应变监测扩大水泥混凝土路面进行基础的不均匀沉降

文摘

介绍了使用一个传感器基于光纤布拉格光栅(FBG),这是减少应变传递错误的能力,测量应变特性在顶部和底部层水泥混凝土路面不同程度的地基沉降。基于测量数据,分布的特点,详细分析了结构应变的变化。通过比较获得的测量结果与通过有限元分析,提出FBG-based传感器总成被发现能够有效地监测应变分布在水泥混凝土路面中,从而证明改进后的光纤光栅应变传感器是一个非常有前途的道路路面结构健康监测解决方案。

1。介绍

评估和监测结构的健康状况构成的一个重要组成部分土木工程在建设和运营。传统的结构应变监测技术不适合结构复杂或multi-interruption条件(1- - - - - -3]。光纤传感器的主要优点与传统监测技术包括免疫电磁干扰,其体积小,轻型结构,能够克服局限性[4,5]。光纤技术已广泛用于土木工程结构监测。Klar et al。6)评估地面位移参数优化程序使用这项技术,验证了该新技术的可靠性和现场试验获得的数据。最近,翁et al。7]报告监测结果的模型试验的沥青混凝土路面检测嵌入式光纤光栅应变传感器。周et al。8]介绍了一种光纤grating-based传感器组装,可以测量三维应变在大型结构。最近,越来越多的高速公路项目实施目标是扩大或重建旧的道路。然而,许多道路拓宽项目很快就看到许多纵向裂缝的出现,很快的完成建设(9- - - - - -11]。因此,研究道路拓宽项目具有非常实际的意义。到目前为止,这个问题引发了许多研究项目的成功实施。Qinlong et al。12)开发测试路基扩大。对于这些测试,他们雇佣了一层可溶性路堤填土下化肥、然后在地下水溶解。通过这种方式,他们模拟沉降差。通过使用一个大型离心机测试人员连同PLAXIS, Hortnz-Pedersen和kg13]分析了路基的变形特性软基础上扩大。Allersma et al。14]分析了扰动路堤填土路基和评估两种方法扩大的位置通过使用相同的意思。然而,值得注意的是,所有这些研究项目涉及non-system-model测试和原型观测资料缺乏。因此,这些研究的结果不能提供足够的数据支持路面结构破坏机理基于不均匀沉降或变形模型的基础。此外,很难建立一个完整的数值分析模型的扩大道路和变形分布和应变的分析条件,主要是因为这些因素非常复杂。由于模型箱的大小限制,传统的模型试验不能准确反映原型的力学性能。因此,有必要进行一个影响机制研究扩大水泥混凝土路面在不同程度的基础沉降的基础上,长安大学基础沉降的平台。本文主要描述了一个光纤光栅传感器的使用监控混凝土路面结构在全尺寸模型的应变特性测试。本文分为两个部分。在第1部分中,我们提出的物理背景布喇格光栅传感器和全尺寸模型试验的应用程序。在第2部分中,并给出了实验结果并与有限元方法(FEM)的模拟。

2。布喇格光栅技术的原则

光纤光栅是一种基于布喇格光栅传感技术与特定的波长反射光波。当一个宽带光源注入光纤,FGB将反映出窄谱的一部分光与特定的波长,然后生成一个特定的反射光谱。的关系是(15] 在哪里布喇格波长,一般1510 nm - 1590 nm;是核心的有效折射率;和是调制的索引。

反射的光都有一个特定的中心波长与光纤应变和温度的关系。的关系是(16] 在哪里布喇格波长的变化是由于外部条件的变化;是原来的布喇格波长;和和应变和温度的标定系数。

如图1光纤光栅传感器对温度的变化也非常敏感,因此,温度补偿问题必须解决。在测试期间,通过添加另一个温度传感器,温度同一领域的测量,然后测试应变值将被修改。

尽管光纤光栅传感器提供高精度和耐用性的优点,由于施工环境的不友好和土木工程的特点,FGB传感技术是有限的仪器布局、电缆保护,和数据分析,这将大大影响监测技术的推广和应用。具体地说,主要源于两个方面应用困难。第一个是准确的安装和现场保护光缆透射光栅。让光纤光栅反映变形、压力,和其他的物理值结构,它是必要的,以确保同步光纤光栅和对象之间的变形。在instrument-laying和以基本建设为主体的过程,由于恶劣的施工环境,光纤光栅和传输电缆很容易受到伤害。因此,实施有效的保护措施是很重要的。此外,准确获取路面结构及其变化的应变与温度、光纤光栅读数必须隔离过程中应变和温度长期监测。未能实现温度补偿,环境温度改变1°C,产生一个应变误差约为9με。因此,如果这个问题不妥善处理,监测数据不反映网站的真实状态。

3所示。模型试验

3.1。地基沉降模拟系统

拓宽路基的沉降的主要来源是基础沉降差。电梯系统模型的测试仿真平台由液压千斤顶、可以模拟沉降值和地基的沉降速度。测试平台的多个平台面板组装到一个“地面”,手动控制,而平移和旋转运动通过使用活动面板的控制下升力系统,通过模拟实际的表面可以近似基础沉降。基础沉降系统如图2。在测试期间,不同的点基础地基沉降值模拟通过调整提升的程度在不同的杰克的位置。的最大沉降基金会()被设置为新路基的肩膀位置,而最小值为基础将旧路基中线,代表两个位置之间的差异。在测试期间,不同的变形曲线是由升降系统。的测试的值被设置为2厘米到10厘米的控制系统,分析了水泥混凝土路面的应变响应基础沉降。

3.2。光纤光栅传感器的焊接方法

然而,薄,光纤本身只有有限的张力和剪切强度;因此,有效的应用传感器实验是非常重要的保护措施。保护光学光纤光栅传感器,金属管道常用的包,以及嵌入混凝土应变计。因此,tube-packaged光纤光栅传感器独立模型试验的设计和制作。在光纤光栅封装成一个管,热的裸光栅被包裹在四层塑料管,如图3。这种包装技术保证了光纤光栅传感器的存活率。旧路面的半宽度6米旨在扩大到10米。路基的横向长度10米。评价土工格栅的贡献中嵌入路基路面的性能的增强,一半的路堤与两层土工格栅加固。顶部和底部的水泥混凝土层与四十光纤光栅应变传感器,检测被分成四组,两组的路堤和另两套nonreinforced路堤。每组传感器检测在横中线的顶部和底部混凝土层。

在实验期间,这些传感器可以执行应变的实时监控的混凝土路面结构,只有少数失败的测试,由于过度的路面开裂。使温度补偿、5毫米金属管被用来包光纤光栅,从而制造嵌入式光纤光栅温度计。纤维长度有一些冗余的金属管道,以确保光栅总是以一种轻松的状态在使用,不受外部压力。

照片的光纤光栅传感器的结构如图4。收集温度数据,然后使用特定的公式,测试应变值修正,如下:

4所示。分析测试结果

图5说明了在水泥混凝土路面应变之间的关系和基础的不均匀沉降。从图5可以看出,水泥混凝土路面结构的顶层产生拉伸应变的影响下地面的不均匀沉降情况。压力逐渐增加而增加。用小的大小是相对稳定阶段观察到达到8厘米。当然而,超过8厘米,压力开始增加更快。在这一点上,由于额外的压力相当大的不均匀沉降引起的地面,在路面结构破坏的发展和开裂发生在表面,如图6。比较数据5(一个)和5 (c)显示,由于土工格栅的应用,在图5(一个)相对较低的最大价值586和594在图5 (c)而不应用土工格栅。这是由于土工格栅增强土壤的固结效果的身体,帮助缓解路面的附加应变以及地面的不均匀沉降。相反,从数据5 (b)和5 (d)可以看出,增加地面的不均匀沉降,路面展品的底部拉伸应变的变化,表现出类似的应变特征的数据5(一个)和5 (c)。因此,应变变化规律基本上是兼容的基础的不均匀沉降。由于天然地基的不均匀沉降和路基的不均匀的压缩变形和地面的累积变形,新道路的路基拓宽工程,特别是当放在柔软的基础,受到表面不均匀沉降,可能导致凹陷在人行道上。这些洞穴是最有可能形成新路基沿中心线。在其他地方,比如在拼接接头范围(以中线为基准,从−2 m左边右边1 m),过多的沉降或变形不太可能发生由于负载限制被超过。

5。通过有限元分析比较分析

的目标应用有限元分析(FEA)来验证光纤光栅传感器在大规模模型的可靠性测试。数学建模是设计的基础上大规模测试,如图7。分析过程主要考虑地基的不均匀沉降,在步骤增加1厘米,共有24种不同的工作环境。

如图8,应变数据节点1到12观察,以便获得混凝土路面的应变曲线进行基础的沉降差(图9)。从图9,我们可以看到点远离中心线在3.55米到9.19米范围内的表层承担大部分的额外的拉伸应变,而其他位置压缩应变。节点3和节点之间的4个地区,路基带5.51米的中心线熊最大的拉伸应变,暗示人行道上的顶面,拼接区域附近产生的最大附加张应力的微分基础沉降,哪里有一个不利的位置结构层以及机械控制领域。比较图9(一个)与图9 (b),铺设土工格栅在新老路基拼接区域可以大大减轻附加应变引起的地基的不均匀沉降。当沉降差值达到10厘米到13厘米,应变速率节点4变得越来越小,然后逐渐稳定。张力应变10节点,位于某一时刻土工格栅不是放下,展品延续上升趋势。通过综合分析,有限元数值分析的结果和光纤光栅传感器的监测是大体一致的。

6。结论

光纤传感器用于large-scale-model道路路面层的考验。结果,水泥混凝土路面层应变特性服从微分结算可以有效地监测和评估的基础。敌对的施工环境中有效地保护传感器,从而实现合理的监控数据,保护系统基于tube-package开发和实现。比较测量和有限元分析结果表明,两种结果表现出相同的变化趋势,表明改进后的光纤光栅应变传感器构成一个非常有前途的解决方案应用到道路路面结构健康监测,以及其他民用建筑。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作得到了国家自然科学基金(授予号。51008032和51008032)。

引用

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