[发明专利]一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置及方法。包括陶土棒、应变传感器、光纤光栅解调仪、计算机。将饱和状态的陶土棒埋置土壤，待陶土棒与土壤达到水势平衡后开启光纤光栅解调仪，装有应变传感器的活塞会随着土壤基质吸力的变化发生位移，从而引起弹性钢片和黏贴于弹性钢片上的FBG‑1产生应变，导致FBG‑1的波长发生改变，并由光纤光栅解调仪接收，FBG‑2对弹性钢片和FBG‑1进行温度补偿，从而获得剔除温度影响后的FBG‑1应变值，通过电子土壤张力计标定实验建立的土壤基质吸力与FBG‑1应变值之间的函数关系，得到FBG‑1应变值所对应的土壤基质吸力，实现监测土壤基质吸力的目的。

技术领域：

本发明公开了一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置及方法，涉及土壤基质吸力监测技术领域。

背景技术：

土壤基质吸力是决定非饱和土特性的关键参数，也是最难测量的土壤物理参数之一。土壤基质吸力主要存在于非饱和土中的水-气交界面上，并随着土壤含水率的减小而不断增大，常用土-水特征曲线(SWCC)来描述非饱和土基质吸力与含水率之间的关系。土壤基质吸力对于研究土壤的渗透系数、抗剪强度以及分析边坡、无支护基坑等土工结构的稳定性具有重要意义。

目前测量土壤基质吸力的方法主要包括轴平移技术、离心机法、电传导传感器法、热传导传感器法、滤纸法、渗析法和加热光纤法等。其中，轴平移技术所需的装置笨重、体积大、操作难度大，不适应野外实验，而且其结果容易受到气泡的影响；离心机法在离心的过程中土壤的体积容易变小，对土壤结构的扰动性大；电传导传感器法容易受到水中溶质浓度的影响，浓度过大将会无法准确测量，同时还存在遇水漏电问题；热传导传感器法需要确定每个传感器的校准曲线，时间过长容易老化，且受环境温度影响较大；滤纸法分为接触式和非接触式两种，其中接触式滤纸法中的滤纸和土壤做分离处理难度大，非接触滤纸法测量的吸力极大或者极小的结果误差大；渗析法需要在聚乙二醇(PEG)溶液中加入易于造成污染的青霉素，而且操作步骤较为复杂；加热光纤法在测试时需要对光纤进行脉冲加热，加热功率、加热时间等对原位监测结果产生一定影响。

光纤光栅(FBG)可以实现对外界物体的应变、温度等参量进行感测，随着近年来FBG制作和封装工艺的不断改进，其在抗拉强度、抗弯强度、灵敏度、耐腐蚀、稳定性等性能均有了很大提升，被广泛应用于岩土工程监测、地质灾害预警、地球物理探测、水利交通及石油化工等行业。其原理是利用光纤材料的光敏性，在纤维内形成折射率的周期性变化，使光的传播行为发生改变，对周围应变、温度发生变化极为敏感，会引起布拉格反射光中心波长λ_B的改变。当光纤光栅受到应变和温度变化时，其表达式为：

式中：Δλ_B为中心波长的变化量；Δε为应变变化量；ΔT为温度变化量；K_ε为应变传感灵敏度系数；K_T为温度传感灵敏度系数。通过上式可见FBG在应变和温度感测方面具有很高的灵敏度，因此在利用FBG进行应变测量时，温度变化往往无法避免，解决该问题最常见的方法是在测量应变传感器旁平行布置处于自由松弛状态的参考光纤，进而仅对环境温度变化敏感，以此达到温度补偿的作用。

本发明基于光纤光栅监测土壤基质吸力，当土壤基质吸力发生变化时会使应变传感器里的活塞发生位移，从而引起弹性钢片产生应变，导致FBG-1的中心波长发生改变，这种改变可由光纤光栅解调仪接收，通过计算机分析处理数据，包括把波长信号转化成应变和温度，FBG-2可对弹性钢片和FBG-1作温度补偿处理，从而得到FBG-1的真实应变值，最后通过电子土壤张力计标定实验，建立土壤基质吸力与FBG-1应变值之间的函数关系，得到真实应变值所对应的土壤基质吸力，实现监测土壤基质吸力的目的。与传统监测土壤基质吸力方法相比，该方法具有稳定性好、响应速度快、防水性好、操作简单、可实时监测等优点，适用于室内和野外原位监测实验，解决了传统监测土壤基质吸力的稳定性差、响应速度慢、防水性差、操作复杂、无法实时监测等难题。

发明内容：