姜 臻 刘婉秋 王书娟 王博实 陈志国

(大连理工大学，辽宁 大连 116024)



季节性冰冻区高速公路的分布式路基无损检测

姜 臻 刘婉秋 王书娟 王博实 陈志国

(大连理工大学，辽宁 大连 116024)

通过应用基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDR/A)，对鹤岗—大连高速公路，敦化附近ZT05标段的一部分进行了连续分布式路基结构健康监测，监测结果表明，传感器在严酷的施工条件和气候条件下，可以成功存活，并且可以准确监测高速公路的结构特征。

高速公路，无损检测，分布式监测，季节性冰冻区

0 引言

近年来，我国的高速公路建设取得了极大的成果，我国国家高速公路网已基本全面完成。在未来的相当一段时间内，如此大规模高速公路的养护问题已经成为了我国公路建设新挑战。目前有很多方法可以检测公路路面的开裂，车辙，沉降等问题，但是并没有很好的方法可以检测土基的结构状态，因此也无法判别公路病害是表层病害，或者是土基的深层病害在路面层的表现，从而无法确定公路是否需要大修[1]。在这样的背景下，亟需利用新技术对土基进行分布式的连续检测。在我国最新建设的鹤岗—大连高速公路中，通过应用基于布里渊散射的分布式光纤传感器，实现了对高等级公路土基的较大规模的长期结构监测，并保证了监测的有效性和精确性。

将光纤传感技术应用到公路结构中来，有以下几个难点：首先是消除应力传导误差。当传感器被埋入公路结构中时，路面荷载作用于路面，由于荷载，沉降和冻融等问题而产生的应力并不直接作用于传感器上，这就意味着公路材料和传感器之间存在着应力传递[2]。光纤的弹性模量和公路结构之间有着明显的差别，两者并不能直接的进行协同变形，所以从光纤传感器上采集的数据并不能真正反映公路结构中变形状态[3]。其次是提高存活性和耐久度。综上，在传感器的设计过程中，不光要对传感器的传输测量光纤进行保护，抵御复杂的施工以及气候条件，与此同时还要保证传感器能够与公路结构协同变形，准确测量出公路结构的健康状况[4]。

鹤岗—大连高速公路，国家高速公路网编号G11，从黑龙江鹤岗市开始，贯穿黑龙江，吉林，辽宁三省，终于辽宁省大连市，全长1 474 km，是国家高速公路“7918”网中的第一条纵线。试验所在位置位于吉林省敦化市，标号ZT05路段，是吉林省交通科学研究院为开展季节性冰冻区科技示范工程而在鹤大高速沿线设置的试验路段。该地区冬季温度低，全年最低温度可以达到-30 ℃，年降水量630 mm。

1 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDR/A)

当传感器感应到位移和温度变化，布里渊散射光的频率将会发生偏移，并且偏移量和温度以及位移呈现出线性相关性。所以通过测量偏移量，BOTDR/A可以得到光纤上有关温度和位移的分布信息[5]。

光纤的应变和偏移量满足式(1)：

v(B)(ε)=V(B)(0)+dvB(ε)ε/dε

(1)

其中，v(B)(ε)为当应变为ε时，布里渊散射光的偏移量；V(B)(0)为当应变为0时，布里渊散射光的偏移量；dvB(ε)/dε为相关系数，其值为493 MHz/με；ε为光纤的应变值。

相比于应变，温度对布里渊散射光的偏移量较小，如果温度变化小于5 ℃，其影响值可以忽略，当温度变化较大时，其可以由式(2)确定：

v(B)(ε)-dvB(T)(T-T0)/dT=V(B)(0)+dvB(ε)ε/dε

(2)

其中，dvB(T)/dT为温度影响系数，其值为1 MHz/K；T-T0为温度变化量。

2 传感器结构以及布设方案

传感器结构示意图见图1。

传感器由传输部、夹持部以及引出线组成，总长约30 m。1根光纤组成了传感器的主体，并且被半径3.5 mm的钢制铠装线保护。夹持部由环氧树脂制成，经过试验确定，环氧树脂和光纤材料之间有很强的作用力，公路结构的变形可以有效通过夹持部传导至测量光纤。传输光纤和夹持部通过柔性的橡胶软管连接，当公路结构发生形变时，高强度的铠装线并不会发生大的形变，通过橡胶软管可以将公路结构中的形变传导至光纤上[6]。

本次布设传感器布设方案如图2，图3所示，测量区域全长200 m，宽28.5 m。传感器共10组，每组由2根标距为1.2 m的传感器组成，其中6组沿公路轴向埋设，首尾相连，用于监测公路沿轴向的形变，另有4组传感器横跨整条公路，用于监测公路横向的形变。铺设前先完成土基的施工建设，然后在预设的位置开挖深20 cm，宽20 cm的传感器槽位，在布设传感器后，把土基回填，进行碾压压实。之后进行半刚性基层和面层的铺装。

3 监测结果

本次实验监测范围较大，所以在所布设的10组传感器中，选取BO-1和BO-9两组传感器进行分析。其中BO-1为沿公路轴向布设的6组传感器之一，其作用为监测公路轴向的土基的结构健康。BO-9为横跨公路布设的4组传感器之一，其作用为监测公路横向是否有结构变化。11月7日，进行第一次数据采集，空气温度5 ℃，当地刚进入冬季，尚未进行首次降雪。12月31日，进行第二次数据采集，空气温度-18 ℃，当地为大雪天气，积雪深度60 cm，土壤已经进入冻土状态。将采集的数据，消除温度影响后，得到结果见图4,图5。

图4，图5为在同一时间，对同一组中2个传感器进行的监测，其中，图4为BO-1中2种传感器测得数据，从图中可见，沿高速公路轴向方向，应变分布较为均匀，并无明显变化。图5为BO-9中2个传感器测得高速公路横向应变。可见，在路肩以及第一车道部位，应变逐渐减小，变化较大。由图可见，不管是BO-1或者是BO-9，2个传感器都表现出了很强的相关性，因此，2个传感器都能够在严酷的施工和气候条件下存活，并且都能够很好的完成监测高速公路土基中应变特征的任务。

图6为11月7日数据采集现场，图7为BO-1传感器在11月7日与12月31日两次数据采集中所得数据的对比图。由图可见，沿公路轴向应变分布比较均匀，可是在43.5 m～44 m的位置上，整个路基的应变分布发生了很大的变化，数值连续激增了3 000 ε，可以确定，这一部分的公路结构受到了一定程度的损坏，这个位置是日后发生由路基破坏产生病害的危险区域。

图8为BO-9传感器在11月7日与12月31日两次数据采集中所得数据的对比图。由图可见，11月7日数据采集时，15 m～21.5 m处即位置为路肩以及第一车道的应变较小，和其他部分有明显差别。当第二次12月31日采集时，15 m～21.5 m处的应变发生小幅度增加，愈加接近公路结构其他部分的应变值，作为刚修筑3个月的高速公路，路基的应力进行了重新分配，使其趋于稳定。这也证明了传感器的敏感度和有效性。

4 结语

本次实验成功将光纤传感技术大规模应用于高速公路的健康监测中。通过研制能够有效反应高速公路结构特性的光纤传感器，成功解决了在对公路结构无破坏，不影响公路使用条件下，对高速公路的大规模监测问题。传感器实现了发现病害的位置，评估病害破坏程度的目标。通过在高速公路中，大规模埋设此类传感器，可以取得大量数据，通过分析，判别需要进行大规模养护的位置，有选择的进行深度养护，具有极强的实践意义。

[1] 侯俊芳,裴 丽,李卓轩,等.光纤传感技术的研究进展及应用[J].光电技术应用，2012(1)：49-53.

[2] 王华平,刘婉秋,周 智，等.模拟层状路面结构体系的全尺度光纤传感监测分析[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] 刘永莉,孙红月,尚岳全,等.基于BOTDR的传感光纤固定方式研究[J].传感技术学报，2010(9)：1353-1358.

[5] 宋牟平,鲍 翀,裘 超,等.结合布里渊光时域分析和光时域反射计的分布式光纤传感器[J].光学学报，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，在读硕士

U416.1

A