基于新型标定腔的FBG有效应力计三边界条件精确标定方法及其在海洋岩土工程监测中的应用研究

《Ocean Engineering》：Accurate calibration of effective stress cells using a novel chamber for monitoring effective stresses in three different boundary conditions

本文推荐一项针对光纤布拉格光栅(FBG)有效应力计(ESC)标定方法的重要研究。为解决传统标定方法忽略边界条件影响导致有效应力测量误差的问题，香港理工大学研究团队开发了新型标定腔系统，在三种典型边界条件下对ESC进行精确标定。研究发现不同边界条件下的标定因子存在显著差异(BC1降低5%，BC2/BC3增加18%)，并首次提出归一化标定因子概念，为海洋岩土工程安全监测提供了更可靠的技术支撑。

　　

在海洋工程建设飞速发展的今天，海底隧道、跨海大桥、海上风电设施等重大工程的安全性问题日益凸显。这些海洋岩土结构的稳定性很大程度上取决于地基土体的有效应力状态——这个由土力学之父太沙基(Terzaghi)于1925年首次提出的核心概念，至今仍是岩土工程安全评估的关键指标。然而，令人担忧的是，在波浪、地震等循环荷载作用下，饱和土体中孔隙水压力的累积会导致有效应力显著降低，进而引发土壤液化、地基承载力退化等严重后果。2011年日本东北大地震引发的东京湾地区大面积土壤液化，就是对这一问题的残酷警示。

传统上，工程人员通过分别测量总土压力(使用土压力盒EPC)和孔隙水压力(使用孔隙水压力传感器PPT)，然后相减间接获得有效应力。这种方法看似简单，却存在固有缺陷：两种传感器的响应时间差异会导致测量误差，特别是在渗透性较低的海洋沉积物中，这种误差更为明显。更重要的是，现有传感器标定方法大多在水环境中进行，而实际土体中的应力分布要复杂得多，且不同边界条件会显著影响传感器的测量精度。

面对这一技术瓶颈，香港理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》上发表了创新性研究成果。他们开发了一种新型标定腔系统，专门用于光纤布拉格光栅(FBG)有效应力计(ESC)在不同边界条件下的精确标定。这种ESC能够直接测量有效应力，其核心原理是通过特殊设计让水自由进出传感器内部，使孔隙水压力在传感器内外平衡，从而使传感板仅对有效应力产生响应。

研究团队采用了一套完整的标定技术体系：首先设计了能够提供反压的标定腔系统，内径400mm(传感器直径的8倍)，可施加高达1MPa的压力；选用香港海相沉积物(HKMD)作为标定介质，其基本性质包括比重2.63、液限48%、黏粒含量12%等；针对三种典型边界条件(BC1：传感器放置在刚性结构表面；BC2：传感器齐平嵌入刚性结构；BC3：传感器埋入土体中部)进行了系统标定；通过步进加载方式(每步50kPa)获取传感器的响应特性，并利用反压系统调节有效应力进行卸载试验。

3.1. Calibration system setup

研究人员设计的标定腔系统包含垂直压力加载系统、反压系统和完善的传感器布置方案。系统内设置土压力盒(EPC)、有效应力计(ESC)和孔隙水压力传感器(PPT)，通过精密的数据采集系统记录传感器响应。标定腔的尺寸经过精心设计，有效降低了尺寸效应的影响。

4.1. Results of calibration in water

水标定结果显示，所有传感器都表现出良好的线性响应特性。用于BC1和BC2的ESC1标定因子为187.14kPa/nm，EPC1为711.25kPa/mV；用于BC3的ESC2标定因子为222.25kPa/nm，EPC2为156.99kPa/mV。所有确定系数R²均接近1，表明传感器在水环境中具有优异的稳定性和重复性。

4.2. Results of calibration in soil

在饱和HKMD中的标定结果揭示了边界条件的显著影响：BC1条件下ESC标定因子为178.25kPa/nm，比水标定结果低5%；BC2和BC3条件下标定因子分别为221.40kPa/nm和262.17kPa/nm，比水标定结果分别高18%和18%。这种差异主要归因于不同边界条件下土拱效应的差异：BC1条件下被动土拱效应导致传感面承受压力大于施加压力，而BC2和BC3条件下主动土拱效应占主导。

5. Discussion

讨论部分深入分析了直接测量与间接测量方法的一致性。在BC1和BC2条件下，两种方法测量结果与施加有效应力吻合良好(误差小于2%)；而在BC3条件下，间接测量方法出现明显偏差(最大偏差达7.34%)，凸显了ESC直接测量方法的优势。研究人员首次提出了归一化标定因子(C_HKMD/C_water)的概念，BC1、BC2和BC3条件下的归一化因子分别为0.952、1.183和1.180。与既往研究结果的对比验证了该方法的可靠性。

研究结论强调，针对不同边界条件进行专门标定对保证有效应力测量精度至关重要。新开发的标定系统和方法为海洋岩土工程监测提供了更可靠的技术支持，而归一化标定因子的提出极大提高了工程应用的便利性。未来研究将扩展至砂土等不同土质条件，进一步完善ESC在不同岩土环境中的适用性。这项研究不仅解决了有效应力测量中的关键技术难题，也为海洋基础设施建设的安全监控提供了重要技术支撑。