苑立波

（1．哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院 光子科學(xué)與技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001；2．黑龍江省光纖傳感科學(xué)與技術(shù)重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引 言

主要研究基于邁克爾遜白光干涉儀的光纖引伸計用于混凝土構(gòu)件的測試。介紹了光纖引伸計的結(jié)構(gòu)及其工作原理，分別討論了光纖引伸計的一系列實驗，其中主要包括安裝在混凝土試件表面或埋入混凝土內(nèi)部的光纖傳感器的應(yīng)變測量、溫度測量以及混凝土梁的裂紋尖端張開位移測量。利用特殊設(shè)計的土力學(xué)傳感器，在外部載荷作用下，對土體壩段和邊坡模型的變形進(jìn)行了實驗研究，目的是檢驗土力學(xué)傳感器及其測量方法的有效性，為傳感器的進(jìn)一步實用化奠定基礎(chǔ)。

1 白光光纖干涉引伸計

1．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖引伸計的系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。該系統(tǒng)本質(zhì)上是一個改進(jìn)的光纖邁克爾遜干涉儀，干涉儀的傳感臂和參考臂分別與一個2×2方向耦合器的兩臂相連。傳感臂由一根輸入／輸出光纖和兩個反射面之間的傳感光纖組成 （圖1）；參考臂則由一個光纖耦合環(huán)、一個準(zhǔn)直透鏡和一個掃描反射鏡組成。光纖耦合環(huán)可以產(chǎn)生多光程的參考信號，用來匹配傳感臂中兩個反射面所產(chǎn)生的信號。邁克爾遜干涉儀的寬譜光源為發(fā)光二極管 （LED），干涉儀的傳感信號經(jīng)光電探測器 （PD）采集后送給計算機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理。調(diào)節(jié)掃描反射鏡的位置，當(dāng)參考信號的光程分別與傳感臂兩個反射鏡反射信號的光程相匹配時，在探測端會接收到兩個干涉信號（條紋）。這兩個干涉信號所對應(yīng)的掃描鏡位置的差正好對應(yīng)于傳感器的長度。因此，可以通過掃描鏡的位置獲得由應(yīng)變引起的傳感光纖的長度變化。

該光纖引伸計系統(tǒng)與文獻(xiàn) ［1］介紹的方案不同。在文獻(xiàn) ［1］結(jié)構(gòu)中，光纖傳感器的長度受到位移臺的掃描距離限制，即L0＜Xmax／n （L0為傳感器長度，Xmax為位移臺的最大掃描距離）。由于反射信號在長距離的空間光路中傳輸會產(chǎn)生很大的損耗，因此要想讓反射鏡具有很長的掃描距離是不現(xiàn)實的，所以文獻(xiàn) ［1］中介紹的傳感器的長度不可能很長。而在圖2所示的結(jié)構(gòu)中，通過選擇合適長度的光纖環(huán)，可以使光纖傳感器的長度達(dá)到幾m、幾十m甚至更長；與此同時，掃描鏡的掃描距離可以縮短為幾mm。這種引入光纖耦合環(huán)的結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，并降低系統(tǒng)的損耗。如果將光纖環(huán)放在熱隔離腔中，可以減小環(huán)長L隨環(huán)境溫度變化所導(dǎo)致的測量誤差。

圖1 光纖引伸計的系統(tǒng)構(gòu)成Fig．1 Instrument configuration of the fiber optic extensometer

圖2 （a）光纖引伸計的測量原理和光程匹配；（b）第一個反射信號；（c）第二個反射信號Fig．2 （a）Measurement principle of the fiber optic extensometer system and path matching for；（b）the first and（c）the second reflected signals

利用光纖干涉系統(tǒng)可以實現(xiàn)對光纖傳感器長度L0的高精度絕對測量，因此可以用于檢測由應(yīng)變或溫度引起的形變。由于應(yīng)變或溫度的測量靈敏度取決于傳感光纖的長度，所以可以通過增加傳感光纖的長度來提高測量靈敏度。傳感光纖越長，測量靈敏度和分辨率越高。但是系統(tǒng)的最高分辨率最終是受移動位移臺的分辨率和中央干涉條紋的識別分辨率限制的。因此，我們在引伸計系統(tǒng)中采用了高分辨率的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動位移臺 （每步間隔為0．5 μm），即分辨率為±0．5μm。另外，中央條紋的重復(fù)識別要＜±1個條紋，對于1 300nm光源來說相當(dāng)于0．7μm［2］。

1．2 光程分析方法

如圖2（a）所示，一束光沿傳感臂LS傳輸，到達(dá)兩個反射面后發(fā)生反射，兩路反射光的光程分別為2LSn與2LSn＋2L0n，其中n為光纖導(dǎo)模的有效折射率。參考臂中傳輸?shù)墓饨?jīng)過光纖耦合環(huán)和梯度折射率 （GRIN）準(zhǔn)直透鏡后被安裝在掃描位移臺上的反射鏡反射，反射光沿相同的光路傳輸并返回到光電探測端。設(shè)不包括光纖耦合器環(huán)的參考臂長度為LR，耦合器環(huán)的長度為L。通過合理選擇耦合環(huán)長L，可以得到與傳感信號的光程相匹配的多參考光束：

其中i＝0，1，2…是光在光纖環(huán)中傳輸?shù)娜?shù)；X是GRIN透鏡與反射鏡之間的間距。如果選擇合適的LR和L使它們分別略小于LS和L0，那么可以通過小范圍調(diào)節(jié)反射鏡的位置 （即X值），使參考信號與傳感信號的光程相匹配，便會在光電檢測端得到白光干涉信號。由于傳感信號包括兩個反射信號，因此在系統(tǒng)的輸出端會產(chǎn)生兩個干涉條紋。其中第一個干涉條紋對應(yīng)于傳感臂第一個反射面反射的信號與參考臂中不經(jīng)過光纖環(huán)的反射信號 （式（1）中i＝0）的光程相匹配時的干涉。位于干涉條紋中心的中央條紋，振幅最大，對應(yīng)傳感信號和參考信號的光程精確匹配。設(shè)此時反射鏡的位置為X＝X1，則有：

類似的，第二個干涉條紋對應(yīng)于傳感臂第二個反射面反射的信號與參考臂中經(jīng)過光纖環(huán)的反射信號 （式 （1）中i＝1）的光程相匹配時的干涉。設(shè)此時反射鏡的位置調(diào)整為X＝X2，則精確的光程匹配條件為：

將式 （2）與 式 （3）兩式相減，得到：

其中，Y為參考信號分別與傳感臂兩個反射信號的光程相匹配時，掃描反射鏡的兩個位置之間的距離?？梢钥闯?，傳感臂兩路反射光經(jīng)過相同的輸入／輸出光纖，即Y 與輸入／輸出光纖的長度無關(guān)，所以這種差動式測量方法可以消除環(huán)境變化對傳輸光纖的影響。這一點對于傳感器的遠(yuǎn)程問詢非常重要，在遙測傳感系統(tǒng)中，可以選擇任意長度的傳輸光纖而不會引起系統(tǒng)性能的下降。如果將光纖環(huán)進(jìn)行隔離保護(hù)使其不受應(yīng)變和溫度的影響，那么光纖環(huán)的光程L可以看作常數(shù)，因此通過測量X的值就可以獲得任何傳感光纖的光程 （nL0）的變化。如果傳感光纖的長度L0近似與耦合環(huán)長L相等，那么兩個白光干涉條紋之間的距離會很小。因此，短距離掃描位移臺便可滿足傳感系統(tǒng)的要求，從而可以降低系統(tǒng)的傳輸損耗。另外，與傳統(tǒng)的長掃描距離白光干涉系統(tǒng)相比，短距離掃描還可以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率。只要保證參考臂中的光纖環(huán)長與傳感光纖的長度近似相等，那么傳感系統(tǒng)中的傳感光纖可以任意長而不需要增加掃描范圍。

1．3 信號強(qiáng)度計算方法

在1．1節(jié)中已經(jīng)介紹了利用白光干涉條紋的中央條紋來確定掃描鏡位置的方法。我們知道，干涉條紋的峰值取決于從傳感臂和參考臂反射回的信號強(qiáng)度。下面主要介紹干涉條紋的峰值強(qiáng)度與系統(tǒng)參數(shù)之間的關(guān)系。

1．3．1 傳感臂的反射信號

設(shè)耦合入光纖的光強(qiáng)為I0，且耦合器的分光比為50／50，那么進(jìn)入傳感臂的光強(qiáng)可表示為I0αδ／2。式中αδ表示耦合器的插入損耗，定義為αδ其中δ為以dB形式表示的耦合器的插入損耗。因此探測器接收到的傳感臂反射信號的光強(qiáng)可表示為：

式中ID（1）表示傳感光纖第一個端面 （近端）的反射光強(qiáng)；ID（2）表示傳感光纖第二個端面 （遠(yuǎn)端）的反射光強(qiáng) （圖3）。為了計算方便，假設(shè)兩個端面的反射率相同，均為Rf。在垂直端面入射的情況下，經(jīng)過拋光的理想光纖端面的反射率為：實際上，由于連接部分存在一定的損耗，探測器接收到的光強(qiáng)小于式 （5）所給出的光強(qiáng)。一般，典型的光纖連接頭的損耗為0．3dB。

圖3 傳感光纖的透射和反射Fig．3 Transmission and reflection of light through the sensing fiber

1．3．2 參考臂的反射信號

當(dāng)滿足式 （2）的光程匹配條件時，參考光路的反射光強(qiáng)可表示為：

式中Rm為掃描鏡的反射率；η（X）為GRIN透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)的損耗，可表示為［2］：

其中Γ和ζ是無量綱常數(shù)。

類似的，當(dāng)滿足式 （3）中的光程匹配條件時，參考光路的反射光強(qiáng)可表示為：

1．3．3 干涉條紋的峰值

第一組干涉條紋是由滿足式 （2）條件的傳感臂和參考臂的反射光互相干涉產(chǎn)生的。干涉條紋的峰值強(qiáng)度為：

第二組干涉條紋是由滿足式 （3）條件的傳感臂和參考臂的反射光互相干涉產(chǎn)生的。干涉條紋的峰值強(qiáng)度為：

在實際應(yīng)用中，為了清晰準(zhǔn)確地識別干涉條紋，需要保證干涉條紋的峰值強(qiáng)度遠(yuǎn)高于系統(tǒng)的本底噪聲。

2 應(yīng)變測量的基礎(chǔ)實驗

2．1 混凝土試件的準(zhǔn)備

為了研究光纖引伸計對應(yīng)變的響應(yīng)特性，我們用不同的方法制備了多種光纖混凝土試件。其中包括在制備混凝土?xí)r直接將傳感光纖埋入混凝土內(nèi)部，或者將傳感光纖粘貼在制備好的混凝土試件表面?；炷猎嚰伤?、水、沙子和骨料按照1∶0．5∶1．767∶1．593的重量比組成。水泥為52．5級或42．5級，使用篩子獲得骨料顆粒的直徑＜9．5 mm。將混凝土混合物分別澆注到尺寸為100mm×100mm×300mm和150mm×150mm×150 mm的金屬模具中。通常，提前一段時間制備混凝土試件，然后將制備好的試件放到養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)28d。

實驗中，共制備了4種混凝土試件：

1）用表面粘貼傳感器的方法進(jìn)行混凝土擠壓測試的試件。如圖4所示，用環(huán)氧樹脂將長度為104．6mm的傳感光纖粘貼在干凈的混凝土試件表面，并在傳感光纖附近粘貼一個常規(guī)引伸計，用于比較和校準(zhǔn)。制作混凝土試件所用的水泥為52．5級。

2）用表面粘貼傳感器的方法進(jìn)行混凝土劈拉測試的試件。制作方法與第一種試件相同，在試件表面粘貼一根長為103．8mm的傳感光纖和一個常規(guī)引伸計。制作混凝土試件所用的水泥也為52．5級。

3）用內(nèi)部埋入傳感器的方法進(jìn)行混凝土擠壓測試的試件，如圖5和圖6所示。共制備了4個這種類型的混凝土試件，其中前兩個用的是42．5級水泥，后兩個用的是52．5級水泥。埋在這4個試件內(nèi)部的傳感光纖長 度分別 104．32、102．51、103．64mm和106．12mm。

4）第四種是立方體結(jié)構(gòu)的混凝土試件。如圖7所示，通過在試件內(nèi)部埋入兩個互相垂直的光纖引伸計，對混凝土進(jìn)行二維的擠壓測試?；炷猎嚰某叽鐬?50mm×150mm×150mm。

在制備埋入傳感器的混凝土試件時，首先在模具中心安裝一根細(xì)線，利用該細(xì)線將帶有聚合物保護(hù)層的傳感光纖固定在金屬模具的中間 （如圖5和圖7所示），然后再將混凝土注入模具。對于上述的每種試件，光纖引伸計的尾纖都由帶有3mm直徑保護(hù)套的光纖光纜構(gòu)成。另外，作為輸入／輸出光纖，需要將光纖引伸計尾纖端面做成連接頭的形式，并對端面拋光以提高光的耦合效率。

2．2 應(yīng)變傳遞過程

回顧文獻(xiàn) ［1］中的討論，光纖傳感器的形變與式 （28）［1］中的反射鏡位移ΔX有關(guān)，因此可以通過測量ΔX來獲得光纖的形變量。但是需要注意，光纖所承受的應(yīng)變或形變與混凝土所承受的應(yīng)變或形變并不一定相同。光纖和混凝土所承受的應(yīng)變之間的關(guān)系取決于基體材料與光纖之間的結(jié)合特性，關(guān)于這方面的更詳細(xì)的討論將在后續(xù)的相應(yīng)文章中給出。如果基體材料與石英光纖之間的結(jié)合理想，那么可以近似認(rèn)為光纖與混凝土所承受的應(yīng)變相同。然而在實際應(yīng)用中，石英光纖外面通常會有一層聚合物涂敷層，該涂敷層的硬度要比石英和混凝土小得多。因此，即使基體與光纖之間是理想結(jié)合的，光纖外面的保護(hù)層仍然會對光纖引伸計的性能產(chǎn)生影響。顯然，光纖所受的應(yīng)力永遠(yuǎn)要比混凝土所受的實際應(yīng)力小。

混凝土的形變與光纖的形變之間的關(guān)系可以表示為：

也可以用應(yīng)變的形式表示：

式中α是常數(shù)，與光纖和基體材料之間的結(jié)合特性有關(guān)。對于不同的結(jié)合條件，通常需要對應(yīng)變計進(jìn)行標(biāo)定以確定α的值。在下一節(jié)的討論中，對于長約100mm的光纖引伸計，在用環(huán)氧樹脂粘貼在試件表面的情況下，α值為0．758；而在埋入試件內(nèi)部的情況下，α值為0．556。

2．3 表面粘貼光纖引伸計測量方法

如圖4所示那樣用環(huán)氧樹脂將長度為104．6 mm的光纖引伸計粘貼在清潔的混凝土試件表面的中間位置。擠壓與劈拉試驗的主要區(qū)別在于混凝土試件的安裝方式不同。實驗中所用的測試儀器是Instron 8505拉伸強(qiáng)度試驗機(jī)，見圖8。擠壓測試后混凝土試件的照片見圖9。劈拉測試時，混凝土試件的安裝示意圖見圖10。

圖11和圖12分別為擠壓測試和劈拉測試的引伸計輸出結(jié)果。圖中，光纖引伸計的數(shù)據(jù)是用應(yīng)變傳遞系數(shù)α＝0．758校正后的結(jié)果?？梢钥闯觯饫w引伸計的測試結(jié)果與常規(guī)引伸計的測試結(jié)果符合較好。而且無論對于擠壓測試還是劈拉測試，使用相同的應(yīng)變傳遞系數(shù)修正后，其結(jié)果都與常規(guī)引伸計的測試結(jié)果非常接近。這表明對于表面粘貼的光纖傳感器，其傳遞系數(shù)均為0．758。對于擠壓試驗，當(dāng)加載在混凝土上的應(yīng)變＞6 000微應(yīng)變時，環(huán)氧樹脂粘貼的光纖引伸計就會從試件表面脫落。對于劈拉測試，直到試件受到＞8 000微應(yīng)變時，光纖引伸計才脫落。

2．4 埋入式光纖引伸計測量方法

2．4．1 一維應(yīng)變測量

前面提到，混凝土內(nèi)部的光纖引伸計是通過位于模具兩側(cè)中心的細(xì)線固定的。對如圖6所示的內(nèi)部埋入式的混凝土試件進(jìn)行了測試。圖13所示為低強(qiáng)度混凝土試件 （42．5級水泥）的測試結(jié)果，圖14所示為高強(qiáng)度混凝土試件 （52．5級水泥）的測試結(jié)果。

在內(nèi)部埋入式混凝土試件的測試中，將2個相同的常規(guī)引伸計分別粘貼在混凝土試件相互平行的一對表面上，并使他們與試件內(nèi)部的光纖引伸計平行。以這2個常規(guī)引伸計測試結(jié)果的平均值作為常規(guī)引伸計的測試數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)乘以應(yīng)變傳遞系數(shù)0．556后，可以很好地與光纖引伸計的測試結(jié)果相符合。對于試驗中采用的所有4個混凝土試件，測試結(jié)果都符合很好，因而表明埋入式的光纖引伸計的傳遞系數(shù)為0．556。

2．4．2 二維應(yīng)變測量

對于埋入式二維光纖引伸計，兩段相互垂直的傳感光纖的長度分別為Lx＝103．22mm和Ly＝114．48mm。按照圖7所示的方法，用位于金屬模具中心相互垂直的兩根細(xì)線，分別將兩個光纖引伸器固定在立方體模具的中心。每個引伸計的尾纖端都做成FC型的連接頭，并對光纖端面研磨拋光以降低光信號的傳輸損耗。最后，同時沿Y軸方向（主軸）與X軸方向 （垂直軸）對立方體混凝土試件進(jìn)行擠壓。

圖15為二維測試后受損的立方體混凝土試件的照片。在測試過程中，沿混凝土試件X方向和Y方向上加載的應(yīng)變比為εy∶εx＝2∶1，應(yīng)變加載的示意圖見圖16。圖17為光纖引伸計測得的Y方向和X方向的應(yīng)變。從圖中可以看出，X方向與Y方向的應(yīng)變比為1：1．907，這與加載條件εy∶εx＝2∶1相符合。光纖引伸計與常規(guī)引伸計測試結(jié)果的比較見圖18，其中常規(guī)引伸計的數(shù)據(jù)是粘貼在試件表面的兩個引伸計的測量數(shù)據(jù)的平均值。結(jié)果表明，由光纖傳感器和常規(guī)引伸計測得應(yīng)變具有很好的一致性。

圖15 測試后受損的立方體混凝土試件照片F(xiàn)ig．1 5 Photograph of the failed cubic concrete specimen after test

3 溫度測量

為了研究光纖引伸計的溫度測量特性，我們對使用了一系列長度的傳感器進(jìn)行光纖白光干涉引伸計的溫度特性研究，獲得了傳感器長度與溫度靈敏度之間的關(guān)系。

實驗中，將長度為L的參考光纖耦合環(huán)盤繞起來并放置在溫度T0＝38．5±0．1（℃）的恒溫箱中，然后將光纖引伸計盤繞后放在溫變試驗箱中加熱。在光纖引伸計附近放置一個熱電偶，用于獨立監(jiān)測引伸計附近的溫度 （圖19）。當(dāng)光纖引伸計被加熱或冷卻時，傳感臂的光程會發(fā)生變化，因此掃描反射鏡的位置也隨之改變。圖20所示為干涉儀掃描反射鏡的位移與溫度變化之間的關(guān)系，其中傳感光纖的長度分別為587和925mm，光源的輸出波長為1 300nm。由圖20可見，在38．5～80℃區(qū)間，掃描反射鏡的位移與溫度之間的關(guān)系呈線性分布。

圖21為光纖引伸計的靈敏度與傳感光纖長度之間的關(guān)系。根據(jù)文獻(xiàn) ［2］中式 （41）可知，傳感器的靈敏度隨著傳感光纖長度的增加而線性增加，這與圖21中的測量結(jié)果是一致的。另外，系統(tǒng)的測量分辨率也與傳感光纖的長度密切相關(guān)。通常情況下，用標(biāo)準(zhǔn)偏差來評估傳感系統(tǒng)的分辨率。對于長度為587mm的傳感光纖 （圖20），測量得到系統(tǒng)的靈敏度為ζL＝6．8μm／℃，而計算的標(biāo)準(zhǔn)偏差為ES＝3．09μm，因此系統(tǒng)的分辨率為：

如果傳感光纖的長度增加至925mm，則靈敏度可以提高為ζL＝10．497μm／℃，對應(yīng)的系統(tǒng)分辨率可以達(dá)到χ＝0．687℃，見圖22。圖23給出了系統(tǒng)分辨率與光纖引伸計長度的實驗關(guān)系曲線。由圖23可見，可以通過增加傳感光纖的長度來提高光纖引伸計的分辨率。

4 CTOD測量

結(jié)構(gòu)的裂紋是直接影響結(jié)構(gòu)設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)使用壽命的重要因素。人們提出了多種斷裂力學(xué)模型試圖解釋混凝土結(jié)構(gòu)中斷裂的非線性特征［4］。一般認(rèn)為混凝土斷裂的非線性特性與裂紋尖端的微裂紋區(qū) （斷裂過程區(qū)）有關(guān)［5］。目前，大多數(shù)斷裂分析模型采用與裂紋張開位移有關(guān)的破壞帶或裂紋閉合壓力帶來描述斷裂過程區(qū)。這些分析模型的準(zhǔn)確性主要依賴于峰后應(yīng)力位移關(guān)系的選擇。其中裂紋尖端張開位移 （CTOD－Crack tip opening displacement）是決定斷裂特性的一個非常重要的參數(shù)。例如，通常認(rèn)為當(dāng)裂紋張開位移 （COD－Crack opening displacement）超過極限值時，就會發(fā)生裂紋擴(kuò)展或斷裂。因此，研究者利用LVDT （linear variable displacement transducer）位移計或裂隙引伸計來測量帶缺口或微裂紋的試件的裂紋張開位移。

顯然，以這種方式測得的裂紋張開位移要大于實際的裂紋尖端張開位移。這是由于與CTOD相比，COD表示距離中軸較遠(yuǎn)處的位移。而且，COD的大小通常表示的是裂紋的整體張開位移，而不是針對水泥基復(fù)合材料中形成過程區(qū)的形變?；谝陨显?，人們嘗試?yán)眉す馍吒缮娣y量結(jié)構(gòu)表面的形變來獲得CTOD［6］。這些研究揭示了在裂紋尖端存在局域微裂紋，張開位移與該區(qū)域的微裂紋之間的相關(guān)特性需要進(jìn)一步加以研究。所以，需要發(fā)展一種適用于埋入混凝土內(nèi)部測量微裂紋的高靈敏度傳感器。

這里，我們主要研究作為CTOD傳感器埋入式光纖引伸計在水泥基復(fù)合材料的斷裂力學(xué)研究中的應(yīng)用。光纖具有尺寸小、可任意分布等優(yōu)點，而且既可作為傳感器又可作為信號傳輸?shù)拿劫|(zhì)。光纖的這些特性對于監(jiān)測材料形變的埋入式光纖傳感器來說是非常重要的。另外，用于混凝土的CTOD傳感器還要滿足以下要求：具有足夠高的形變測量靈敏度；在兼顧傳感器的復(fù)雜性、儀器化和實用性的同時具有合理的成本；在工程應(yīng)用中易于安裝。在設(shè)計光纖引伸計的過程中綜合考慮了以上因素，并在單邊切口混凝土梁的3點彎曲條件下，對光纖引伸計在CTOD測量中的靈敏度和分辨率進(jìn)行了實驗分析。

實驗中，制作混凝土梁的水泥、沙子、骨料和水的重量比為1：2．43：2．74：0．46。其中水泥為符合ASTM C150標(biāo)準(zhǔn)的PortlandⅠ＃水泥，河沙用8＃篩子篩選，粗骨料用4＃篩子篩選。將攪拌好的混凝土澆筑到有機(jī)玻璃模具中，并將光纖引伸計 （一段抻直的帶有聚合物涂敷層的單模光纖）埋在距離模具切口頂端約1mm處，見圖24。測試前，將試件放在養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)約28d。

3點彎曲測試是在一個閉環(huán)測試系統(tǒng)中進(jìn)行的，在測試中通過控制裂紋的生長，使COD的生長速率為常數(shù)。利用LVDT位移計測量COD的值，同時利用光纖引伸計監(jiān)測CTOD。實驗中，共制作了4個相同的混凝土試件。實驗裝置結(jié)構(gòu)圖和實物圖分別見圖24和圖25。圖26為實驗測試結(jié)果，圖中的曲線給出了光纖應(yīng)變計測得的CTOD與加載之間的關(guān)系。

由LVDT位移計和光纖引伸計測得的COD、CTOD分別與混凝土試件的加載之間的關(guān)系見圖27。由圖27可見，無論是COD還是CTOD，他們與時間的關(guān)系都是非線性的。另外，圖28給出了CTOD與COD之間的關(guān)系，可以看出CTOD與COD之間整體關(guān)系是近似線性的，但是曲線的中間部分 （CTOD的60～120μm處）是非線性的。這說明在混凝土梁失效早期，裂紋尖端和裂紋開口處的發(fā)展是不同的。因此，認(rèn)為COD和CTOD之間是線性關(guān)系的斷裂模型是不完全準(zhǔn)確的。在圖27中，為了便于比較，分別給出了加載與COD和CTOD之間的關(guān)系。從圖中可以看出，COD的值比CTOD大得多，這主要是由于相對CTOD，COD的測量點離中性軸更遠(yuǎn) （約90mm）。大多數(shù)斷裂模型在建模時采用的是臨界COD值。在這些模型中，CTOD的值是根據(jù)線性關(guān)系從COD的測量值推導(dǎo)得到的。因此，我們可以利用圖28所示的曲線來檢驗這些模型的有效性。

圖26 埋入式光纖引伸計測得的CTOD與加載之間的關(guān)系Fig．2 6 CTOD vs．load measured by embedded fiber optic extensometer

5 溫度與CTOD兩用測量方法

前面已經(jīng)討論了光纖引伸計對應(yīng)變和溫度的測量能力。實際上，埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖引伸計具有雙重應(yīng)用。同一個傳感系統(tǒng)，可以用于監(jiān)測在建筑過程中和整個使用壽命內(nèi)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。埋入的光纖引伸計，既可以用來測量新澆筑的混凝土早期的溫度，還可以用來長期監(jiān)測混凝土微裂紋的張開位移或應(yīng)變。

利用上面的光纖傳感系統(tǒng)測量了新澆筑混凝土的溫度變化，并根據(jù)測得的溫度數(shù)據(jù)可以計算得到混凝土的成熟度。在將長度為172mm的光纖引伸計埋入新澆筑混凝土內(nèi)部后，對混凝土進(jìn)行了24 h的溫度監(jiān)測。為了評估光纖引伸計的性能，我們同時在光纖引伸計附近埋入一個熱電偶對溫度進(jìn)行獨立的測量。光纖引伸計與熱電偶的24h測量結(jié)果見圖30。

6 土力學(xué)傳感器的標(biāo)定

用于標(biāo)定埋入土體內(nèi)部的形變傳感器的試件結(jié)構(gòu)見圖31。它具有多層的外包層結(jié)構(gòu)，目的是增加傳感器與土體相互作用時的摩擦力，減小產(chǎn)生滑脫的可能性，使相互作用更加完全，改善傳感器與土體的相容性。由于土力學(xué)傳感器受外界因素影響十分顯著，因此使用前需要對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，通過標(biāo)定試驗結(jié)果，得到土體形變量與土力學(xué)傳感器形變量的相互對應(yīng)關(guān)系。

圖31 埋有土力學(xué)傳感器的標(biāo)定試樣Fig．3 1 Soil specimen with embedded fiber optic sensor for calibration

標(biāo)定試樣的制備過程如下：①將黏土加水飽和，覆蓋塑料薄膜，備用；②將300mm（長）×150mm（寬）×150mm（高）的有機(jī)玻璃模具中內(nèi)襯塑料薄膜；③將飽和土分兩次裝載到模具中；④其間，將長度為500mm的土力學(xué)光纖傳感器埋入距離標(biāo)定試樣底面高75mm的平面 （300mm×150mm）中央，即傳感器的標(biāo)定長度為300mm；⑤搗勻，夯實；⑥脫模后，用塑料膜包裹，靜置48h備用。

6．1 標(biāo)定試驗裝置

實驗中將具有正弦外包層結(jié)構(gòu)的土力學(xué)光纖傳感器埋入土體內(nèi)部，并施加外載荷，通過土體外部的形變量和光纖傳感器形變量的對比，得到形變傳遞系數(shù)。實驗裝置見圖32，標(biāo)定裝置由光纖應(yīng)變測試系統(tǒng)、微機(jī)、數(shù)字示波器、外部形變測量裝置等幾部分組成。外部形變測量裝置用于對土體外變形的測量，其測量分辨率為10μm。

6．2 實驗結(jié)果

標(biāo)定試驗的載荷施加面為300mm×150mm，以堆加標(biāo)準(zhǔn)砝碼為荷載，載荷增加量為每次1kg，外部形變測量裝置用于記錄土體試樣的外部變形，光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)記錄光纖土力學(xué)傳感器的伸長，其測試結(jié)果見圖33～圖35。

圖33為土體隨外部載荷的形變測試曲線，圖34為埋入的光纖傳感器隨外部載荷的形變測試曲線，圖35為標(biāo)定對比試驗結(jié)果。根據(jù)實驗結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

1）由圖33可知，在外載荷的作用下，土體的外部形變基本上是線性的；

2）由圖34可知，光纖土力學(xué)傳感器的形變與土體形變大體趨勢一致，但是在外載荷施加到94 kg時，出現(xiàn)突變點，開始進(jìn)入塑性區(qū)，而圖33中的實驗數(shù)據(jù)并未體現(xiàn)出來。原因是圖33測量的是外部平均形變，而圖34測量的是內(nèi)部形變，這也顯示出內(nèi)部和外部測量的細(xì)微差別；

圖35 土力學(xué)傳感器的標(biāo)定試驗結(jié)果Fig．3 5 Calibration results of soil fiber optic sensor

3）由圖35可知，光纖土力學(xué)傳感器可以較好的反映土體的形變，其形變傳遞系數(shù)為0．311（1／3．212），即土體形變量為1，光纖傳感器的形變量為0．311。

7 土壩模型形變的測量

在實驗中設(shè)計并制作了土體壩段的模型，將經(jīng)過標(biāo)定的光纖土力學(xué)傳感器埋入內(nèi)部，研究在外部載荷的作用下大壩的形變，目的是探索大壩形變的光纖監(jiān)測方法，為土石壩的健康監(jiān)測奠定基礎(chǔ)。

7．1 土壩模型

實驗室中制作的土體壩段模型為等腰梯形，寬度為400mm，高度為300mm，上邊寬為200mm，下邊寬為800mm，腰角為45°，見圖36。模型的制作材料選用與標(biāo)定試樣具有相同性質(zhì)的黏土。在模型不同的深度共埋設(shè)3個土力學(xué)傳感器。距頂面100 mm處對稱埋設(shè)有2個傳感器，分別編號為1＃和2＃傳感器，在50mm處埋設(shè)3＃傳感器。土體壩段安放在1 000mm（長）×400mm （寬）×500mm（高）的有機(jī)玻璃箱體內(nèi)，箱體的中央采用鋼梁加固，目的是約束模型厚度方向的形變，見圖37。圖38為埋入光纖傳感器的模型側(cè)面示意圖。

7．2 實驗結(jié)果

土壩形變試驗是通過在壩段模型頂面施加載荷，來模擬土壩的受力情況，通過埋設(shè)于模型不同深度中的光纖土力學(xué)傳感器來測量模型的形變。試驗中，同樣采用堆加標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式，載荷的增加量每次2kg。實驗結(jié)果見圖39。

8 邊坡模型形變的監(jiān)測

實驗中，還設(shè)計并制作了土體邊坡的模型，對高邊坡在載荷作用下的形變進(jìn)行了實驗研究。

8．1 高邊坡模型

實驗室中制作的高邊坡模型的外形為直角梯形，寬度為400mm，高度為400mm，上邊寬為150mm，下邊寬為550mm，腰角為60°。高邊坡可分為上下兩個部分，分別有基座和滑坡體構(gòu)成，二者之間構(gòu)成滑動面，滑動面與底面的夾角為30°。模型的制作材料選用與標(biāo)定試樣和壩段模型具有相同性質(zhì)的黏土。在邊坡不同的深度分別埋設(shè)2個土力學(xué)傳感器，據(jù)底面120mm處埋設(shè)1＃傳感器，在220mm處埋設(shè)2＃傳感器，要求傳感器穿越基座與滑坡體形成的滑坡面。模型同樣安放在300mm （長）×400mm （寬）×500mm （高）的有機(jī)玻璃箱體內(nèi)，箱體的中央采用鋼梁加固，目的是約束邊坡模型寬度方向的形變，見圖40。圖41是邊坡養(yǎng)護(hù)時的情形。

8．2 實驗結(jié)果

邊坡模型的加載面為坡頂面。試驗過程中，首先使滑坡模型的底面與水平面具有一個10°的夾角，目的是在施加外載荷時，增加滑坡體與基座產(chǎn)生相對的滑動趨勢，獲得較大的滑動位移。

試驗中，同樣采用堆加標(biāo)準(zhǔn)砝碼的方式施加載荷，增加量每次2kg。與壩段類似，同樣是通過施加荷載來模擬邊坡的受力情況，通過埋設(shè)于內(nèi)部不同深度中的光纖土力學(xué)傳感器來測量邊坡的形變。試驗結(jié)果見圖42。

圖42 埋入邊坡中的光纖傳感器形變測量實驗結(jié)果Fig．4 2 Fiber optic sensor deformation experimental results with embedded slope

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