光纖光柵傳感器在路基沖擊碾壓監測中的應用

鐘 陽 余耀威

(大連理工大學道路工程研究所，遼寧 大連 116024)

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光纖光柵傳感器在路基沖擊碾壓監測中的應用

鐘 陽 余耀威

(大連理工大學道路工程研究所，遼寧 大連 116024)

針對目前路基沖擊碾壓施工監測手段的不足，提出利用光纖光柵傳感器進行路基沖擊碾壓監測，并對具體的監測數據作了分析，指出利用光纖光柵傳感器可準確測算沖擊壓路機的行駛速度，確定必要的碾壓次數。

路基，光纖光柵傳感器，沖擊碾壓，動態監測

1 當前路基沖擊碾壓施工監測手段的不足

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

現有監測手段的不足，造成了現場實測數據的不充分，使得沖擊碾壓施工技術的理論研究缺乏實踐的驗證。而另一方面，工程實踐也得不到明確精準的理論指導。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的決策在很大程度上是經驗性的，很容易和實際情況產生偏差。如果填料過厚，或者沖擊碾壓次數過少，會導致路基得不到充分壓實，強度和穩定性達不到要求；如果填料過薄，或者沖擊碾壓次數過多，則會造成資源的浪費。

綜上，目前亟需一種適應性強、性能穩定、靈敏度高、數據可靠的傳感器來進行現場的試驗監測，為理論研究提供準確的實測數據支持，進而正確指導路基的沖擊碾壓施工。

2 利用光纖光柵傳感器監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，可以適應道路土基惡劣的工作環境，并且與土體的變形協調性較好，可以保證數據的準確性(見圖1)[2]。

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

現場利用光纖光柵解調儀和ENLIGHT軟件進行數據采集，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。采集數據以后，按照傳感器標定結果將中心波長換算為應變，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變變化情況。

3 數據的分析

3.1 沖擊壓路機行駛速度的測算

由以上應變曲線圖可以看出，沖擊壓路機的凸輪每一次沖擊土體，土體的應變就會出現一次峰值，每次出現峰值的時間點是已知的，而沖擊壓路機凸輪的輪徑是確定的，即在特定時間內壓路機的位移可以得到，那么即可算出所關注時間段內沖擊壓路機的平均行駛速度。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數據如表1所示。

表1 部分監測數據

3.2 必要沖擊碾壓次數的確定

以往對必要沖擊碾壓次數的確定一般是在施工現場抽取土樣，進行室內試驗的方法確定必要碾壓次數。每一次碾壓之后，在施工現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度和強度，歸納出土體壓實度隨松鋪厚度、碾壓次數的變化曲線，總結得出與工程實際適宜的松鋪厚度和必要碾壓次數[3]。這種方法思路比較直觀，但取出土體樣本的過程實際上對土基造成了破壞，取出后的土體樣本和實際土基內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際上都是不同位置的，由此歸納出的壓實度與碾壓次數的關系只是近似得出的，精確度不高；過程中需要大量的室內試驗，不能在施工現場直接完成。

本文提出了一種新的必要碾壓次數的確定方法。由壓實原理可知，在被壓實時，路基土顆粒孔隙中的空氣和水被排出，土顆粒被壓縮擠密，土體壓實度增大。可以認為，土體被壓實時會產生塑性變形，因此壓實度的變化可間接由其塑性應變的變化表征。

由圖2～圖5可以發現：在沖擊碾壓施工時，土體產生的應變大部分是彈性范圍內的，在沖擊壓路機離去，即卸載之后，又立即恢復；只有小部分是塑性應變，在卸載之后，不會自動恢復，而且隨碾壓次數的增加，土體的塑性應變也逐漸增加。這一部分塑性應變的變化趨勢在相當程度上可以代表土體壓實度的變化趨勢。

土體產生的塑性應變隨沖擊碾壓次數的變化情況如圖6所示。

可以看出：隨著沖擊碾壓次數的增加，水平橫向受拉，塑性拉應變逐漸增大，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，水平壓應變開始也逐漸增大，但隨后有上下浮動。產生這種現象的原因主要有兩方面：第一，填土路基橫向外側邊坡沒有約束，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。所以在受到壓路機的豎向荷載時，橫向產生拉應變，而縱向則不確定受拉還是受壓，應變會存在浮動。因此，FBG傳感器的監測結果是符合實際情況的。

由圖6中橫向塑性應變的變化曲線可知，在沖擊碾壓第9次以后，橫向塑性應變已經和最大值非常接近，之后的繼續沖擊碾壓并沒有使橫向塑性應變繼續增大，說明豎向的沉降也并沒有繼續增大，那么可以認為，該處土體的壓實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，由于FBG傳感器靈敏度高，這種方法數據準確、可靠，相對于傳統的土工試驗法，不會對路基造成破壞，而且實施便捷，不需室內試驗，在施工現場即可完成。

4 結語

1)光纖光柵傳感器可以準確地對土基在沖擊荷載下的應力應變進行實時動態監測，數據準確，靈敏度高；2)利用光纖光柵傳感器可以測算沖擊壓路機的行駛速度；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變隨碾壓次數的變化規律，可以確定該工況下的必要碾壓次數。

[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,2011(3)：139-142.

[2] 呂葆楠.光纖光柵傳感器在道路土基監測中的應用[D].大連：大連理工大學，2014.

[3] 陳 超.沖擊碾壓在黃泛區地基與路基壓實中的應用研究[D].濟南：山東大學，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，博士生導師，教授； 余耀威(1989- )，男，在讀碩士

U416.1

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