Page 27 - 网络电信2020年4月刊下

解 决 方 案

（朱鸿鹄等，2013，2020；施斌等，2019）。近年来，一些学 图 1 FBG 传感原理图
者将光纤传感技术应用于解决地下管线变形、泄漏和腐蚀等
监测难题，得到了一些初步的经验（胡盛等，2008；Feng et
al.2018；吴海颖等，2019；孙梦雅等，2019）。在加拿大，
Cauchi（2007）等采用光纤白光干涉传感技术，成功获取了斜
坡上输气管道的弯曲变形特征。Glisic和Yao（2012）在两组足
尺试验中，用光纤感测技术监测了由地震引起的埋地管道及其
周边土体的永久变形，并提出了光纤现场布设的建议。Simpson
et al.（2015）在室内模型试验中，通过环向布设的分布式感
测光纤成功监测到不同材质管道在加载作用下的应变分布。其
结果显示，光纤传感器与电阻应变片相比精度更高，信息量更
全。
粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）
温度和轴向应变是引起FBG反射光中心波长变化的两个直接
是一种应用广泛的数字图像测量技术，也称为数字图像相关
物理量。当环境温度或者光纤所受应变发生改变时，中心波长
（digital image correlation, DIC）技术。该技术将被测介
λ B 发生相应的漂移量。通过获取λ B 的变化量，可以实现应变或
质的变形看作为颗粒低速流动的过程，通过比对变形前后照片
温度量值的绝对测量。若温度保持不变，FBG 所受应变和中心
的关联性，获得应变场、位移场（Adrian et al.，2005）。
波长漂移量Δλ B 的关系可以表示为：
Huang et al.（2015）利用该技术跟踪监测了砂土中管道的
Δλ B = Δε（1-P e )λ B （2）
上拔破坏特征。为了测量冻土试样的冻胀变形，刘振亚等
式中：Δε为光纤轴向应变的变化量，P e 为有效光弹系
（2018）系统研究了光场、表面纹理和相关度参数等对 PIV 分
数。若把初始中心波长不同的FBG传感器串联于同一根光纤上，
析结果的影响。倪钰菲等（2020）开展了锚板抗拔破坏试验，
则可以实现光纤上各点应变的准分布式监测。
利用PIV技术成功揭示了地基密实度和锚板埋深对土体的变形
2.PIV测试技术
破坏模式的影响规律。将光纤传感和数字图像测试技术结合使
PIV技术通过图像匹配实现非接触、动态的变形测量，其
用，在地质工程相关的试验研究中可以互相验证，从而得到更
基本测试原理如图2所示（White et al.，2003；李元海等，
加可靠的规律性认识（Kapogianni et al. 2010；Zhang et
2004）。在应用该技术时，先利用高清数码相机拍摄照片，然
al. 2018；吴涵等，2020）。Zhang et al.（2016）和李飞等
后将照片分割成若干均匀的初始网格，通过图像网格之间的交
（2017）对比分析了地基加载试验中PIV和光纤传感器的变形监
叉函数技术进行图像匹配，得到所有网格中心点的像素位移，
测结果，发现两者的发展趋势较为一致。但是前者属于非接触
最终获取整个图像的位移场、应变场等。将这一技术应用于岩
式测量技术，测的是土体侧面的应变，因此会受到模型箱边界
土模型试验，可捕获砂土颗粒的运动模式和应变积累过程，准
的摩擦效应的影响；后者测的是土体内部的线应变，因此理论
确揭示土体的局部化变形、剪切带生成和渐进性破坏等过程。
上应该更为准确，但是监测结果的可靠性受到纤—土界面变形
由于砂土表面有一定纹理，可直接作为变形信息的载体，无需
协调的约束，因此在很多情况下测值偏小。在柴敬等（2019，
设置侵入性的示踪粒子。该方法的精度取决于图像的拍摄质量
2020）开展的煤层开采模型试验中，也观测到了类似的现象。
和像素数量。在应用前，需要通过严格的标定、校准，确定图
他们认为，采用岩体-光纤耦合性系数可以描述这种效应，当两
像位移和实际位移的坐标转换方式，防止图像畸变对测量结果
者发生解耦后，光纤监测结果可以定性反映采动覆岩的破断程
的影响。
度和范围。
本文基于光纤布拉格光栅（FBG）传感技术，提出了基于光 图 2 PIV 技术原理示意图
纤应变测值反演管周土压力及管体弯矩的计算方法；同时结合
PIV 技术，通过 1g 模型试验研究了地面加载作用下管—土的
相互作用特征，并探究了埋深率对管周土体变形的影响规律。
一、测试原理及方法
1. FBG传感技术
FBG传感技术利用掺锗光纤的光敏现象，通过特殊的制作工
艺使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折
射率发生周期性变化（施斌等，2019）。该技术的原理如图 1
所示，当入射光进入光纤时，光栅会反射特定中心波长的光，
该中心波长满足以下条件：
λ B =2n eff Λ （1)
PIV技术识别位移场的两个重要参数是种子区域相关性阈值
式中：n eff 为光纤的有效折射率，Λ为光栅周期。

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