姜 臻 劉婉秋 王書娟 王博實 陳志國

(大連理工大學，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

姜 臻 劉婉秋 王書娟 王博實 陳志國

(大連理工大學，遼寧 大連 116024)

通過應用基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(BOTDR/A)，對鶴崗—大連高速公路，敦化附近ZT05標段的一部分進行了連續(xù)分布式路基結構健康監(jiān)測，監(jiān)測結果表明，傳感器在嚴酷的施工條件和氣候條件下，可以成功存活，并且可以準確監(jiān)測高速公路的結構特征。

高速公路，無損檢測，分布式監(jiān)測，季節(jié)性冰凍區(qū)

0 引言

近年來，我國的高速公路建設取得了極大的成果，我國國家高速公路網已基本全面完成。在未來的相當一段時間內，如此大規(guī)模高速公路的養(yǎng)護問題已經成為了我國公路建設新挑戰(zhàn)。目前有很多方法可以檢測公路路面的開裂，車轍，沉降等問題，但是并沒有很好的方法可以檢測土基的結構狀態(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，亟需利用新技術對土基進行分布式的連續(xù)檢測。在我國最新建設的鶴崗—大連高速公路中，通過應用基于布里淵散射的分布式光纖傳感器，實現(xiàn)了對高等級公路土基的較大規(guī)模的長期結構監(jiān)測，并保證了監(jiān)測的有效性和精確性。

將光纖傳感技術應用到公路結構中來，有以下幾個難點：首先是消除應力傳導誤差。當傳感器被埋入公路結構中時，路面荷載作用于路面，由于荷載，沉降和凍融等問題而產生的應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力傳遞[2]。光纖的彈性模量和公路結構之間有著明顯的差別，兩者并不能直接的進行協(xié)同變形，所以從光纖傳感器上采集的數據并不能真正反映公路結構中變形狀態(tài)[3]。其次是提高存活性和耐久度。綜上，在傳感器的設計過程中，不光要對傳感器的傳輸測量光纖進行保護，抵御復雜的施工以及氣候條件，與此同時還要保證傳感器能夠與公路結構協(xié)同變形，準確測量出公路結構的健康狀況[4]。

鶴崗—大連高速公路，國家高速公路網編號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1 474 km，是國家高速公路“7918”網中的第一條縱線。試驗所在位置位于吉林省敦化市，標號ZT05路段，是吉林省交通科學研究院為開展季節(jié)性冰凍區(qū)科技示范工程而在鶴大高速沿線設置的試驗路段。該地區(qū)冬季溫度低，全年最低溫度可以達到-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(BOTDR/A)

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

光纖的應變和偏移量滿足式(1)：

v(B)(ε)=V(B)(0)+dvB(ε)ε/dε

(1)

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

相比于應變，溫度對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，當溫度變化較大時，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，其值為1 MHz/K；T-T0為溫度變化量。

2 傳感器結構以及布設方案

傳感器結構示意圖見圖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。夾持部由環(huán)氧樹脂制成，經過試驗確定，環(huán)氧樹脂和光纖材料之間有很強的作用力，公路結構的變形可以有效通過夾持部傳導至測量光纖。傳輸光纖和夾持部通過柔性的橡膠軟管連接，當公路結構發(fā)生形變時，高強度的鎧裝線并不會發(fā)生大的形變，通過橡膠軟管可以將公路結構中的形變傳導至光纖上[6]。

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

3 監(jiān)測結果

本次實驗監(jiān)測范圍較大，所以在所布設的10組傳感器中，選取BO-1和BO-9兩組傳感器進行分析。其中BO-1為沿公路軸向布設的6組傳感器之一，其作用為監(jiān)測公路軸向的土基的結構健康。BO-9為橫跨公路布設的4組傳感器之一，其作用為監(jiān)測公路橫向是否有結構變化。11月7日，進行第一次數據采集，空氣溫度5 ℃，當地剛進入冬季，尚未進行首次降雪。12月31日，進行第二次數據采集，空氣溫度-18 ℃，當地為大雪天氣，積雪深度60 cm，土壤已經進入凍土狀態(tài)。將采集的數據，消除溫度影響后，得到結果見圖4,圖5。

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

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

圖8為BO-9傳感器在11月7日與12月31日兩次數據采集中所得數據的對比圖。由圖可見，11月7日數據采集時，15 m～21.5 m處即位置為路肩以及第一車道的應變較小，和其他部分有明顯差別。當第二次12月31日采集時，15 m～21.5 m處的應變發(fā)生小幅度增加，愈加接近公路結構其他部分的應變值，作為剛修筑3個月的高速公路，路基的應力進行了重新分配，使其趨于穩(wěn)定。這也證明了傳感器的敏感度和有效性。

4 結語

本次實驗成功將光纖傳感技術大規(guī)模應用于高速公路的健康監(jiān)測中。通過研制能夠有效反應高速公路結構特性的光纖傳感器，成功解決了在對公路結構無破壞，不影響公路使用條件下，對高速公路的大規(guī)模監(jiān)測問題。傳感器實現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)病害的位置，評估病害破壞程度的目標。通過在高速公路中，大規(guī)模埋設此類傳感器，可以取得大量數據，通過分析，判別需要進行大規(guī)模養(yǎng)護的位置，有選擇的進行深度養(yǎng)護，具有極強的實踐意義。

[1] 侯俊芳,裴 麗,李卓軒,等.光纖傳感技術的研究進展及應用[J].光電技術應用，2012(1)：49-53.

[2] 王華平,劉婉秋,周 智，等.模擬層狀路面結構體系的全尺度光纖傳感監(jiān)測分析[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].傳感技術學報，2010(9)：1353-1358.

[5] 宋牟平,鮑 翀,裘 超,等.結合布里淵光時域分析和光時域反射計的分布式光纖傳感器[J].光學學報，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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