基于BOTDR的一种土压力测量管研究

李 超 肖景泽 刘 予 何 静 周圆心

(北京市地质调查研究院，北京 100195)

0 引言

土体压力的测量是土力学领域持续探索研究的课题[1-2]。使用传感器测量出土体的压力数据是解决实际工程问题及进行相关科学研究的重要依据，目前已设计出大量传感器用于测量土体压力。近年来，在实际工程及试验中使用的土体压力传感器主要为振弦式土压力计、电阻式土压力计。

振弦式传感器发明于20世纪30年代，该类型传感器目前广泛使用于土压力测量中[3]。当土体压力发生改变时，传感器上钢线的自振频率将发生改变，从而达到监测土压力大小的目的。电阻式传感器是20世纪30年代由美国Carlson发明[4]，其原理是利用金属丝片电阻与其结构变化的关系，将结构物理量转化为可测电量，从而达到测量土压力大小的目的。上述土体压力计虽然广泛被应用于实际工程中，但有一定的局限性，如不具备长期稳定性、耐久性，无法适应结构健康监测的长期发展需要[5]。此外，目前大多数传感器被设计成圆饼状，因此传感器只能测量到与敏感面垂直方向的压力，这给土体压力的测量带来了很大的局限性。

近年来，光纤传感技术快速发展。尤其是布里渊光时域反射技术(BOTDR：Brillouin Optical Time Domain Reflectometry)因有精度高、分布式测量、测距长、稳定性强等特点[6-7]而受到越来越多的学者关注。以北京五环地下空间资源安全监测(一期)项目为背景，基于BOTDR技术设计一种土体压力管，介绍其构造原理并进行标定试验，通过直埋法监测土体压力，并将测量值与振弦式土压力计数据以及理论计算值进行了对比，压力管测量土压力方法有效，可适用于土压力测量。

1 测量原理

1.1 BOTDR原理介绍

当光纤注入一束激光，光纤中每点均会发生布里渊光散射效应，布里渊散射光的中心频率漂移量与光纤各点的轴向应变相关。利用相应的解调和分析技术可以实现光纤中每一点应变的分布式检测。脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，与光纤中的声子产生布里渊散射，其中的背向布里渊散光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，得到光纤沿线各个采样点的散射光谱。基于布里渊散射光的应变测量原理如图1所示。当光纤沿线存在轴向应变时，背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变变化呈良好的线性关系[8-10]，以式(1)表示。

图1 布里渊应变测量原理图[12]

(1)

式中：νB(ε)为当应变为ε时的布里渊频率的漂移量；νB(0)为当应变为0时的布里渊频率的漂移量；dνB(ε)/dε为比例系数；ε为光纤的应变量[11]。

1.2 土体压力测量方法介绍

土体压力管的管体为PPR管材料，采用0.9 mm应变感测光缆紧密缠绕，并施加一定的预拉压力，引线采用3 mm铠装光缆紧密缠绕(见图2)。所用材料的技术参数见表1。土体压力管主要用于钻孔孔内压力的测量，当孔内土体压力发生变化时，PPR管发生应变，通过对PPR管应变的测量计算，得出压力管埋设位置钻孔内压力的变化。

图2 基于BOTDR的土体压力管

表1 分布式孔内压力传感器样品及参数

BOTDR土体压力管测量土体压力是通过将分布式光纤缠绕于PPR管上实现的。根据式(1)进行计算，获取PPR管应变量，土体压力测量原理根据公式(2)薄壁圆筒应力理论。采用分布式应变感测技术，测试最大应变1000 με，PPR管分布式压力测试量程为1 MPa。分布式光纤解调仪分辨精度达到10～20 με，因此，对于最小压力的分辨能力在0.01～0.02 MPa，可根据要求减小量程，增加其测试分辨率。

P=EεH/R

(2)

式中：P为压力值，MPa;ε为光纤测试应变值，R为PPR管半径，mm;E为PPR材料弹性模量，MPa;H为PPR管壁厚,mm。

2 BOTDR土体压力管标定试验

由于布里渊散射光频率的变化同时受应力与温度的影响，土压力管光纤上测得的频率变化既受到土体压力的影响，又受到地温的影响，如式(3)所示。为了得到土体压力值，需将二者进行区分。因此，进行标定试验需先进行温度标定，排除温度对频率变化值的影响，再进行压力标定。

P=K[(S-S0)-CT(T-T0)]

(3)

式中：P为压力值,kPa；K压力管的压力系数,kPa/με；S为土压力管上布里渊散射光的测试微应变，με；S0土压力管上布里渊散射光的初始微应变，με；CT压力管的温度系数,με/℃；T土压力管的测试温度,℃；T0为土压力管的初始温度,℃。

2.1 温度标定试验

光纤应变数据的采集解调采用中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的AV6419光纤应变分布测试仪，其技术参数见表2。

表2 AV6419光纤应变分布测试仪技术参数

试验中空间采样间隔为0.1 m，即在光纤上每间隔0.1 m采集一个应变数据。压力管上共计缠绕光纤长度为8.6 m，故每次加温可采集86个应变数据。由于水浴槽内管发生均匀的温度变化，因此每个温度值下压力管的应变量取光纤应变量的平均值进行计算。

试验时将土压力管置于水浴槽内(见图3)，其中压力保持恒定。温度下限取18 ℃，上限取48 ℃，步长为5 ℃。为了使传感器上温度与水浴槽温度相同，在温度稳定20 min后记录测量的温度以及光纤上的应变值。试验中空间采样间隔仍为0.1 m，取值仍为所有应变数据的平均值。将试验数据进行线性拟合，得到布里渊频移值与温度的变化量的拟合曲线(见图4)，可知布里渊散射光频率变化与温度变化的比值CT为175 με/℃。

图3 温度标定试验装置

图4 布里渊频移值-温度变化曲线图

2.2 压力标定试验

采用油介质压力仓进行测压试验(见图5)。试验前，先将BOTDR土体压力管置于压力仓内，并放置1 h，以保证温度稳定，后进行预加载。试验时，对压力仓设置10个压力值，下限为0 MPa，步长取0.1 MPa，上限为1 MPa。测量从下限开始，逐次加至测量上限值，记录光纤上的应变值，获得压力-应变曲线。试验中假设压力仓内温度保持恒定，且压力管各个部位受到的压力相等，压力管发生均匀形变。

图5 压力标定试验所用压力仓

将试验数据进行线性拟合，得到光纤应变与压力变化量的拟合曲线如图6所示，由图可知压力与光纤应变变化的比值K为-0.5939 kPa/με。

图6 标定压力-应变变化曲线图

将标定试验中获取的K值与CT值带入式(3)中，得到该土压力管的标定公式(4)。

P=-0.5939[(S-S0)-175(T-T0)]

(4)

为了检验BOTDR压力管能否在实际工况中使用，采用直埋的方法将压力管及光纤光栅温度计埋放在北京市通州区某地地下25 m处。通过测得的压力值与理论值进行比较,来探究试验场地内地下25 m处的土体压力情况。

3 场地实际测量

3.1 埋设方法

(1)传感器及连接杆的组装

PVC管连接到传感器上，连接处先涂抹PVC胶水，再用螺丝钻眼固定，引线放置在连接的PVC管内部。每根PVC管长度为3 m。

(2)钻探施工及钻孔清洗

在设计位置进行钻探施工，孔径150 mm、孔深30 m。成孔后需要对钻孔进行一次清孔洗孔处理，避免塌孔堵孔的情况出现，对土压力管的安装造成阻碍。

(3)光缆的埋设下放

现场将土压力管与长3 m PVC管连接好，底部内衬厚壁不锈钢钢管(或镀锌管)，两边对称钻5 mm眼，用于固定5 mm钢丝绳，在底部托住分布式管及PVC连接管。土压力管与第一节长3 m PVC管下放至钻孔后，用10 mm钢筋在孔口位置支撑，同时拉紧钢丝绳。第一节分布式管引线从PVC管内引出，引线用气管保护，防止填砂过程中损伤引线。事先计算好回路引线的长度，放置在地面上，回路引线绑扎在PVC管外部。

重复以上步骤，再连接剩下的PVC管，最后将土压力管下放到地下25 m处。土压力管上部连接的PVC管长度为24.5 m。

(4)下放后土压力管的测试

将土压力管下放至地下25 m后，余留足够长度的光纤引线，将钻孔外光纤引线临时缠绕固定在直径大于6 cm的圆桩上，接通仪器对传感器进行测试。

(5)钻孔封孔

在光缆再次固定完成之后，采用封孔材料进行回填封孔。封孔材料以砂为主，配合使用少量的小颗粒黏土球。采用少量多次的方法回填封孔，避免孔口堵死，钻孔内回填不密实。封孔回填一般应分两天进行，第一天回填完毕后，等待封孔材料沉淀。第二天再次查看钻孔，进行二次回填，尽量保证钻孔回填密实。

(6)光缆固定

在钻孔回填完毕后，在孔口位置打入固定桩或者建立支撑横杆，用于固定孔口位置的光缆。测试光缆应拉紧，避免在封孔材料固结过程中光缆发生回缩，影响光纤后续测试。

3.2 地层岩性

光缆埋设处深度0～30 m岩性以素填土、粉质黏土、粉细砂为主。钻孔岩性柱、岩性描述及物理力学参数见表3。

表3 岩性描述及物理力学参数表

4 测量结果

分别在下放压力管前、下放压力管后、钻孔封孔后3天、封孔后6天对BOTDR土体压力管以及埋设在相同位置的光纤光栅温度计进行测量数据的采集，再根据标定公式(4)计算出土体应力值。计算时布里渊散射光的初始微应变S0取压力管埋设前的应变值1645.329 με；初始温度T0取压力管埋设前的温度值10.539 ℃。采集数据及计算后的土体压力值见表4。

表4 土压力管应变值及温度测量数据表

为了验证土压力管数据的可靠性，本次试验在26.45 m深度埋设传统振弦式土压力计监测土体侧应力，土压力数据在127.24～133.72 kPa。

深度25 m处土体的自重应力可由式(5)计算得出。

(5)

式中：σc为天然地面下任意深度z处的有效自重应力，kPa；n为深度z范围内土层的总数；hi为第i层土的厚度，m；γi为第i层土的天然重度，地下水水位以下的土层取浮重度γ′i，kN/m3[13]。本文中自重应力计算深度为25 m，地下水位埋深15 m，地层层数为3层，其他参数见表3。经计算，土压力管埋设位置土体有效自重应力为375.35 kPa。

深度25 m处静止土压力可由式(6)计算得出

σ0=K0σc

(6)

式中:σ0为天然地面下任意深度z处的静止土压力，kPa[11]；K0为静止土压力系数。

计算得出压力管埋设处静止土压力为93.837 kPa。砂层土压力按水土分算，25 m深度处水压力为100 kPa，总压力为193.837 kPa。

由以上两种土压力监测数据可以看出，土压力管和传统振弦式土压力计数据基本一致。

经过比较可知，土压力管及传统振弦式土压力测量得到的土压力值均小于计算值。

由于成孔后，孔径开始收缩，钻孔周围土体产生应力重分布，径向应力减小，环向应力增大。此时孔壁稳定，在钻孔内埋放压力计然后回填，孔壁没有作用力在土压力计上。随着钻孔内回填材料进一步沉降密实，与钻孔周围土体紧密挤压，土压力进一步增大，但原始应力场已经破坏，测得的土压力小于理论计算值。

5 结论

考虑到土压力传感器在实际工程中的应用，以布里渊光时域散射技术为原理，设计了一种BOTDR土体压力管，用于在钻孔中测量目标深度的土压力。在室内进行了压力标定试验以及温度标定试验；在试验场地内进行了直埋式土压力测量，并将测量值与振弦式土压力测量值及理论计算值进行了比对。各类测试结果显示，该压力管适用于土压力测试。同时介绍了BOTDR土体压力管的埋设工艺，以确保传感器能够准确有效地进行土压力的测量。

此外，从土压力管的设计结构、测试原理以及试验结果可知，该传感器具有制造成本低、耐久性强、抗腐蚀性强等优点，但是从标定试验可以看出，该压力管监测土压力受温度影响很大，在深部地温比较稳定的环境监测土压力更精确。