Page 29 - 网络电信2020年4月刊下

解 决 方 案

的关键问题之一（朱鸿鹄等，2013）。为了准确测量压应变， 图 6 不同地表荷载条件下管周的土压力分布（单位：kPa）
在安装时均对光栅位置进行了预拉，预拉应变约为200με。为了
确保土中直埋的FBG传感器和土体变形一致，在光纤上设置了多
个管状的微锚固体（朱鸿鹄等，2013：吴涵等，2020）。前期
的试验研究证明，光纤上的微锚固体可以同时起到摩擦黏结和
点式固定的效果，因而大大提高了光纤和土体界面的峰值抗剪
强度，在小变形情况下有效防止两者之间出现滑脱（Zhang et
al.，2020）。
在试验前，将佳能EOS60D数码相机放置在模型箱正前方 1m
处的三脚架上，并保证其完全水平，用于连续拍摄加载过程中
土体表面的PIV图像。
3.试验过程
模型试验中，管道的埋置深度H分别设置为100、150和 采用前述介绍的方法计算了加载作用下管周产生的附加土
200mm，对应于埋深率H/D=1、1.5、2。试验中采用微机控制电 压力，计算中管道变形滞后效应系数Df取1.5，土壤反力模量E'
液伺服试验机对地表进行分级加载，并自动记录荷载大小和竖 取5MPa，基床系数Ks取0.1，土体泊松比v取0.25。经过计算，
向位移量。在试验过程中，采用苏州南智传感有限公司的NZS- 管周土压力分布如图6所示。由图可知，地面加载使得管道周边
FBG-A01型光纤光栅解调仪对FBG传感器进行连续读数，采集频 土压力明显上升，其中顶底两侧的土压力大于左右两侧。这种
率为1Hz。由于试验过程中室温基本不变，因此忽略环境温度对 现象是由于管道侧壁和底部外凸变形，引起土体对管道的弹性
FBG应变测值的影响。 抗力，约束管道进一步变形。
在拍摄试验照片时，将相机设为定焦模式，并封闭试验 图7为埋设于土中的FBG传感器测得的应变时程曲线。监测
区，防止相机镜头受干扰出现抖动情况。采用图像软件控制每 结果显示，1号和5号测点的土体压应变测值随着上部荷载的增
隔1分钟自动拍摄1次，照片像素为5184×3456。试验结束后， 加呈现出持续增加的趋势，且前期荷载大的情况下应变值明显
基于MATLAB平台，采用剑桥大学、西澳大学和皇后大学等联合 大于后期。理论上这两点处的应变值应该相等，但随着荷载的
开发的GeoPIV-RG软件（Stanier et al. 2016）分析处理拍摄 增加，二者的应变差值有所增大。分析其原因，主要是由于荷
的照片，以得到土体表面的位移场与应变场。由于试验时间较 载施加时出现一定的偏心。2号和4号测点关于模型箱中心线对
短，环境光场基本恒定，保证了拍摄相片的质量。在PIV分析 称。在试验过程中，这两处土体表现为逐级增大的拉应变。3号
中，种子区域相关性阈值和整体相关性阈值分别设置为默认推 测点位于加载板的正下方，从监测结果可以看出，该处的土体
荐值0.9和0.75。 始终处于受拉状态，且拉应变明显大于2、4号测点处，说明此
处土体变形最大。
四、试验结果及分析
1.管道受力及土体变形特征 图 7 H 水平面上 FBG 应变监测结果
以下选取管道埋深率H/D=1的试验结果进行分析。当地表荷
载分别为8、16、24、26、28、30和32kPa时，由各FBG传感器的
中心波长读数计算得到了如图5所示的管道应变数据，图中拉应
变为正，压应变为负。监测结果表明，管顶、底均处于受压状
态，且随着荷载的增加，应变不断累积；管道两侧发生持续增
大的拉应变。这些现象与传统的管道力学模型相吻合。经过强
度校核，在整个试验过程中，管道均处于弹性阶段，无塑性变
形。

图 5 加载过程中管道上 FBG 的应变监测结果
以下对比FBG和PIV获取的、对应位置处的土体水平向线应
变测值。图8显示，两种方法得到的土体应变演化趋势具有某些
相似性。在1号测点处，PIV捕捉到前三级荷载作用下的水平向
应变均为压应变，与FBG的监测结果吻合；但是随着荷载逐级增
加，PIV数据波动性明显加大，分析原因可能是由于模型箱侧壁
的摩擦效应对土体表面颗粒移动带来一些干扰。2号和3号为距
离加载板较近的测点，此处PIV监测到的应变变化与FBG相比规
律较差，但其量值明显大于FBG的测值。这说明，在土体发生小
变形时，FBG读数由于应变传递率等原因虽然偏小，但其稳定

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