈平高速公路改扩建工程中铁岭至四平段开展了关于光纤光栅传感器在路基冲击碾压施工监测中的应用研究。所选试验路段为沈平高速公路中昌图县内桩号K809～K810段。该路段原为双向四车道，根据改扩建工程设计方案，需要在西侧加宽，改为双向八车道。该段西侧地势较低，加宽段有10 m高的填方路基，填料大部分为粉质土，含部分砂石土。填方路基逐层摊铺，每层填料用YCT-25型三边冲击压路机碾压20遍。光纤光栅传感器埋设在路基距底部6 m高的平面，由于施工进度原因，冲击碾压时，路基已经填至9 m高处，即传感器上方有3 m厚的土层。

现场利用光纤光栅解调仪和ENLIGHT软件进行数据采集，采集频率为100 Hz，软件自动将中心波长值的变化和时间记录为文本文档。采集数据以后，按照传感器标定结果将中心波长换算为应变，整理分析，可以绘出冲击碾压施工时土体水平横向和纵向应变随时间变化的曲线。

图2～图5分别为第1次、第2次、第9次和第20次碾压过程中的横向和纵向应变变化情况。

3 数据的分析

3.1 冲击压路机行驶速度的测算

由以上应变曲线图可以看出，冲击压路机的凸轮每一次冲击土体，土体的应变就会出现一次峰值，每次出现峰值的时间点是已知的，而冲击压路机凸轮的轮径是确定的，即在特定时间内压路机的位移可以得到，那么即可算出所关注时间段内冲击压路机的平均行驶速度。例如，在第1次碾压过程中，传感器的一个横向FBG中心波长值变化的部分数据如表1所示。

表1 部分监测数据

3.2 必要冲击碾压次数的确定

以往对必要冲击碾压次数的确定一般是在施工现场抽取土样，进行室内试验的方法确定必要碾压次数。每一次碾压之后，在施工现场直接从土基中钻取出不同深度的若干土体样本，然后测定多个样本的压实度和强度，归纳出土体压实度随松铺厚度、碾压次数的变化曲线，总结得出与工程实际适宜的松铺厚度和必要碾压次数[3]。这种方法思路比较直观，但取出土体样本的过程实际上对土基造成了破坏，取出后的土体样本和实际土基内部会有一定程度的偏差；而且每一次碾压之后，所取出的土体样本实际上都是不同位置的，由此归纳出的压实度与碾压次数的关系只是近似得出的，精确度不高；过程中需要大量的室内试验，不能在施工现场直接完成。

本文提出了一种新的必要碾压次数的确定方法。由压实原理可知，在被压实时，路基土颗粒孔隙中的空气和水被排出，土颗粒被压缩挤密，土体压实度增大。可以认为，土体被压实时会产生塑性变形，因此压实度的变化可间接由其塑性应变的变化表征。

由图2～图5可以发现：在冲击碾压施工时，土体产生的应变大部分是弹性范围内的，在冲击压路机离去，即卸载之后，又立即恢复；只有小部分是塑性应变，在卸载之后，不会自动恢复，而且随碾压次数的增加，土体的塑性应变也逐渐增加。这一部分塑性应变的变化趋势在相当程度上可以代表土体压实度的变化趋势。

土体产生的塑性应变随冲击碾压次数的变化情况如图6所示。

可以看出：随着冲击碾压次数的增加，水平横向受拉，塑性拉应变逐渐增大，第9次以后，几乎不再增长；水平纵向受压，但变化量相对横向较小，水平压应变开始也逐渐增大，但随后有上下浮动。产生这种现象的原因主要有两方面：第一，填土路基横向外侧边坡没有约束，但纵向长度很大，传感器所在位置的土体纵向被附近土体约束。第二，压路机每次碾压的行驶轨迹是确定的，但是碾压轮每次冲击与土体的接触点位置并不确定，如果在FBG正上方，那么FBG受拉，如果不在正上方，而在正上方附近，则FBG有可能受压。所以在受到压路机的竖向荷载时，横向产生拉应变，而纵向则不确定受拉还是受压，应变会存在浮动。因此，FBG传感器的监测结果是符合实际情况的。

由图6中横向塑性应变的变化曲线可知，在冲击碾压第9次以后，横向塑性应变已经和最大值非常接近，之后的继续冲击碾压并没有使横向塑性应变继续增大，说明竖向的沉降也并没有继续增大，那么可以认为，该处土体的压实度同样没有得到有效增长。由此可以判定：对于该工况下传感器所测位置的路基土体而言，必要碾压次数为9次。

由以上分析可以看出，利用光线光栅传感器可以确定路基冲击碾压施工的必要碾压次数，由于FBG传感器灵敏度高，这种方法数据准确、可靠，相对于传统的土工试验法，不会对路基造成破坏，而且实施便捷，不需室内试验，在施工现场即可完成。

4 结语

1)光纤光栅传感器可以准确地对土基在冲击荷载下的应力应变进行实时动态监测，数据准确，灵敏度高；2)利用光纤光栅传感器可以测算冲击压路机的行驶速度；3)提出了一种在冲击碾压施工中确定必要碾压次数的新方法。利用光纤光栅传感器测量得出路基水平横向塑性应变随碾压次数的变化规律，可以确定该工况下的必要碾压次数。

[1] 胡昌斌，袁 燕.冲击碾压改建路面施工对路基动力作用的试验研究[J].岩土力学,2011(3)：139-142.

[2] 吕葆楠.光纤光栅传感器在道路土基监测中的应用[D].大连：大连理工大学，2014.

[3] 陈 超.冲击碾压在黄泛区地基与路基压实中的应用研究[D].济南：山东大学，2010.

The application of fiber grating sensor in sub-grade impact compaction monitoring

Zhong Yang Yu Yaowei

(RoadEngineeringInstitute,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

According to the shortcomings of current sub-grade impact compaction monitoring means, this paper put forward using fiber grating sensor for sub-grade impact compaction monitoring, and analyzed the specific monitoring data, pointed out that using fiber grating sensor could accurately measure the impact compaction sub-grade, determined the necessary compaction numbers.

sub-grade, fiber grating sensor, impact compaction, dynamic monitoring

1009-6825(2016)13-0136-02

2016-02-21

钟 阳(1955- )，男，博士生导师，教授； 余耀威(1989- )，男，在读硕士

U416.1

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