過震文，楊 群，賴健聰

(1.上海市市政規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，上海 200031；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，公路建設(shè)取得了令人矚目的成就，公路里程逐年上升，隨之產(chǎn)生的重載超載現(xiàn)象也越來越常見，很多道路提前出現(xiàn)了損害，嚴重影響道路交通的服務(wù)水平[1]。為保證壽命周期內(nèi)道路運營的安全及高效，需要對道路結(jié)構(gòu)信息進行全方面了解，其中道路交通軸載數(shù)據(jù)是一項重要數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段軸載監(jiān)測主要采用感應(yīng)線圈法、動態(tài)稱重法等方法[2]，存在速度慢、數(shù)據(jù)準確性不高、無法長時間連續(xù)監(jiān)測的問題，難以滿足實際道路運營管理的需求。

隨著光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測的應(yīng)用案例越來越多[3]，在工程結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、道路裂縫檢測等方面均存在相關(guān)研究[4]。目前，根據(jù)光纖損耗機制的不同可將光纖傳感技術(shù)按照工作原理分為散射類、彎曲類和吸收類3類，本研究采用的分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖彎曲損耗機制。張靜等[5]基于光纖光柵傳感技術(shù)進行半剛性基層瀝青路面動力響應(yīng)現(xiàn)場測試，確定了有限元瞬態(tài)分析的動力學原理、荷載條件、邊界條件及材料參數(shù)，并據(jù)此建立了瀝青路面三維有限元模型。哈爾濱工業(yè)大學譚憶秋等[6]采用靜態(tài)及動態(tài)兩種加載模式，對不同模量的傳感器開展了協(xié)同變形評價試驗。結(jié)果表明，光纖光柵傳感器實測應(yīng)變與理論計算應(yīng)變有較好的線性相關(guān)性，經(jīng)變形修正后可以用于路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變測試。東南大學錢振東等人[7]對BOTDA技術(shù)用于監(jiān)測瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層的殘余變形和裂縫進行了探索試驗。在室內(nèi)三點彎曲疲勞試驗中采用HOT-DA監(jiān)測鋪裝層裂縫疲勞擴展的過程，給出了以光纖應(yīng)變?yōu)樽兞康牧芽p擴展模型并提出了裂縫疲勞擴展規(guī)律?？偨Y(jié)來看，光纖具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、可連續(xù)監(jiān)測等優(yōu)點[8]，能夠滿足道路交通軸載監(jiān)測的需求，將分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于道路交通荷載監(jiān)測有可行性[9]。為了厘清光纖信號的變化規(guī)律，本研究在室內(nèi)試驗的條件下探究光纖敏感值與荷載大小、環(huán)境溫度的關(guān)系。

為研究光纖信號與荷載大小、環(huán)境溫度間的定量關(guān)系，首先需要建立分布式光纖傳感測試系統(tǒng)，然后通過成型埋置光纖傳感器的車轍板試件，以室內(nèi)漢堡車轍試驗儀作為試驗平臺[10]，獲取不同溫度和荷載條件下的光纖信號，探究溫度、荷載兩個因素與光纖信號敏感度的關(guān)系，從而為分布式光纖在道路工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗設(shè)計

分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖的空間連續(xù)特性，可對沿光纖長度分布的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)進行連續(xù)測量[11]。光纖因為受到外部荷載作用而出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象[12]，光纖彎曲根據(jù)彎曲形態(tài)可分為微彎彎曲和宏彎彎曲[13]。光纖彎曲會導致傳輸光的光功率減小，主要包括不可恢復光損耗和可恢復光損耗。由于吸收、散射、永久變形等原因引起的光功率值減小而不可恢復的現(xiàn)象稱為不可恢復光損耗[14]；結(jié)構(gòu)物彈性變形導致光纖彎曲變形引起的光功率值減小，且彈性變形恢復后光功率值也隨著恢復，這種光功率減小即為可恢復光損耗[15]。

分布式光纖傳感系統(tǒng)主要由傳感光纖、光源、光電探測裝置、供電裝置和數(shù)據(jù)采集裝置等組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。激光光源可發(fā)射穩(wěn)定波長激光，光纖既作為傳感元件又作為傳輸元件，被埋入瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中，光電探測器在光纖另一端接收激光信號，并將激光信號轉(zhuǎn)化成電信號。在瀝青混凝土的成型及加載過程中，光纖隨著瀝青混凝土的變形而產(chǎn)生變形，光纖出現(xiàn)光損耗現(xiàn)象，并且荷載越大，光損耗的值也越大。采用室內(nèi)漢堡車轍試驗對不同溫度和荷載作用進行模擬，選取由深圳某公司生產(chǎn)的裸光纖，采用蘇州某公司生產(chǎn)的激光光源作為傳感測試系統(tǒng)的光源模塊，PD探測器作為光電探測模塊。激光光源的輸出波長為1 550 nm，輸出功率為3 mW，接口采用FC接口；光電探測模塊的工作頻率為30 MHz，單通道，直流耦合，飽和輸入光功率為5 mW，采用SMA形式的信號輸出接口；信號采集模塊利用數(shù)據(jù)采集卡和對應(yīng)的軟件。

圖1 分布式光纖傳感系統(tǒng)Fig.1 Distributed optical fiber sensing system

試驗首先需要成型車轍試件，試件成型步驟為：加工車轍試模、成型下層板、放置光纖、成型上層板、脫模、形成5 cm厚且包含光纖傳感器的雙層板瀝青混凝土試件。采用0.9 mm裸光纖作為傳感材料[16]，分別在雙層車轍板試件內(nèi)部的①、②和③號位置處埋設(shè)光纖，布設(shè)深度為2 cm，光纖布設(shè)方式均為雙線布設(shè)，如圖2所示。室內(nèi)漢堡車轍試驗設(shè)備及車轍試件形態(tài)如圖3所示。

圖2 光纖傳感器布置示意Fig.2 Schematic diagram of layout of fiber optic sensors

圖3 漢堡車轍試驗設(shè)備及車轍試件Fig.3 Hamburg rutting test equipment and specimen

本試驗設(shè)置了溫度和荷載兩個自變量，試驗計劃及參數(shù)指標如表1所示，分別在不同溫度和不同荷載的作用下采集光纖信號。溫度變化通過控制漢堡車轍試驗儀恒溫箱來調(diào)節(jié)，荷載大小調(diào)節(jié)通過增減配重來實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集過程按照表1中的序號來進行，光纖信號采集頻率為500 Hz，每次數(shù)據(jù)采集在加載持續(xù)5 min 后開始，采集時長為1 min。

表1 試驗計劃Tab.1 Experiment scheme

2 試驗成型與數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)預(yù)處理

分別在不同溫度下采集車轍板試件中①號光纖傳感器的信號數(shù)據(jù)，試驗過程共收集18組光纖信號數(shù)據(jù)，其中30，45，60 ℃條件下各有6組。以30 ℃時的數(shù)據(jù)為例，采用移動平均法對6組不同大小荷載作用下的光纖信號曲線進行預(yù)處理[17]，得到如圖4所示的①號光纖的信號曲線。

由圖4可知，光纖信號曲線中的波谷處對應(yīng)荷載經(jīng)過光纖正上方，在不同大小荷載的作用下，光纖信號呈現(xiàn)出周期性的波動特征，信號曲線可以表征光纖傳感的加載特征和荷載的周期性特征。

圖4 不同荷載作用下光纖信號曲線Fig.4 Fiber signal curves under different loads

圖5 局部光纖信號Fig.5 Local fiber signal

選取20～40 s階段共計7個周期的光纖信號進行分析。結(jié)合①號光纖與荷載的相對位置，局部放大圖4虛線框內(nèi)一個周期的光纖信號，如圖5所示，其中t2～t7為一個周期。定義加載階段和無載階段兩個狀態(tài)，t1～t3為加載階段，t3～t4為無載階段。光纖信號強度在t1、t4時刻開始減小，此時為加載階段的開始時刻；光纖電壓在t2、t5時刻達到極小值V1，此時小輪正好運動到光纖正上方。t1～t2階段、t2～t3階段分別為對應(yīng)光纖的荷載加強段和荷載減弱段，并且t3、t5取值各自滿足t3-t2=t2-t1，t5-t4=t6-t5。t2時刻、t4時刻分別對應(yīng)光纖電壓值V20和V21。定義光纖信號強度為光纖無載階段的電壓平均值，即V2=(V20+V21)/2；定義光纖敏感值為光纖無載階段的電壓平均值(即光纖信號強度)與光纖加載階段電壓極小值之差，即V△=V2-V1，代表在加載過程中信號電壓的減小量。

2.2 光纖信號敏感度與荷載大小關(guān)系

在30 ℃條件下，針對不同荷載作用下20～40 s階段共約7個周期的光纖信號，計算以下各項：加載階段電壓極小值V1，該時刻漢堡車轍試驗輪荷載經(jīng)過光纖正上方；無載階段的電壓平均值V2，該時刻荷載對光纖信號無影響；光纖敏感值V△，光纖無載階段電壓平均值與加載階段電壓極小值之差，即V△=V2-V1，可反映荷載水平高低。荷載與以上三者的關(guān)系見圖6。

圖6 30 ℃條件下V1，V2，V△與荷載大小關(guān)系Fig.6 Relationship between V1，V2，V△ and load magnitude at 30 ℃

由圖6可知，隨著荷載的增大，無載階段光纖信號平均值V2、加載階段信號極小值V1和光纖信號敏感值V△三者均呈現(xiàn)出增大趨勢。其中，V1與V2兩者的增大趨勢類似，V△則表現(xiàn)出與荷載較好的線性相關(guān)關(guān)系。

分析認為，車轍板試件為雙層板結(jié)構(gòu)，光纖傳感器處于雙層板之間。在試驗中，第一次荷載加載大小是950 N，荷載作用3 min之后逐級減小荷載，每級荷載作用時間為3 min，上一級加載會造成下一級加載時光纖敏感值出現(xiàn)偏差，荷載作用時間持續(xù)累積。車轍板試件受荷累積時間越長，混合料被碾壓得越密實，埋置在雙層板之間的光纖受微變形也越嚴重。因此，光纖的不可恢復光損耗增大，光通量變小，故光纖信號強度的絕對值隨著荷載減小而逐漸減小。另一方面，光纖敏感值可反映荷載大小，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合而得的方程可知光纖敏感值與荷載大小呈現(xiàn)良好的正相關(guān)關(guān)系，基于擬合得到的公式可由光纖信號響應(yīng)逆推得到膠輪荷載大小。

分別在3個溫度30，45，60 ℃下進行了循壞加載，不同環(huán)境溫度下光纖敏感值的變化情況如圖7所示。

圖7 不同溫度下光纖信號敏感度值變化Fig.7 Fiber signal sensitivity varying with temperature

由圖7可知，不同環(huán)境下光纖敏感值與荷載大小皆呈現(xiàn)線性正相關(guān)關(guān)系。分析認為，雙層板相鄰表面集料間的嵌擠作用隨著荷載的增大而增大，這使得處于雙層板之間的光纖的局部微彎效應(yīng)得以加強，從而增加了光纖光損耗，即光纖信號敏感度隨著荷載的增大而不斷加強。另外，45 ℃和60 ℃時，光纖敏感值較30 ℃時大，分析認為，瀝青混凝土板在高溫狀態(tài)時碾壓變形大，光纖在荷載作用下光通量減小較多，導致光纖敏感值較大。實際采用光纖傳感器監(jiān)測交通軸載時推薦在45～60 ℃范圍內(nèi)進行。

2.3 光纖信號敏感度與環(huán)境溫度關(guān)系

在30，45 ℃和60 ℃溫度條件下，700～950 N(以50 N為一個梯度)荷載作用下，分別測試光纖信號強度值并計算光纖敏感值V△，得到光纖信號敏感度與溫度的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 光纖信號敏感度隨溫度變化曲線Fig.8 Curves of optical fiber signal sensitivity varying with temperature

由圖8可知，隨著溫度升高，光纖信號敏感度呈現(xiàn)出上升趨勢，且在 30～45 ℃溫度區(qū)間上升速度較快，在45～60 ℃溫度區(qū)間則較慢。前者在溫度上升15 ℃時，平均值增大0.039 V，后者只上升了0.004 V。同時，光纖信號敏感度值在各溫度分散程度存在差異：30 ℃時較為集中，45 ℃和60 ℃時則較為分散。計算30，45，60 ℃這3個溫度條件下光纖敏感值V△的方差以衡量其分散程度：對應(yīng)的結(jié)果分別為0.004V2，0.01V2，0.011V2。從結(jié)果可見，方差總體上呈現(xiàn)增大趨勢，其中45 ℃方差值較 30 ℃ 增大較多，卻與60 ℃方差值基本相等。

分析認為，瀝青混合料是由瀝青膠結(jié)料和骨料為主要成分的非均勻混合材料，具備瀝青膠結(jié)料的溫度穩(wěn)定性較差這一性質(zhì)[18]。同時作為一種復雜的不均勻黏-彈-塑性材料，其對溫度的變化響應(yīng)特別明顯。溫度較低時，包裹在骨料表面的瀝青表現(xiàn)為彈性，瀝青混合料呈現(xiàn)出明顯的線性受力變形特征。

此時，雙層板上下兩層瀝青混合料在荷載作用下相互擠壓，裹覆在骨料外層的瀝青膜相互接觸，與光纖形成“骨料-厚瀝青膜-光纖-厚瀝青膜-骨料”的接觸結(jié)構(gòu)。在厚瀝青膜的保護下，光纖局部變形較小，可恢復光損耗值較小，導致光纖敏感度值也相對較小。溫度較高時，包裹在骨料表面的瀝青流動性加強，瀝青混合料呈現(xiàn)出明顯的黏性特征。此時，雙層板上下兩層瀝青混合料在荷載作用下發(fā)生擠壓，而瀝青流動性加強使得包裹在骨料表面的瀝青膜厚度逐漸減小，這樣形成的接觸結(jié)構(gòu)變?yōu)椤肮橇?薄瀝青膜-光纖-薄瀝青膜-骨料”，故而光纖發(fā)生的局部變形較大，可恢復光損耗也增大，導致光纖敏感度值相對較大。

另一方面當溫度較低時(30～45 ℃)，瀝青稠度較大，強度和黏結(jié)性能比較優(yōu)異?；旌狭系闹饕獜姸葋碓从谀z料和膠料黏結(jié)，抗壓能力由膠結(jié)料性能、膠結(jié)料黏結(jié)性能以及骨料嵌鎖作用提供。而瀝青膠結(jié)料對于溫度的敏感性導致溫度升高時，混合料的模量下降，這個階段裹覆在骨料表面的瀝青膜逐漸變薄，光纖的接觸結(jié)構(gòu)由“骨料-厚瀝青膜-光纖-厚瀝青膜-骨料”逐漸變?yōu)椤肮橇?薄瀝青膜-光纖-薄瀝青膜-骨料”，使得光纖在低溫域時，其敏感度值變化速度較快。當溫度逐漸升高時，骨料嵌鎖作用變得明顯，溫度的變化導致的瀝青性能變化對光纖的接觸結(jié)構(gòu)影響相對較小，接觸結(jié)構(gòu)逐漸維持在“骨料-薄瀝青膜-光纖-薄瀝青膜-骨料”，使得光纖在高溫域(45～60 ℃)時，其敏感度值長期維持在一個水平，且變化速度較慢。

3 結(jié)論

通過分布式光纖的室內(nèi)漢堡車轍試驗研究，可以得到以下初步結(jié)論：

(1)在室內(nèi)漢堡車轍試驗中，將光纖傳感器埋置的車轍板試件內(nèi)部，采集得到的光纖信號穩(wěn)定可讀。

(2)光纖信號敏感度值的大小可以反映荷載水平。室內(nèi)漢堡車轍試驗表明，在30，45 ℃和60 ℃時，光纖信號敏感度與荷載大小呈現(xiàn)較好的線性正相關(guān)關(guān)系。

(3)光纖敏感度隨溫度的升高而上升，且在不同溫域的上升趨勢與分散程度不同。敏感度的上升速度在低溫域(30～45 ℃)較快，在高溫域(45～60 ℃)則較慢；敏感度的分布在30 ℃時較為集中，在45 ℃和60 ℃時則較為分散。