姜 臻 劉婉秋 王書娟 王博實(shí) 陳志國

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

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季節(jié)性冰凍區(qū)高速公路的分布式路基無損檢測(cè)

姜 臻 劉婉秋 王書娟 王博實(shí) 陳志國

(大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116024)

通過應(yīng)用基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDR/A)，對(duì)鶴崗—大連高速公路，敦化附近ZT05標(biāo)段的一部分進(jìn)行了連續(xù)分布式路基結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，傳感器在嚴(yán)酷的施工條件和氣候條件下，可以成功存活，并且可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)高速公路的結(jié)構(gòu)特征。

高速公路，無損檢測(cè)，分布式監(jiān)測(cè)，季節(jié)性冰凍區(qū)

0 引言

近年來，我國的高速公路建設(shè)取得了極大的成果，我國國家高速公路網(wǎng)已基本全面完成。在未來的相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，如此大規(guī)模高速公路的養(yǎng)護(hù)問題已經(jīng)成為了我國公路建設(shè)新挑戰(zhàn)。目前有很多方法可以檢測(cè)公路路面的開裂，車轍，沉降等問題，但是并沒有很好的方法可以檢測(cè)土基的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，因此也無法判別公路病害是表層病害，或者是土基的深層病害在路面層的表現(xiàn)，從而無法確定公路是否需要大修[1]。在這樣的背景下，亟需利用新技術(shù)對(duì)土基進(jìn)行分布式的連續(xù)檢測(cè)。在我國最新建設(shè)的鶴崗—大連高速公路中，通過應(yīng)用基于布里淵散射的分布式光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高等級(jí)公路土基的較大規(guī)模的長(zhǎng)期結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，并保證了監(jiān)測(cè)的有效性和精確性。

將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到公路結(jié)構(gòu)中來，有以下幾個(gè)難點(diǎn)：首先是消除應(yīng)力傳導(dǎo)誤差。當(dāng)傳感器被埋入公路結(jié)構(gòu)中時(shí)，路面荷載作用于路面，由于荷載，沉降和凍融等問題而產(chǎn)生的應(yīng)力并不直接作用于傳感器上，這就意味著公路材料和傳感器之間存在著應(yīng)力傳遞[2]。光纖的彈性模量和公路結(jié)構(gòu)之間有著明顯的差別，兩者并不能直接的進(jìn)行協(xié)同變形，所以從光纖傳感器上采集的數(shù)據(jù)并不能真正反映公路結(jié)構(gòu)中變形狀態(tài)[3]。其次是提高存活性和耐久度。綜上，在傳感器的設(shè)計(jì)過程中，不光要對(duì)傳感器的傳輸測(cè)量光纖進(jìn)行保護(hù)，抵御復(fù)雜的施工以及氣候條件，與此同時(shí)還要保證傳感器能夠與公路結(jié)構(gòu)協(xié)同變形，準(zhǔn)確測(cè)量出公路結(jié)構(gòu)的健康狀況[4]。

鶴崗—大連高速公路，國家高速公路網(wǎng)編號(hào)G11，從黑龍江鶴崗市開始，貫穿黑龍江，吉林，遼寧三省，終于遼寧省大連市，全長(zhǎng)1 474 km，是國家高速公路“7918”網(wǎng)中的第一條縱線。試驗(yàn)所在位置位于吉林省敦化市，標(biāo)號(hào)ZT05路段，是吉林省交通科學(xué)研究院為開展季節(jié)性冰凍區(qū)科技示范工程而在鶴大高速沿線設(shè)置的試驗(yàn)路段。該地區(qū)冬季溫度低，全年最低溫度可以達(dá)到-30 ℃，年降水量630 mm。

1 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDR/A)

當(dāng)傳感器感應(yīng)到位移和溫度變化，布里淵散射光的頻率將會(huì)發(fā)生偏移，并且偏移量和溫度以及位移呈現(xiàn)出線性相關(guān)性。所以通過測(cè)量偏移量，BOTDR/A可以得到光纖上有關(guān)溫度和位移的分布信息[5]。

光纖的應(yīng)變和偏移量滿足式(1)：

v(B)(ε)=V(B)(0)+dvB(ε)ε/dε

(1)

其中，v(B)(ε)為當(dāng)應(yīng)變?yōu)棣艜r(shí)，布里淵散射光的偏移量；V(B)(0)為當(dāng)應(yīng)變?yōu)?時(shí)，布里淵散射光的偏移量；dvB(ε)/dε為相關(guān)系數(shù)，其值為493 MHz/με；ε為光纖的應(yīng)變值。

相比于應(yīng)變，溫度對(duì)布里淵散射光的偏移量較小，如果溫度變化小于5 ℃，其影響值可以忽略，當(dāng)溫度變化較大時(shí)，其可以由式(2)確定：

v(B)(ε)-dvB(T)(T-T0)/dT=V(B)(0)+dvB(ε)ε/dε

(2)

其中，dvB(T)/dT為溫度影響系數(shù)，其值為1 MHz/K；T-T0為溫度變化量。

2 傳感器結(jié)構(gòu)以及布設(shè)方案

傳感器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

傳感器由傳輸部、夾持部以及引出線組成，總長(zhǎng)約30 m。1根光纖組成了傳感器的主體，并且被半徑3.5 mm的鋼制鎧裝線保護(hù)。夾持部由環(huán)氧樹脂制成，經(jīng)過試驗(yàn)確定，環(huán)氧樹脂和光纖材料之間有很強(qiáng)的作用力，公路結(jié)構(gòu)的變形可以有效通過夾持部傳導(dǎo)至測(cè)量光纖。傳輸光纖和夾持部通過柔性的橡膠軟管連接，當(dāng)公路結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時(shí)，高強(qiáng)度的鎧裝線并不會(huì)發(fā)生大的形變，通過橡膠軟管可以將公路結(jié)構(gòu)中的形變傳導(dǎo)至光纖上[6]。

本次布設(shè)傳感器布設(shè)方案如圖2，圖3所示，測(cè)量區(qū)域全長(zhǎng)200 m，寬28.5 m。傳感器共10組，每組由2根標(biāo)距為1.2 m的傳感器組成，其中6組沿公路軸向埋設(shè)，首尾相連，用于監(jiān)測(cè)公路沿軸向的形變，另有4組傳感器橫跨整條公路，用于監(jiān)測(cè)公路橫向的形變。鋪設(shè)前先完成土基的施工建設(shè)，然后在預(yù)設(shè)的位置開挖深20 cm，寬20 cm的傳感器槽位，在布設(shè)傳感器后，把土基回填，進(jìn)行碾壓壓實(shí)。之后進(jìn)行半剛性基層和面層的鋪裝。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)范圍較大，所以在所布設(shè)的10組傳感器中，選取BO-1和BO-9兩組傳感器進(jìn)行分析。其中BO-1為沿公路軸向布設(shè)的6組傳感器之一，其作用為監(jiān)測(cè)公路軸向的土基的結(jié)構(gòu)健康。BO-9為橫跨公路布設(shè)的4組傳感器之一，其作用為監(jiān)測(cè)公路橫向是否有結(jié)構(gòu)變化。11月7日，進(jìn)行第一次數(shù)據(jù)采集，空氣溫度5 ℃，當(dāng)?shù)貏傔M(jìn)入冬季，尚未進(jìn)行首次降雪。12月31日，進(jìn)行第二次數(shù)據(jù)采集，空氣溫度-18 ℃，當(dāng)?shù)貫榇笱┨鞖?，積雪深度60 cm，土壤已經(jīng)進(jìn)入凍土狀態(tài)。將采集的數(shù)據(jù)，消除溫度影響后，得到結(jié)果見圖4,圖5。

圖4，圖5為在同一時(shí)間，對(duì)同一組中2個(gè)傳感器進(jìn)行的監(jiān)測(cè)，其中，圖4為BO-1中2種傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，從圖中可見，沿高速公路軸向方向，應(yīng)變分布較為均勻，并無明顯變化。圖5為BO-9中2個(gè)傳感器測(cè)得高速公路橫向應(yīng)變?？梢?，在路肩以及第一車道部位，應(yīng)變逐漸減小，變化較大。由圖可見，不管是BO-1或者是BO-9，2個(gè)傳感器都表現(xiàn)出了很強(qiáng)的相關(guān)性，因此，2個(gè)傳感器都能夠在嚴(yán)酷的施工和氣候條件下存活，并且都能夠很好的完成監(jiān)測(cè)高速公路土基中應(yīng)變特征的任務(wù)。

圖6為11月7日數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場(chǎng)，圖7為BO-1傳感器在11月7日與12月31日兩次數(shù)據(jù)采集中所得數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。由圖可見，沿公路軸向應(yīng)變分布比較均勻，可是在43.5 m～44 m的位置上，整個(gè)路基的應(yīng)變分布發(fā)生了很大的變化，數(shù)值連續(xù)激增了3 000 ε，可以確定，這一部分的公路結(jié)構(gòu)受到了一定程度的損壞，這個(gè)位置是日后發(fā)生由路基破壞產(chǎn)生病害的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖8為BO-9傳感器在11月7日與12月31日兩次數(shù)據(jù)采集中所得數(shù)據(jù)的對(duì)比圖。由圖可見，11月7日數(shù)據(jù)采集時(shí)，15 m～21.5 m處即位置為路肩以及第一車道的應(yīng)變較小，和其他部分有明顯差別。當(dāng)?shù)诙?2月31日采集時(shí)，15 m～21.5 m處的應(yīng)變發(fā)生小幅度增加，愈加接近公路結(jié)構(gòu)其他部分的應(yīng)變值，作為剛修筑3個(gè)月的高速公路，路基的應(yīng)力進(jìn)行了重新分配，使其趨于穩(wěn)定。這也證明了傳感器的敏感度和有效性。

4 結(jié)語

本次實(shí)驗(yàn)成功將光纖傳感技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于高速公路的健康監(jiān)測(cè)中。通過研制能夠有效反應(yīng)高速公路結(jié)構(gòu)特性的光纖傳感器，成功解決了在對(duì)公路結(jié)構(gòu)無破壞，不影響公路使用條件下，對(duì)高速公路的大規(guī)模監(jiān)測(cè)問題。傳感器實(shí)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)病害的位置，評(píng)估病害破壞程度的目標(biāo)。通過在高速公路中，大規(guī)模埋設(shè)此類傳感器，可以取得大量數(shù)據(jù)，通過分析，判別需要進(jìn)行大規(guī)模養(yǎng)護(hù)的位置，有選擇的進(jìn)行深度養(yǎng)護(hù)，具有極強(qiáng)的實(shí)踐意義。

[1] 侯俊芳,裴 麗,李卓軒,等.光纖傳感技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2012(1)：49-53.

[2] 王華平,劉婉秋,周 智，等.模擬層狀路面結(jié)構(gòu)體系的全尺度光纖傳感監(jiān)測(cè)分析[J].公路工程，2014(3)：90-93.

[3] Imai Michio, Feng Maria. Sensing optical fiber installation study for crack identification using a stimulated Brillouin-based strain sensor[J].Structural Health Monitoring，2012，11(5)：501-509.

[4] 劉永莉,孫紅月,尚岳全,等.基于BOTDR的傳感光纖固定方式研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010(9)：1353-1358.

[5] 宋牟平,鮑 翀,裘 超,等.結(jié)合布里淵光時(shí)域分析和光時(shí)域反射計(jì)的分布式光纖傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010(3)：650-654.

[6] Wanqiu Liu,Huaping Wang,Zhi Zhou.Optical fiber-based sensors with flexible encapsulation for pavement behavior monitoring[J].Structure Control and Health Monitoring，2015,22(2)：301-313.

The distributed NDT(Non-Destructive Testing) technology on the highway foundation in the seasonal frozen region

Jiang Zhen Liu Wanqiu Wang Shujuan Wang Boshi Chen Zhiguo

(DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Through the application of distributed optical fiber sensing technology(BOTDR/A) based on Brillouin scattering, this paper made continuous distribution roadbed structural health monitoring to Hegang-Dalian highway, near Dunhua ZT05 section, the monitoring results showed that the sensor in harsh construction conditions and climate, could survive, and could be accurately detected structure characteristics of highway.

highway, Non-Estructive Testing, distributed monitoring, seasonal frozen region

1009-6825(2016)13-0141-03

2016-02-27

姜 臻(1989- )，男，在讀碩士

U416.1

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