基于FBG技术的土体含水率测量方法试验

陈 卓, 张 丹，孙梦雅( 南京大学地球科学与工程学院，江苏 南京 210023)

土体含水率对土体强度、变形和渗透等特性有着重要的影响，而且土体含水率具有很强的时空变异性，是土体工程性质研究中的主要指标之一。目前，测量土体含水率常见的方法有烘干法、电阻法[1～2]、时域反射法[3～4]、探地雷达法[5]、频域反射法[6]、红外感测法[7]、遥感影像法和光谱分析法等[8]。上述方法通常适用于室内试验如烘干法，或点式测量如电阻法、时域反射法、探地雷达法、频域反射法，又或只是对一个地区土体表面含水状况作大概的估计，难以对深部土体的含水率进行精确测量[9]如红外感测法、遥感影像法和光谱分析法。因此，研发一种(准)分布式、易安装到深部土体中、性价比高的土体含水率测量方法显得至关重要，对于农业生产和工程建设都具有重要意义。

高分子材料是指以高分子化合物为基础的聚合物材料，通常其分子量大于10000。高分子材料由于其特殊的优良性能成为了国内外研究的热点。亲水橡胶是一种具有吸水膨胀、失水收缩和双重止水特性的新型功能高分子材料，广泛用作土木建筑的止水材料、密封材料和填料等[10]。亲水橡胶的高弹性和较好的机械强度，使得亲水橡胶在吸水后可膨胀几倍至几百倍。

光纤作为一种传感材料，当其受到拉伸、弯折等作用后，其中传导的光信号将产生相应的变化。建立被测参量与光纤中光信号之间的关系，通过解调光信号的变化可以实现对被测参量的测量[11]。FBG(Fiber Bragg Grating)光纤传感技术具有抗电磁干扰、体积小、重量轻、全身绝缘、集成度高，经济性好等优势。本文基于FBG光纤传感技术[12]，将亲水橡胶与光纤光栅封装在一起，利用亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩的特性，使FBG传感器的中心波长随亲水橡胶含水率的变化而发生变化。在实际应用中，通过将亲水橡胶和光纤光栅的胶封结构放置于土体中，当亲水橡胶与土体的水分交换达到动态平衡后，通过测量光纤光栅的中心波长，并依据中心波长与土体含水率的率定关系可以得到土体的含水率。该测量方法可以实现对土体含水率的原位测试，减少了取样、运输造成的测量误差。此外，利用FBG复用技术[13～14]，可以在一条传感光纤上封装多个含水率测点，通过在地表开挖沟槽或者钻孔将传感光纤埋设在土体中，实现对一定区域和深度范围土体含水率的准分布式、实时监测，为各类土体的工程性质研究和应用提供含水率分布特征及其变化的有效信息。

1 试验原理与方案

以亲水橡胶作为换能材料，将亲水橡胶与光纤光栅耦合，利用亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩的特性，结合FBG准分布式光纤传感技术，测量亲水橡胶含水率与光纤中心波长的相关关系。利用该方法对黏土试样的含水率进行室内试验，验证了FBG传感技术与亲水橡胶相结合测量土体含水率的可行性。试验包括3个部分：(1)标定了在反复吸水、失水过程中，亲水橡胶的体积与其含水率的相关关系；(2)测量了亲水橡胶的含水率与光纤光栅中心波长的相关关系；(3)测量了黏土的含水率与光纤光栅中心波长的相关关系。

试验建立亲水橡胶含水率和体积之间的相关关系，且在反复试验中亲水橡胶吸水、失水的能力基本保持不变，验证利用亲水橡胶实现含水率测量的可行性。通过胶黏封装方法，将亲水橡胶与光纤耦合建立FBG-亲水橡胶封装结构模型。通过亲水橡胶调制光纤中的光信号，实现对含水率的实时测量。通过将FBG-亲水橡胶封装结构模型植入到土体中，当亲水橡胶与土样中的水分交换达到动态平衡后，分别测量光纤光栅的中心波长与土样含水率，并建立两者之间的相关关系，基于该相关关系，可以在基本不扰动土体的条件下，实现土体含水率的分布式、长期、原位、实时测量，避免了单点采样带来的偶然性，为各类土体的研究和治理提供相关参数。

2 亲水橡胶的吸水、失水体变特征

亲水橡胶主要是由弹性体和亲水性物质组成的多组分体系。水分子通过扩散、毛细力和表面吸附等物理作用进入橡胶内，与橡胶中的亲水性基团形成极强的亲和力。橡胶中的亲水性物质被进入的水溶解或溶胀，在橡胶内外形成渗透压差，这种压差对于水向橡胶内部渗透具有促进作用。亲水性物质不断吸收水分，致使橡胶发生变形。当橡胶自身抵抗变形力和渗透压差达到平衡时，即静水最大膨胀率，吸水膨胀作用保持相对稳定[15]。由于其高弹性和较好的机械强度，橡胶在吸水后可膨胀几倍至几百倍。亲水橡胶无毒、无味、承压能力强、反复膨胀收缩也不会降低其基本性能，同时具有机械强度高、相容性好、吸水性高等特点，其用途相当广泛，主要用于土木建筑的止水材料、密封材料、填料、地上建筑和地下管道的防水工程等方面。试验目的是得到亲水橡胶在吸水膨胀过程中含水率与体积的关系，同时验证亲水橡胶在反复吸水、失水过程中的稳定性。

2.1 试验设计

由于亲水橡胶具有弹性好和可切割的特性，可以把亲水橡胶加工成各种形状，便于和传感光纤形成不同的封装结构。本次试验亲水橡胶的形状有3种：(1)条状：长约2～3 cm，宽0.5 cm，厚0.25 cm。(2)环状：长约10 cm，宽2～3 cm，厚0.5 cm。这种形状的亲水橡胶可以固定在刚环上，并将光纤缠绕在亲水橡胶表面。(3)块状：长约5 cm，宽约4 cm，厚2～3 cm。

在测量亲水橡胶含水率与体变的关系试验中，将干燥后的上述3种形状的亲水橡胶分别浸泡在水中，使其吸水膨胀，每隔1h测量亲水橡胶吸水后的质量，得到其对应时刻的含水率。同时，将亲水橡胶放进装有水的量筒中，根据量筒中水的体积变化得到橡胶的体积。

将3种形状的亲水橡胶分别放置在水中吸水直至饱和，再烘干失水，多次重复上述过程，得到亲水橡胶在重复吸水、失水过程中含水率与时间的关系。

2.2 试验结果分析

亲水橡胶在吸水膨胀过程中其含水率与体变的关系见图1，在重复吸水、失水过程中含水率随时间的变化见图2。

图1 亲水橡胶体变与含水率率定曲线Fig.1 Linear correlation between the hydrophilic rubber’s volume and its moisture content

从图1中可以看出，三种形状的亲水橡胶吸水后的体变与其含水率均呈正相关，且线性关系良好，相关系数达到0.96以上，即FBG—亲水橡胶封装结构在吸水过程中随着含水率的增加，亲水橡胶体变导致的光纤拉伸形变也同步增加。不同形状的橡胶，由于体积的差异，造成了相同含水率条件下，其体变各不相同。由图2可知，亲水橡胶在重复吸水、失水过程中，其含水率的变化范围为0～200%，且重复性较好，表明亲水橡胶在反复试验中其吸水、失水的能力基本保持不变，具有良好的稳定性。表明利用该亲水橡胶作为换能材料是可行的。

3 FBG传感技术测量中心波长与亲水橡胶含水率试验的关系

通过将亲水橡胶与光纤光栅通过一定方式封装形成含水率测试传感器，利用亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩导致光纤产生形变，依据光纤光栅中心波长的变化得到含水率指标。光纤参数，见表1。本试验的目的是得到亲水橡胶在吸水膨胀、失水收缩时中心波长与含水率的关系。

表1 光纤参数Table1 Parameters of optical fiber

3.1 试验设计

以条带状亲水橡胶作为换能材料，采用胶黏封装方法，将光纤光栅夹在两个形状相同的条带状亲水橡胶之间，形成FBG含水率传感器。将该传感器浸入水中，并放置在40 ℃的恒温箱内以消除温度的影响。每隔1 h测量亲水橡胶吸水膨胀后封装部分的质量，直至亲水橡胶质量不再增加为止。然后，将光纤光栅和亲水橡胶封装的部分从水中取出，同样按1 h间隔测量亲水橡胶烘干失水过程中封装部分质量的变化。根据亲水橡胶质量的变化，可以得到亲水橡胶的含水率。在吸水、失水过程中，同时记录相应时刻光纤光栅的中心波长。

3.2 试验结果分析

将亲水橡胶含水率与光纤光栅中心波长作散点图，见图3。

图3 FBG中心波长和亲水橡胶含水率的关系Fig.3 Linear correlation between the FBG central wavelength and the moisture content of hydrophilic rubber

亲水橡胶含水率的变化范围在0～200%。FBG中心波长和亲水橡胶的含水率呈正相关，即在吸水膨胀阶段，随着含水率增加，中心波长随之变大；失水收缩阶段，含水率降低，中心波长随之减小。而且，在吸水膨胀过程，FBG中心波长和亲水橡胶的含水率以50%含水率为界，呈分段线性关系，即含水率分别为0～50%和50%～120%，线性关系良好。可见，本文提出的FBG—亲水橡胶封装结构具有优良的传感性能，可以用于含水率的测量。

4 土体含水率的测量

4.1 试验设计

将含水率为70%的条带状亲水橡胶与光纤光栅胶黏封装在一起，置于表面皿中含水率同样为70%的黏土试样中，密封放置一段时间直至亲水橡胶与黏土的水分交换达到平衡，FBG中心波长不再变化。然后，将表面皿放在40 ℃的恒温箱中的天平上，使其烘干失水。试验装置见图4。每隔0.5 h利用FBG解调仪测量在失水过程中光纤光栅传感器的中心波长，同时根据天平的读数得到黏土试样水分的蒸发量，进而计算黏土试样的含水率。

图4 光纤光栅测量土体含水率试验Fig.4 Measurement of soil moisture content by fiber grating

4.2 试验结果分析

根据试验设计，在烘干失水过程中定时测量光纤光栅的中心波长和黏土试样的含水率，得到两者的关系曲线，见图5。

图5 黏土含水率与中心波长相关关系Fig.5 Linear correlation between the central wavelength and the moisture content of clay

含水率在10%～70%范围内，黏土含水率与FBG中心波长呈分段线性关系，即含水率分别在0～50%和50%～70%范围内线性关系良好。表明采用FBG—亲水橡胶封装结构的传感器测量黏土含水率是可行的。在实际运用中，只需在实验室标定好FBG中心波长与土样含水率的关系曲线，即通过测量光纤的变形量就可以知道土体的含水率，可将其用于各类土体含水率的原位监测。利用FBG技术准分布式测量的特点，可以在一定空间范围和一定深度土体内大量布设的测点，实现土体含水率的分布式监测，得到土体含水率在时空上分布特征和变化规律，为土体工程性质的研究提供依据。

5 结论与建议

(1)亲水橡胶的体积与其含水率均呈正相关，且线性关系良好，相关系数达到0.96以上，在反复试验中其吸水、失水的能力基本保持不变，具有良好的稳定性。

(2)在FBG—亲水橡胶封装结构中，亲水橡胶的含水率与光纤光栅中心波长呈正相关，且以50%含水率为界，呈分段线性关系，线性关系良好。

(3)黏土含水率与FBG中心波长呈分段线性关系，且以50%含水率为界，线性关系良好。实验结果表明提出的FBG—亲水橡胶封装结构监测土体含水率的方法可行。