基于FBG传感技术循环荷载下的路堤模型试验

张孟喜,褚静尘,陈 强,王 东

(1.上海大学土木工程系,上海 200444;2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041)

随着我国交通运输业的发展,土工加筋技术已广泛应用到公路、铁路以及边坡加固等岩土工程中[1-3].土工格栅作为一种新型的加筋材料能够有效提高结构的承载力和稳定性.国内外学者为了研究加筋土体的力学性能和加筋机理,在理论分析、模型试验和数值模拟上都开展了大量的工作.高昂等[4]通过土工格室加筋路堤动静荷载作用下的室内试验,研究了不同格室的高度、焊距及循环荷载加载次数等因素下路堤的一系列力学性能.王家全等[5]在动荷载作用下,通过进行加筋砂土大比例地基模型试验,研究了不同工况下砂土地基的承载力和变形特性.此外,在试验过程中筋材的受力也是不可忽视的一部分,众多学者对筋材的应力应变分布及变化特性也进行了研究.杨庆等[6]通过室内模型试验,在坡比、格栅种类和加筋层数等变化因素下运用应变仪采集试验数据,得出了土工格栅在不同工况下的受力性能;但因其方法传统,而常用的应变测量仪器是电阻应变片和柔性位移计,存在灵敏度低、易受强电磁干扰等缺陷,导致测量误差较大.

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)传感技术因其测量精度高,可实时监测的优点而被逐渐应用到土木工程领域[7].殷建华等[8]利用FBG传感技术,基于梁的弯曲理论和差分算法对原位测斜仪的应变和挠度曲线进行了分析研究,由此证明了FBG传感技术在边坡监测中的优越性,为边坡的稳定性分析提供了新的参考依据.Yang等[9]采用熔融沉积法研制了新型FBG传感器,用以在单轴压缩试验中测量橡胶圆柱体的应变.贾立翔等[10]通过土工离心机边坡模型试验,验证了FBG测试系统在离心机模型多参量监测应用中的可行性.朱鸿鹄等[11]通过分布式光纤感测的边坡模型试验,在边坡加载过程中对土样不同深度处的水平向应变进行了连续监测,提出了一种新型的监测边坡稳定性的技术.

本工作以土工格栅为加筋材料,引入了FBG传感技术,对比分析了循环荷载作用下加筋路堤在不同工况下的承载性能与稳定性,以及土工格栅加筋材料的变形规律,初步揭示了其加筋机理,为深入研究循环荷载作用下加筋路堤的力学特性及筋材的变形监测提供了新方法.

1 FBG传感器的设计与标定

1.1 FBG传感器的工作原理

FBG传感器是利用光纤的光敏性制成的监测元件,其工作原理如图1所示.

图1 FBG传感器工作原理图Fig.1 Working principle diagram of FBG sensor

当一束宽光谱入射时,光纤的光栅区会反射特定波长的光[12],其余的则穿透光纤继续向前传输,反射光的波长所满足的特定条件为

式中:λ为反射光的初始中心波长;n为纤芯的有效折射率;Λ为光栅的栅距.

当被测量体的物理量发生变化从而使光栅区受到应力等作用时,反射光的中心波长λ会产生相应的变化Δλ,即

由

可得

式中:E为待测物体的弹性模量;ΔL为变形量;L为测试段的长度;A为待测物体的横截面.

1.2 FBG传感器的封装

FBG光栅区是由去除外包层和涂覆层的裸纤刻制而成,纤细脆弱抗剪能力差,若直接应用到实际工程中极易折损.细径管保护式和表面黏贴式[13-14]是目前最常见的FBG传感器封装方式.本工作将二者结合,先用直径为2 mm的PVC套管对裸纤进行保护,再用环氧树脂胶把FBG传感器黏贴在格栅的指定测点,在保证基体材料土工格栅和传感器协同变形的同时,也确保了传感结构的完整性.封装结构如图2所示.

图2 FBG传感器封装结构示意图Fig.2 Encapsulated structure diagram of FBG sensor

根据试验需要,自行设计了FBG传感器裸纤的长度及栅距,每层格栅上水平布置3个应变感知测点.具有感知监测功能的土工格栅布置图如图3所示.

图3 FBG感知土工格栅布置图Fig.3 Layout of FBG sensing geogrid

1.3 FBG传感器的标定

在用光纤解调仪对FBG传感器进行数据采集时,光纤传感分析软件得到的是光栅中心波长值的变化.试验中需建立FBG伸长量与中心波长变化量之间的关系,并以此来确定土工格栅的应变量.在标定试验中,用20 g砝码施加轴向力,并逐级加载.通过拟合试验数据所得到的标定曲线如图4所示.可以看出:传感器中心波长的变化量与光纤的伸长量之间有良好的线性关系,即

图4 伸长量与中心波长的关系Fig.4 Relationships between elongation and central wavelength

2 模型试验

2.1 试验设备

本试验的加载系统采用了美国GCTS公司的USTX-2000三轴测试系统(见图5).该装置可提供10 kN的最大轴向力、5 Hz的最大动载频率和50 mm的最大位移量程.该装置可模拟多种波形进行循环荷载试验的加载,如矩形波、正弦波及自定义波等.

图5 模型试样和加载系统Fig.5 Model specimen and loading system

本试验数据均有与之对应的测量设备进行采集.土工格栅筋材的变形量则由光纤解调仪及OSA(optical spectrum analyzer,光谱分析仪)光纤传感分析软件采集.路堤模型试样的累积沉降量由该三轴测试系统直接读取.坡面各点的法向位移及土压力则由型号为DH5921的动态采集仪进行采集.

本试验采用的是内部尺寸为600 mm×290 mm×400 mm(长×宽×高)的长方体模型箱.箱壁采用的是25 mm厚的高强度透明钢化玻璃,便于在试验过程中能清晰地观察边坡土体的变形情况.

2.2 试验材料

砂土采用福建标准砂作为试样填料,通过筛分比试验,测定该砂土的粒径分布主要集中在0.5～2.0 mm之间.经过一系列室内土工试验得到砂土的物理参数如表1所示.加筋材料采用经纬向断裂强度≥100 kN/m的玻璃纤维双向土工格栅.土工格栅的网格尺寸为12 mm×12 mm,纵横肋的断裂伸长率均≤4%.

表1 砂土的物理性质指标Table 1 Physical properties of the sand

2.3 试验方案

2.3.1 试验模型

本试验采用1∶20的模型相似比来模拟路基高度为4.4 m的二级公路.因路堤具有对称性,故取其半结构进行加筋路堤室内模型试验.本试验通过控制填进模型箱内砂土的质量来进一步控制试样的密实度.将一定质量的砂土分层填筑,重砝码人工压实以确保试样的密实度达到90%.以铺设二层土工格栅为例,每层格栅布置3个FBG传感器监测点(即1-a、1-b、1-c、2-a、2-b、2-c).边坡模型如图6所示.

图6 边坡模型示意图(mm)Fig.6 Schematic diagram of slope model(mm)

2.3.2 加载方案

本试验以半正弦波来模拟循环荷载,采用相同的应力幅值对不同工况进行加载.根据静载作用下无筋路堤的受力情况,经过多次试验,循环荷载的应力幅值取无筋路堤最大承载力的70%,即20.3 kPa,频率为1 Hz(对应一个完整的半正弦波),振动次数为15 000次.加载波形如图7所示.

图7 循环荷载加载波形Fig.7 Cyclic load waveform

2.3.3 试验工况

本工作针对加筋间距和加筋层数进行了循环荷载作用下不同工况的路堤试验.结合光纤光栅传感监测技术,进一步分析了路堤的受力特性以及筋材的应变变化规律.具体的路堤加筋工况如表2所示.

表2 试验工况Table 2 Test conditions

3 试验结果分析

3.1 循环荷载下土工格栅的变形分析

在循环荷载加载过程中,试样在振幅和频率等动力作用的激励下引发土体振动,进而使得加筋材料土工格栅在自身强度范围内被反复伸张.振动开始时,由于土体处于不断压实紧密的状态,故筋材的应变值呈线性变化.随着振动次数的累加,其应变值也呈周期性波动增加.图8所示为铺设一层筋材时,1-b监测点的中心波长随加载次数的变化曲线.由于数据量过于庞大,故只选取具有代表性的振动次数下的格栅应变值绘制成图.

图8 一层加筋1-b监测点中心波长的变化量Fig.8 Variations of central wavelength of 1-b measuring point with one layer reinforcement

如图9所示:循环荷载作用下土工格栅在水平方向上的受力变形并非沿着格栅的全长均匀分布,而是呈现以加载点为中心向两侧递减的趋势;竖直方向上土工格栅的应变值则是随着边坡深度的增加而减小.以图9(b)为例,1-b监测点和2-b监测点的FBG应变值较大.这是因为该监测点即加载区的正下方为主要的受力受拉区域,变形最为剧烈.在加载前期,1-b监测点的应变变化值明显高于2-b监测点,说明前期主要是由首层筋材发挥加筋作用.当振动次数≥7 000次以后,2-b监测点的应变值增长加快.这说明随着振动次数的增加,动力特性作用不断累加,传至土体下部区域,使其筋材逐渐拉伸,在与土工格栅接触的上下土体界面上发生剪切摩擦作用,故坡体下方的筋材应变值在加载后期增长速度加快.在动荷载作用下,坡顶的法向位移变化显著,因此在靠近坡面上部的位置,土工格栅和土体间的摩擦嵌固等筋土界面作用进一步加强.为了限制土颗粒的移动,使筋材发挥更大的加筋作用,故1-c监测点土工格栅的应变值变化明显.

通过对图9的分析可知,筋材所受的应变值随着加筋层数的增加而减小.以不同加筋层数下第一层土工格栅的变形为例:当铺设一层筋材时,1-a、1-b、1-c 3个监测点的应变值分别是1 171.96、3 418.09和2 569.87 με;当加筋层数为二层和三层时,该3处监测点的应变值分别减小了24.06%、33.44%、26.69%和57.18%、41.41%、35.41%.分析可知,筋土的界面作用使得加载板下方的受压区域增大,从而能够更好地向下向外将应力传递给邻近土体,起到了良好的应力扩散作用.随着加筋层数的增加,该现象更为显著,故每层筋材的受拉受压作用相对减弱、应变值减小,且分布更加趋于均匀化.

图9 不同加筋层数下筋材的应变Fig.9 Strain of reinforcement under different reinforced layers

如图10所示,对比不同间距下3个监测点的试验结果可知,在相同的加载振动次数下,土工格栅的应变随着加筋间距的减小而增加,即筋材充分发挥了加筋作用.在实际工程中,合理设计加筋层的间距,可起到优化加筋的作用,进一步提高路堤的稳定性.

图10 不同加筋间距下筋材的应变Fig.10 Strain of reinforcement under different stiffening spacing

3.2 循环荷载下路堤的变形分析

3.2.1 路堤累积沉降

由图11可以看出,在长期循环荷载作用下,路堤的竖向变形随着加筋间距的减小和加筋层数的增加而减小.当振动次数达到15 000次后:由图11(a)可知工况6较工况1、工况2、工况4的沉降量分别减少了67.7%、20.9%、9.7%;由图11(b)可知工况1的竖向沉降量是工况3的2倍,工况4的1.5倍和工况5的1.3倍.分析可得:土体-筋材-筋土界面三者之间的相互作用改善了土体内部的应力分布;加筋层数越多,间距越小,筋材与其土体形成的局部区域刚度就越大,加筋路堤的整体性和稳定性就更高,因此路堤的沉降量也就越小.

图11 累积沉降量Fig.11 Accumulated settlement

3.2.2 坡面法向变形

通过所布置的3个位移传感器(见图6),分别测得在动荷载作用下,不同工况加筋路堤坡顶、坡中和坡脚最终的法向位移,结果如图12所示.

由图12(a)可以看出:动荷载作用下无筋路堤坡顶的法向位移达到6.23 mm,一、二、三层加筋路堤坡顶的法向位移分别为2.95、2.17、1.87 mm,与无筋路堤相比分别减少了52.6%、65.2%、70.0%;各工况下坡中法向位移变化较小,坡脚法向位移则无明显差别;不同加筋间距下试验工况的变形趋势相仿.由此分析可得:土工格栅间距的减小使土体刚度增大,整体性增强,故路堤的稳定性越高,坡体的滑移越小;加筋层数的增加使筋土界面的摩擦嵌固作用增强,从而进一步减小了路堤坡面的法向变形.

图12 坡面法向位移Fig.12 Normal displacement of slope

3.3 循环荷载下路堤的土压力分析

为了分析循环荷载作用下路堤内部土压力的变化,在土中分3层埋置了8个动态土压力传感器(见图6中编号1#～8#)进行土压力监测.为研究数据方便,在无筋和两层筋材的铺设下各取10个循环作用下的数据进行分析.图13为土压力随振动次数(990～1 000)的变化曲线.可以明显看出,土压力在一个循环下也呈半正弦波变化.

加载板正下方不同埋置深度(2#、5#和8#3个监测点)的土压力值如图13(a)所示.可知,土压力的峰值从路堤上部往下递减,符合土压力理论.同一埋置深度水平方向(4#、5#和6#3个监测点)的土压力值如图13(b)所示.可知,土压力呈加载中心向两侧递减的规律,离加载中心点越远则土压力越小.对比分析无筋和二层加筋铺设情况下同一监测点的土压力值变化可知,加筋可有效提高土体的刚度,测得的土压力值也显著增加,尤以加载板正下方的区域最为明显.

图13 不同工况下路堤内部的土压力分布Fig.13 Distributions of earth pressure in embankment under different working conditions

4 结束语

本工作通过基于FBG传感技术在循环荷载作用下加筋路堤的模型试验,研究了不同加筋对路堤力学特性和筋材变形的影响,并得出以下结论.

(1)在循环荷载作用下,筋材的变形在振动初期呈线性增加.随着振动次数的增加,筋材在动力特性的作用下被反复伸张,呈周期性波动增加.筋材的受力变形在水平方向上表现为由加载区域正下方向两侧递减,且沿筋长方向呈非线性分布;竖直方向上则随着边坡深度的增加而减小,且在路堤上部靠近坡顶的区域,因坡面土体的滑移,筋材的受力变形也尤为明显.

(2)在循环荷载作用下,加筋路堤与无筋路堤相比,竖向沉降量和坡面法向位移最大程度可减小67.7%和70.0%.由此说明,加筋间距的减小和加筋层数的增加可在一定程度上提高路堤边坡的整体性和稳定性.因此,可在实际工程中对筋材进行合理的设计,优化铺设方式,使筋材的利用率达到最大化.

(3)在循环荷载作用下,路堤内部的土压力随着振动次数呈半正弦波形变化,且加筋可有效提高土体的刚度,土压力值也显著增加.

(4)通过对筋材的应变分析,验证了在路堤监测应用中FBG新型传感器的可行性与优越性.