基于汉堡车辙试验的分布式光纤信号响应-荷载规律研究

过震文，杨 群，赖健聪

(1.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200031；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

0 引言

近年来，随着我国经济的迅速发展，公路建设取得了令人瞩目的成就，公路里程逐年上升，随之产生的重载超载现象也越来越常见，很多道路提前出现了损害，严重影响道路交通的服务水平[1]。为保证寿命周期内道路运营的安全及高效，需要对道路结构信息进行全方面了解，其中道路交通轴载数据是一项重要数据。现阶段轴载监测主要采用感应线圈法、动态称重法等方法[2]，存在速度慢、数据准确性不高、无法长时间连续监测的问题，难以满足实际道路运营管理的需求。

随着光纤传感技术的发展，该技术在工程结构监测的应用案例越来越多[3]，在工程结构温度监测、应力应变监测、道路裂缝检测等方面均存在相关研究[4]。目前，根据光纤损耗机制的不同可将光纤传感技术按照工作原理分为散射类、弯曲类和吸收类3类，本研究采用的分布式光纤传感技术是基于光纤弯曲损耗机制。张静等[5]基于光纤光栅传感技术进行半刚性基层沥青路面动力响应现场测试，确定了有限元瞬态分析的动力学原理、荷载条件、边界条件及材料参数，并据此建立了沥青路面三维有限元模型。哈尔滨工业大学谭忆秋等[6]采用静态及动态两种加载模式，对不同模量的传感器开展了协同变形评价试验。结果表明，光纤光栅传感器实测应变与理论计算应变有较好的线性相关性，经变形修正后可以用于路面结构内部的应变测试。东南大学钱振东等人[7]对BOTDA技术用于监测沥青混凝土结构层的残余变形和裂缝进行了探索试验。在室内三点弯曲疲劳试验中采用HOT-DA监测铺装层裂缝疲劳扩展的过程，给出了以光纤应变为变量的裂缝扩展模型并提出了裂缝疲劳扩展规律。总结来看，光纤具有灵敏度高、稳定性好、可连续监测等优点[8]，能够满足道路交通轴载监测的需求，将分布式光纤传感技术应用于道路交通荷载监测有可行性[9]。为了厘清光纤信号的变化规律，本研究在室内试验的条件下探究光纤敏感值与荷载大小、环境温度的关系。

为研究光纤信号与荷载大小、环境温度间的定量关系，首先需要建立分布式光纤传感测试系统，然后通过成型埋置光纤传感器的车辙板试件，以室内汉堡车辙试验仪作为试验平台[10]，获取不同温度和荷载条件下的光纤信号，探究温度、荷载两个因素与光纤信号敏感度的关系，从而为分布式光纤在道路工程中的应用提供技术支撑。

1 试验设计

分布式光纤传感技术利用光纤的空间连续特性，可对沿光纤长度分布的沥青混凝土结构进行连续测量[11]。光纤因为受到外部荷载作用而出现弯曲现象[12]，光纤弯曲根据弯曲形态可分为微弯弯曲和宏弯弯曲[13]。光纤弯曲会导致传输光的光功率减小，主要包括不可恢复光损耗和可恢复光损耗。由于吸收、散射、永久变形等原因引起的光功率值减小而不可恢复的现象称为不可恢复光损耗[14]；结构物弹性变形导致光纤弯曲变形引起的光功率值减小，且弹性变形恢复后光功率值也随着恢复，这种光功率减小即为可恢复光损耗[15]。

分布式光纤传感系统主要由传感光纤、光源、光电探测装置、供电装置和数据采集装置等组成，其结构示意如图1所示。激光光源可发射稳定波长激光，光纤既作为传感元件又作为传输元件，被埋入沥青混凝土结构中，光电探测器在光纤另一端接收激光信号，并将激光信号转化成电信号。在沥青混凝土的成型及加载过程中，光纤随着沥青混凝土的变形而产生变形，光纤出现光损耗现象，并且荷载越大，光损耗的值也越大。采用室内汉堡车辙试验对不同温度和荷载作用进行模拟，选取由深圳某公司生产的裸光纤，采用苏州某公司生产的激光光源作为传感测试系统的光源模块，PD探测器作为光电探测模块。激光光源的输出波长为1 550 nm，输出功率为3 mW，接口采用FC接口；光电探测模块的工作频率为30 MHz，单通道，直流耦合，饱和输入光功率为5 mW，采用SMA形式的信号输出接口；信号采集模块利用数据采集卡和对应的软件。

图1 分布式光纤传感系统Fig.1 Distributed optical fiber sensing system

试验首先需要成型车辙试件，试件成型步骤为：加工车辙试模、成型下层板、放置光纤、成型上层板、脱模、形成5 cm厚且包含光纤传感器的双层板沥青混凝土试件。采用0.9 mm裸光纤作为传感材料[16]，分别在双层车辙板试件内部的①、②和③号位置处埋设光纤，布设深度为2 cm，光纤布设方式均为双线布设，如图2所示。室内汉堡车辙试验设备及车辙试件形态如图3所示。

图2 光纤传感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of layout of fiber optic sensors

图3 汉堡车辙试验设备及车辙试件Fig.3 Hamburg rutting test equipment and specimen

本试验设置了温度和荷载两个自变量，试验计划及参数指标如表1所示，分别在不同温度和不同荷载的作用下采集光纤信号。温度变化通过控制汉堡车辙试验仪恒温箱来调节，荷载大小调节通过增减配重来实现。数据采集过程按照表1中的序号来进行，光纤信号采集频率为500 Hz，每次数据采集在加载持续5 min 后开始，采集时长为1 min。

表1 试验计划Tab.1 Experiment scheme

2 试验成型与数据分析

2.1 试验数据预处理

分别在不同温度下采集车辙板试件中①号光纤传感器的信号数据，试验过程共收集18组光纤信号数据，其中30，45，60 ℃条件下各有6组。以30 ℃时的数据为例，采用移动平均法对6组不同大小荷载作用下的光纤信号曲线进行预处理[17]，得到如图4所示的①号光纤的信号曲线。

由图4可知，光纤信号曲线中的波谷处对应荷载经过光纤正上方，在不同大小荷载的作用下，光纤信号呈现出周期性的波动特征，信号曲线可以表征光纤传感的加载特征和荷载的周期性特征。

图4 不同荷载作用下光纤信号曲线Fig.4 Fiber signal curves under different loads

图5 局部光纤信号Fig.5 Local fiber signal

选取20～40 s阶段共计7个周期的光纤信号进行分析。结合①号光纤与荷载的相对位置，局部放大图4虚线框内一个周期的光纤信号，如图5所示，其中t2～t7为一个周期。定义加载阶段和无载阶段两个状态，t1～t3为加载阶段，t3～t4为无载阶段。光纤信号强度在t1、t4时刻开始减小，此时为加载阶段的开始时刻；光纤电压在t2、t5时刻达到极小值V1，此时小轮正好运动到光纤正上方。t1～t2阶段、t2～t3阶段分别为对应光纤的荷载加强段和荷载减弱段，并且t3、t5取值各自满足t3-t2=t2-t1，t5-t4=t6-t5。t2时刻、t4时刻分别对应光纤电压值V20和V21。定义光纤信号强度为光纤无载阶段的电压平均值，即V2=(V20+V21)/2；定义光纤敏感值为光纤无载阶段的电压平均值(即光纤信号强度)与光纤加载阶段电压极小值之差，即V△=V2-V1，代表在加载过程中信号电压的减小量。

2.2 光纤信号敏感度与荷载大小关系

在30 ℃条件下，针对不同荷载作用下20～40 s阶段共约7个周期的光纤信号，计算以下各项：加载阶段电压极小值V1，该时刻汉堡车辙试验轮荷载经过光纤正上方；无载阶段的电压平均值V2，该时刻荷载对光纤信号无影响；光纤敏感值V△，光纤无载阶段电压平均值与加载阶段电压极小值之差，即V△=V2-V1，可反映荷载水平高低。荷载与以上三者的关系见图6。

图6 30 ℃条件下V1，V2，V△与荷载大小关系Fig.6 Relationship between V1，V2，V△ and load magnitude at 30 ℃

由图6可知，随着荷载的增大，无载阶段光纤信号平均值V2、加载阶段信号极小值V1和光纤信号敏感值V△三者均呈现出增大趋势。其中，V1与V2两者的增大趋势类似，V△则表现出与荷载较好的线性相关关系。

分析认为，车辙板试件为双层板结构，光纤传感器处于双层板之间。在试验中，第一次荷载加载大小是950 N，荷载作用3 min之后逐级减小荷载，每级荷载作用时间为3 min，上一级加载会造成下一级加载时光纤敏感值出现偏差，荷载作用时间持续累积。车辙板试件受荷累积时间越长，混合料被碾压得越密实，埋置在双层板之间的光纤受微变形也越严重。因此，光纤的不可恢复光损耗增大，光通量变小，故光纤信号强度的绝对值随着荷载减小而逐渐减小。另一方面，光纤敏感值可反映荷载大小，根据试验数据拟合而得的方程可知光纤敏感值与荷载大小呈现良好的正相关关系，基于拟合得到的公式可由光纤信号响应逆推得到胶轮荷载大小。

分别在3个温度30，45，60 ℃下进行了循坏加载，不同环境温度下光纤敏感值的变化情况如图7所示。

图7 不同温度下光纤信号敏感度值变化Fig.7 Fiber signal sensitivity varying with temperature

由图7可知，不同环境下光纤敏感值与荷载大小皆呈现线性正相关关系。分析认为，双层板相邻表面集料间的嵌挤作用随着荷载的增大而增大，这使得处于双层板之间的光纤的局部微弯效应得以加强，从而增加了光纤光损耗，即光纤信号敏感度随着荷载的增大而不断加强。另外，45 ℃和60 ℃时，光纤敏感值较30 ℃时大，分析认为，沥青混凝土板在高温状态时碾压变形大，光纤在荷载作用下光通量减小较多，导致光纤敏感值较大。实际采用光纤传感器监测交通轴载时推荐在45～60 ℃范围内进行。

2.3 光纤信号敏感度与环境温度关系

在30，45 ℃和60 ℃温度条件下，700～950 N(以50 N为一个梯度)荷载作用下，分别测试光纤信号强度值并计算光纤敏感值V△，得到光纤信号敏感度与温度的变化关系如图8所示。

图8 光纤信号敏感度随温度变化曲线Fig.8 Curves of optical fiber signal sensitivity varying with temperature

由图8可知，随着温度升高，光纤信号敏感度呈现出上升趋势，且在 30～45 ℃温度区间上升速度较快，在45～60 ℃温度区间则较慢。前者在温度上升15 ℃时，平均值增大0.039 V，后者只上升了0.004 V。同时，光纤信号敏感度值在各温度分散程度存在差异：30 ℃时较为集中，45 ℃和60 ℃时则较为分散。计算30，45，60 ℃这3个温度条件下光纤敏感值V△的方差以衡量其分散程度：对应的结果分别为0.004V2，0.01V2，0.011V2。从结果可见，方差总体上呈现增大趋势，其中45 ℃方差值较 30 ℃ 增大较多，却与60 ℃方差值基本相等。

分析认为，沥青混合料是由沥青胶结料和骨料为主要成分的非均匀混合材料，具备沥青胶结料的温度稳定性较差这一性质[18]。同时作为一种复杂的不均匀黏-弹-塑性材料，其对温度的变化响应特别明显。温度较低时，包裹在骨料表面的沥青表现为弹性，沥青混合料呈现出明显的线性受力变形特征。

此时，双层板上下两层沥青混合料在荷载作用下相互挤压，裹覆在骨料外层的沥青膜相互接触，与光纤形成“骨料-厚沥青膜-光纤-厚沥青膜-骨料”的接触结构。在厚沥青膜的保护下，光纤局部变形较小，可恢复光损耗值较小，导致光纤敏感度值也相对较小。温度较高时，包裹在骨料表面的沥青流动性加强，沥青混合料呈现出明显的黏性特征。此时，双层板上下两层沥青混合料在荷载作用下发生挤压，而沥青流动性加强使得包裹在骨料表面的沥青膜厚度逐渐减小，这样形成的接触结构变为“骨料-薄沥青膜-光纤-薄沥青膜-骨料”，故而光纤发生的局部变形较大，可恢复光损耗也增大，导致光纤敏感度值相对较大。

另一方面当温度较低时(30～45 ℃)，沥青稠度较大，强度和黏结性能比较优异。混合料的主要强度来源于胶料和胶料黏结，抗压能力由胶结料性能、胶结料黏结性能以及骨料嵌锁作用提供。而沥青胶结料对于温度的敏感性导致温度升高时，混合料的模量下降，这个阶段裹覆在骨料表面的沥青膜逐渐变薄，光纤的接触结构由“骨料-厚沥青膜-光纤-厚沥青膜-骨料”逐渐变为“骨料-薄沥青膜-光纤-薄沥青膜-骨料”，使得光纤在低温域时，其敏感度值变化速度较快。当温度逐渐升高时，骨料嵌锁作用变得明显，温度的变化导致的沥青性能变化对光纤的接触结构影响相对较小，接触结构逐渐维持在“骨料-薄沥青膜-光纤-薄沥青膜-骨料”，使得光纤在高温域(45～60 ℃)时，其敏感度值长期维持在一个水平，且变化速度较慢。

3 结论

通过分布式光纤的室内汉堡车辙试验研究，可以得到以下初步结论：

(1)在室内汉堡车辙试验中，将光纤传感器埋置的车辙板试件内部，采集得到的光纤信号稳定可读。

(2)光纤信号敏感度值的大小可以反映荷载水平。室内汉堡车辙试验表明，在30，45 ℃和60 ℃时，光纤信号敏感度与荷载大小呈现较好的线性正相关关系。

(3)光纤敏感度随温度的升高而上升，且在不同温域的上升趋势与分散程度不同。敏感度的上升速度在低温域(30～45 ℃)较快，在高温域(45～60 ℃)则较慢；敏感度的分布在30 ℃时较为集中，在45 ℃和60 ℃时则较为分散。