光纖光柵傳感器在路基沖擊碾壓監(jiān)測中的應(yīng)用

鐘 陽 余耀威

(大連理工大學(xué)道路工程研究所，遼寧 大連 116024)

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光纖光柵傳感器在路基沖擊碾壓監(jiān)測中的應(yīng)用

鐘 陽 余耀威

(大連理工大學(xué)道路工程研究所，遼寧 大連 116024)

針對目前路基沖擊碾壓施工監(jiān)測手段的不足，提出利用光纖光柵傳感器進(jìn)行路基沖擊碾壓監(jiān)測，并對具體的監(jiān)測數(shù)據(jù)作了分析，指出利用光纖光柵傳感器可準(zhǔn)確測算沖擊壓路機(jī)的行駛速度，確定必要的碾壓次數(shù)。

路基，光纖光柵傳感器，沖擊碾壓，動態(tài)監(jiān)測

1 當(dāng)前路基沖擊碾壓施工監(jiān)測手段的不足

沖擊碾壓施工方法是廣泛應(yīng)用于土木工程的一種地基和路基壓實(shí)處理技術(shù)。當(dāng)前對于沖擊碾壓施工的現(xiàn)場監(jiān)測手段還很不足。有學(xué)者曾利用土壓力盒等傳統(tǒng)傳感器量測沖擊碾壓過程中土基的動力響應(yīng)[1]，但由于工作環(huán)境惡劣，普通傳感器的成活率、耐久性以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和可靠程度都不能令人滿意。

現(xiàn)有監(jiān)測手段的不足，造成了現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的不充分，使得沖擊碾壓施工技術(shù)的理論研究缺乏實(shí)踐的驗證。而另一方面，工程實(shí)踐也得不到明確精準(zhǔn)的理論指導(dǎo)。目前沖擊碾壓法施工中對填料的松鋪厚度和必要碾壓次數(shù)的決策在很大程度上是經(jīng)驗性的，很容易和實(shí)際情況產(chǎn)生偏差。如果填料過厚，或者沖擊碾壓次數(shù)過少，會導(dǎo)致路基得不到充分壓實(shí)，強(qiáng)度和穩(wěn)定性達(dá)不到要求；如果填料過薄，或者沖擊碾壓次數(shù)過多，則會造成資源的浪費(fèi)。

綜上，目前亟需一種適應(yīng)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、靈敏度高、數(shù)據(jù)可靠的傳感器來進(jìn)行現(xiàn)場的試驗監(jiān)測，為理論研究提供準(zhǔn)確的實(shí)測數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而正確指導(dǎo)路基的沖擊碾壓施工。

2 利用光纖光柵傳感器監(jiān)測沖擊碾壓施工過程

光纖光柵傳感器靈敏度高、耐久性好，本文采用土工塑料格柵封裝的光纖光柵傳感器，可以適應(yīng)道路土基惡劣的工作環(huán)境，并且與土體的變形協(xié)調(diào)性較好，可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性(見圖1)[2]。

本文在沈平高速公路改擴(kuò)建工程中鐵嶺至四平段開展了關(guān)于光纖光柵傳感器在路基沖擊碾壓施工監(jiān)測中的應(yīng)用研究。所選試驗路段為沈平高速公路中昌圖縣內(nèi)樁號K809～K810段。該路段原為雙向四車道，根據(jù)改擴(kuò)建工程設(shè)計方案，需要在西側(cè)加寬，改為雙向八車道。該段西側(cè)地勢較低，加寬段有10 m高的填方路基，填料大部分為粉質(zhì)土，含部分砂石土。填方路基逐層攤鋪，每層填料用YCT-25型三邊沖擊壓路機(jī)碾壓20遍。光纖光柵傳感器埋設(shè)在路基距底部6 m高的平面，由于施工進(jìn)度原因，沖擊碾壓時，路基已經(jīng)填至9 m高處，即傳感器上方有3 m厚的土層。

現(xiàn)場利用光纖光柵解調(diào)儀和ENLIGHT軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為100 Hz，軟件自動將中心波長值的變化和時間記錄為文本文檔。采集數(shù)據(jù)以后，按照傳感器標(biāo)定結(jié)果將中心波長換算為應(yīng)變，整理分析，可以繪出沖擊碾壓施工時土體水平橫向和縱向應(yīng)變隨時間變化的曲線。

圖2～圖5分別為第1次、第2次、第9次和第20次碾壓過程中的橫向和縱向應(yīng)變變化情況。

3 數(shù)據(jù)的分析

3.1 沖擊壓路機(jī)行駛速度的測算

由以上應(yīng)變曲線圖可以看出，沖擊壓路機(jī)的凸輪每一次沖擊土體，土體的應(yīng)變就會出現(xiàn)一次峰值，每次出現(xiàn)峰值的時間點(diǎn)是已知的，而沖擊壓路機(jī)凸輪的輪徑是確定的，即在特定時間內(nèi)壓路機(jī)的位移可以得到，那么即可算出所關(guān)注時間段內(nèi)沖擊壓路機(jī)的平均行駛速度。例如，在第1次碾壓過程中，傳感器的一個橫向FBG中心波長值變化的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 必要沖擊碾壓次數(shù)的確定

以往對必要沖擊碾壓次數(shù)的確定一般是在施工現(xiàn)場抽取土樣，進(jìn)行室內(nèi)試驗的方法確定必要碾壓次數(shù)。每一次碾壓之后，在施工現(xiàn)場直接從土基中鉆取出不同深度的若干土體樣本，然后測定多個樣本的壓實(shí)度和強(qiáng)度，歸納出土體壓實(shí)度隨松鋪厚度、碾壓次數(shù)的變化曲線，總結(jié)得出與工程實(shí)際適宜的松鋪厚度和必要碾壓次數(shù)[3]。這種方法思路比較直觀，但取出土體樣本的過程實(shí)際上對土基造成了破壞，取出后的土體樣本和實(shí)際土基內(nèi)部會有一定程度的偏差；而且每一次碾壓之后，所取出的土體樣本實(shí)際上都是不同位置的，由此歸納出的壓實(shí)度與碾壓次數(shù)的關(guān)系只是近似得出的，精確度不高；過程中需要大量的室內(nèi)試驗，不能在施工現(xiàn)場直接完成。

本文提出了一種新的必要碾壓次數(shù)的確定方法。由壓實(shí)原理可知，在被壓實(shí)時，路基土顆粒孔隙中的空氣和水被排出，土顆粒被壓縮擠密，土體壓實(shí)度增大?？梢哉J(rèn)為，土體被壓實(shí)時會產(chǎn)生塑性變形，因此壓實(shí)度的變化可間接由其塑性應(yīng)變的變化表征。

由圖2～圖5可以發(fā)現(xiàn)：在沖擊碾壓施工時，土體產(chǎn)生的應(yīng)變大部分是彈性范圍內(nèi)的，在沖擊壓路機(jī)離去，即卸載之后，又立即恢復(fù)；只有小部分是塑性應(yīng)變，在卸載之后，不會自動恢復(fù)，而且隨碾壓次數(shù)的增加，土體的塑性應(yīng)變也逐漸增加。這一部分塑性應(yīng)變的變化趨勢在相當(dāng)程度上可以代表土體壓實(shí)度的變化趨勢。

土體產(chǎn)生的塑性應(yīng)變隨沖擊碾壓次數(shù)的變化情況如圖6所示。

可以看出：隨著沖擊碾壓次數(shù)的增加，水平橫向受拉，塑性拉應(yīng)變逐漸增大，第9次以后，幾乎不再增長；水平縱向受壓，但變化量相對橫向較小，水平壓應(yīng)變開始也逐漸增大，但隨后有上下浮動。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩方面：第一，填土路基橫向外側(cè)邊坡沒有約束，但縱向長度很大，傳感器所在位置的土體縱向被附近土體約束。第二，壓路機(jī)每次碾壓的行駛軌跡是確定的，但是碾壓輪每次沖擊與土體的接觸點(diǎn)位置并不確定，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，則FBG有可能受壓。所以在受到壓路機(jī)的豎向荷載時，橫向產(chǎn)生拉應(yīng)變，而縱向則不確定受拉還是受壓，應(yīng)變會存在浮動。因此，F(xiàn)BG傳感器的監(jiān)測結(jié)果是符合實(shí)際情況的。

由圖6中橫向塑性應(yīng)變的變化曲線可知，在沖擊碾壓第9次以后，橫向塑性應(yīng)變已經(jīng)和最大值非常接近，之后的繼續(xù)沖擊碾壓并沒有使橫向塑性應(yīng)變繼續(xù)增大，說明豎向的沉降也并沒有繼續(xù)增大，那么可以認(rèn)為，該處土體的壓實(shí)度同樣沒有得到有效增長。由此可以判定：對于該工況下傳感器所測位置的路基土體而言，必要碾壓次數(shù)為9次。

由以上分析可以看出，利用光線光柵傳感器可以確定路基沖擊碾壓施工的必要碾壓次數(shù)，由于FBG傳感器靈敏度高，這種方法數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，相對于傳統(tǒng)的土工試驗法，不會對路基造成破壞，而且實(shí)施便捷，不需室內(nèi)試驗，在施工現(xiàn)場即可完成。

4 結(jié)語

1)光纖光柵傳感器可以準(zhǔn)確地對土基在沖擊荷載下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，靈敏度高；2)利用光纖光柵傳感器可以測算沖擊壓路機(jī)的行駛速度；3)提出了一種在沖擊碾壓施工中確定必要碾壓次數(shù)的新方法。利用光纖光柵傳感器測量得出路基水平橫向塑性應(yīng)變隨碾壓次數(shù)的變化規(guī)律，可以確定該工況下的必要碾壓次數(shù)。

[1] 胡昌斌，袁 燕.沖擊碾壓改建路面施工對路基動力作用的試驗研究[J].巖土力學(xué),2011(3)：139-142.

[2] 呂葆楠.光纖光柵傳感器在道路土基監(jiān)測中的應(yīng)用[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.

[3] 陳 超.沖擊碾壓在黃泛區(qū)地基與路基壓實(shí)中的應(yīng)用研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，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

鐘 陽(1955- )，男，博士生導(dǎo)師，教授； 余耀威(1989- )，男，在讀碩士

U416.1

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