基于分布式光纤应变感测的边坡模型试验研究

 光纤传感是近年来发展起来的一种分布式监测技术,这种方法在边坡工程监测领域有着巨大的潜力和应用价值。提出一种通过监测坡体应变分布来实现边坡稳定性评估的新方法,通过一组边坡模型试验,采用布里渊光时域分析(BOTDA)技术,对坡顶加载过程中边坡模型不同深度处的水平向应变进行连续监测。试验结果表明：经过热缩管封装的直埋式紧套光纤适用于边坡应变分布的监测;铺设传感光纤时,在关键位置预留自由段可达到温度补偿和精确定位的双重效果;边坡滑裂面的位置可以通过对分布式应变监测数据的分析大致推算出来。通过分析试验中受荷边坡变形和稳定性状态的演化过程,证明最大水平向平均应变值和边坡安全系数具有一定的经验关系。该研究成果为边坡稳定性评估和滑坡预警提供一种新的思路和方法。     

基于光纤监测的边坡应变场可视化系统研究

近年来分布式光纤传感技术已成为土工测试领域的一股新生力量,在岩土体尤其是边坡的变形监测中发挥了日益重要的作用。基于该技术构建的边坡智能监测系统能捕捉坡表和坡体内部应变场的时空分布特征。由于光纤监测可获取海量数据,如何对其进行高效的提取、处理和挖掘是该技术应用中的瓶颈。基于MATLAB开发的边坡应变场可视化系统通过用户界面实现了对海量光纤监测数据的识别、去噪、预测分析和可视化展示,并具有边坡稳定状态诊断及预警的功能。在一组室内边坡模型试验中,采用该系统成功实现了边坡应变场监测数据的可视化,并对边坡稳定性相关的预警阈值进行了回归分析,体现了其处理数据方便、快捷、高效、直观等特点。该系统未来将在现场边坡的监测和滑坡预警预报中发挥重要的作用。     

基于BOTDR深基坑工程地下连续墙变形监测应用研究

分布式光纤监测技术应用到基坑支护墙体的变形监测中可弥补传统监测方式实时性差、智能化程度低等缺点。本文介绍了基于BOTDR的光纤感测技术对基坑支护体系地下连续墙的变形监测的传感光缆布设方法、变形计算原理,并对计算过程中产生的误差进行分析。分析结果显示,误差大小与支护墙体的深度、变形大小成正比,与两测线间的距离呈反比。研发了新型高强度应变传感光缆并将其应用于苏州地铁车站的基坑开挖过程引起的支护墙体变形监测中。监测结果表明：三级钢支撑可有效控制变形,该围护结构设计可行,地下连续墙变形在合理范围内;光纤数据与测斜管数据对比基本一致,说明了该计算方法的可行性。研究成果表明该方法可大规模应用于基坑开挖引起的地下连续墙变形实时预警监测。     

钻孔回填料粒径对传感光缆应变耦合性影响研究

钻孔全断面光纤监测技术已在地面沉降和矿山塌陷等地质灾害监测中不断得到推广应用，其中钻孔回填料与直埋式传感光缆之间的应变耦合性是影响光纤监测结果准确性的关键。利用可控围压光缆–回填料耦合性测试试验装置，探究了0～1.0MPa围压下传感光缆与不同粒径砂土回填料（0.5～4mm）之间的应变耦合性问题。结果表明：在相同围压与拉拔位移下，光缆与砂土之间的应变耦合性，随着粒径的增大而减弱，即0.5～1mm砂土与应变传感光缆间的耦合性最强。将10000με作为传感光缆最大应变监测量程，对传感光缆–砂土应变耦合性进行了评价。当光缆–砂土变形协调系数为0.9时，0.5～1,1～2,2～4 mm粒径砂料的临界围压依次为0.14,0.33,0.52 MPa。应变传感光缆与砂土的界面剪应力先增大后减小，随着拉拔位移的增大，光缆–砂土界面剪应力峰值与传递深度均有增加。研究结果可为确定钻孔全断面光纤监测的临界围压深度提供科学依据。     

大坝模型试验的光纤传感变形监测

考虑到大坝模型试验中内部变形难以监测的现状,研制了一种新型的基于光纤布拉格光栅(FBG)技术的光纤传感器.这种传感器为圆棒式结构,其表面沿轴向安装了准分布式的光纤布拉格光栅.对于大坝物理模型,该传感器可预埋入坝体和坝基的内部.当大坝受到油压千斤顶荷载产生变形时,该传感器类似于一根一端固定并同时受轴向拉、压和横向弯曲的弹性梁.根据弯梁原理,由光纤布拉格光栅测得的应变结果可反算出大坝沿水平向和竖向的位移分布.室内标定试验结果表明,该传感器测得的变形量与其他常规传感器的读数一致.在一个二维混凝土重力坝物理模型的超载破坏试验中,采用预埋于坝体、坝基内部的光纤传感器以及表面安装式位移计、电阻应变花对该模型进行实时的变形监测.试验结果验证了该光纤传感器在大坝模型内部变形监测中的有效性,同时也揭示了大坝在超载作用下的变形机制和破坏形态.     

地面沉降分布式光纤监测土–缆耦合性分析

地层、钻孔回填材料和传感光缆之间的耦合性是决定地面沉降钻孔全剖面分布式光纤监测精度的关键因素。提出了地层–钻孔回填材料–传感光缆耦合性的明确定义和地层变形光纤监测数据有效性的评价方法。地层、回填材料和传感光缆达到完全耦合应满足两个条件:地层–回填材料界面与回填材料–传感光缆界面剪应力均不能超过其抗剪强度;地层应变能有效地传递至纤芯。提出了回填材料与传感光缆处于黏结状态的临界围压与临界深度;传感光缆弹性模量、半径或最大应变梯度越小,则临界围压或深度也越小;当回填材料、传感光缆及其界面参数确定时,临界围压或深度仅与最大应变梯度有关。基于经典应变传递模型与Goodman假设建立了地层–钻孔回填材料–传感光缆应变传递模型,并研究了传感光缆、回填材料以及地层性质对应变传递特性的影响,结果表明:传感光缆半径和弹性模量、钻孔半径、地层剪切模量越小,或回填材料剪切模量、地层–回填材料界面黏结系数越大,则应变传递性能越好;围压对应变传递特性的影响则取决于回填材料与地层参数之间的相对关系。最后,采用苏州盛泽地面沉降光纤监测数据验证了该评价方法的有效性。研究结果为钻孔地层剖面的全剖面、精细化分布式光纤监测提供了理论依据。     

采场覆岩变形与破坏的分布式光纤监测与分析

提出了采用BOTDR分布式光纤传感技术,对煤层采动过程中覆岩变形与破坏的发育规律进行了监测和分析。以淮南矿区某工作面为例,介绍了监测孔的布置方式和传感光缆的安装方法,提出了采用钻孔安装技术将传感光缆植入到煤层顶板覆岩中,根据工作面回采进度,定期采集传感光缆的应变分布,分析了光缆的应变分布特征及其变化规律,得到了应变分布与地层的对应关系,发现应变分布是不均匀的,传感光缆的应变变化与覆岩模量呈反比,揭示了覆岩变形与破坏的发育规律。根据光缆的应变分布特征、传感光缆光损耗较大的点或者断点所处的层位,结合13-1煤覆岩的岩性组合,得到了垮落带和导水裂缝带的发育高度分别为12.5 m和40.0 m。     

边坡工程分布式光纤监测技术研究

 通过对边坡及其加固工程进行实时、在线监测,可掌握边坡的变形动态,对滑坡进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足加固工程安全监测和滑坡早期预警的要求。对布里渊光时域反射技术(BOTDR)的测量原理和优点进行介绍,设计一套基于BOTDR的新型分布式边坡监测系统,详细阐述工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。通过将传感光纤按一定的方式布设在加固工程及坡体内,并相互连接构成基于BOTDR的边坡分布式光纤监测系统,进而实现对整个边坡的远程分布式监测。以实际工程为例,对边坡分布式变形监测结果进行分析。结果表明,基于BOTDR技术的边坡分布式光纤监测系统能够准确地反映边坡及加固工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于边坡稳定性的监测和预报。     

光纤传感技术在边坡模型试验中的应用

 关于边坡模型的坡体变形监测较为困难,将光纤传感技术应用于边坡模型试验尝试解决这一问题。构建边坡模型进行人工降雨试验,采用光纤布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)监测坡体变形和光纤光栅(FBG)传感技术监测坡面变形。将BOTDR光纤分层埋入坡体不同位置,以边坡后缘模型箱为固定的参照点,监测坡体内不同位置的应变变化;将光纤光栅传感器铺设在坡面的不同位置,以坡面后缘为固定参照点,监测坡面各位置处位移变化。根据降雨前、降雨过程中及降雨后变形记录资料,得到边坡在降雨作用下的变形规律：在降雨初始一段时间内,边坡并没有明显变形,随着降雨时间的发展,坡体和坡面位移会出现突发性的大幅度增长,并且距坡面较近的土体产生较大的变形,坡体底部变形较小。总体规律是随着坡体深度的增大,坡体变形受降雨入渗的影响越来越不明显,这解释了降雨诱发的均质土坡破坏容易出现在浅层的原因。在坡面上,后缘产生较大位移,而坡体前端位移较小。降雨停止后,部分变形值会变小。试验结果表明,用光纤BOTDR和FBG传感技术监测有众多的优点,且光纤传感技术在岩土模型试验中具有良好的应用价值和前景。     

紧邻基坑的地铁隧道监测技术方案研究

城市深基坑施工会对紧邻环境产生影响,如导致紧邻建(构)筑物产生变形甚至破坏.本文制定了一种新的纵向及横向光纤传感网络的监测方案,对紧邻基坑开挖时既有盾构隧道的受力状态进行了监测.该方案的基础是测量隧道的纵向应变分布,所提出的光纤传感器网络能够将隧道纵向运动解耦分解为剪切和弯曲分量.方案中采用全分布式光纤传感器和光纤光栅...     

Soil strain-field and stability analysis of cut slope based on optical fiber measurement

A relatively small laboratory model of soil slope was constructed, and a special strain-sensing cable was embedded in the slope soil mass. The strain at different positions of the model slope was measured using pulse-prepump Brillouin optical time-domain analysis (PPP-BOTDA) technology during slope surface loading and slope cutting. The data measurements under loading were analyzed, and the co-deformation between the sensing cable and the artificial compacted soil mass is discussed. The results show that the specially designed strain sensing cable is co-deformed well with the soil after a loading of 225 kPa. The measurement data of the cut slope were analyzed in detail to elaborate the relationship between soil strain-field and slope stability. When the slope failed, the position of the sliding surface was coordinated with the strain anomaly area of the soil strain-field. A limit equilibrium analysis was then conducted to determine safety factors during slope cutting. This analysis allowed determination of the characteristic strains, reflecting the stability of the slope, which permitted the establishment of an empirical relationship between horizontal characteristic maximum strains and safety factors. The results were most effective in validating the use of the distributed optical fiber sensing technology for soil strain-field monitoring, for the purposes of evaluating slope stability and creating a warning system for landslides.     

光纤传感监测技术在工程地质领域中的应用研究进展

近年来,随着越来越多工程建设的开展以及城市地质灾害问题的出现,在工程地质中进行长期有效的结构稳定性监测显得十分重要。光纤传感作为一种新型监测技术,具有高精度、远程实时、长距离、耐久性长及抗电磁干扰等优点,能够弥补传统监测技术工程监测中的不足,应用广泛。本文通过总结前人相关研究工作,概括出光纤传感监测技术在隧道结构健康监测、地面变形监测、基坑监测和边坡监测中的应用现状,并得出几点结论和思考:(1)光纤传感监测技术符合工程地质学的发展战略;(2)光纤监测应该要与多学科进行有机、深度地结合;(3)分布式(准分布式)光纤监测技术在工程地质监测中的应用前景广泛。     

光纤光栅冷铸镦头锚拉索及其在桥梁中应用

冷铸镦头锚拉索是国内桥梁拉索的主要结构形式，其索体由若干根直径相同的钢丝同心扭绞，外包覆聚乙烯护套制成，锚杯内填充由环氧树脂、锌粉和铸钢丸等组成的环氧砂浆。将与钢丝同直径的FRP-OFBG筋在拉索制作时植入索体，筋的两端通过锚杯内环氧砂浆固定，与索体保持协调变形，形成光纤光栅冷铸镦头锚智能拉索。文中对CFRP-OFBG筋的应变温度传感性能、智能拉索的感知性能及工程应用等进行了研究。研究结果表明，光纤光栅冷铸镦头锚拉索具有优异的传感性能，能用于拉索的施工监控和运营监测。     

Analysis of the strain process of soil slope model during infiltration using BOTDA

Rainfall infiltration can be a major cause of slope failure. In the present paper, an indoor soil slope model was built; a distributed sensing fiber was designed based on Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA). Two soil moisture probes were planted and a rainfall infiltrationtest was simulated to acquire the data of slope infiltration and deformation progress under rainfall infiltration. Time domain volumetric moisture content of the slope as well as the vertical and horizontal strain changes were monitored. The moisture content results showed the infiltration path and had obvious ascent at the sliding surface of the slope. The fiber results showed that there existed an apparent strain concentration near the shear section of the slope and strain conversion zone; the soil deformation law had a close spatial relationship with the infiltration path in the soil. In addition to the accurate determination of the sliding surface, a secondary shear surface was also detected by the BOTDA system. These results provide valuable information pertaining to the sliding mechanism and prediction of slope failure.     

智能电力排管结构变形感知方法与应用

电力排管作为浅埋地下结构,其分布广,遍布于城市每条街道,易受到工程施工的影响,而传统监测技术难以实时捕捉到结构变形破坏过程,需要实现结构自感知。光纤传感技术是一种能够做到实时、长期、分布式、新型监测方法,其在智能结构自感知领域应用潜力广阔。通过一组模型实验,并对变形监测数据进行研究,得到电力排管的受力变形特性;分析光纤传感器所得的水平向应变与电力排管沉降变形之间的关系,提出了光纤沿电力排管结构埋设并首尾相接形成监测闭合环路的安装方法,并在现场试验中进行验证。实验结果证明了基于布里渊频域分析(BOFDA)的分布式光纤传感技术运用在电力排管变形监测中的准确性、可靠性和优越性。研究成果可用于运营期电力排管结构安全状态的分布式监测,实现结构变形自感知,为智能地下结构的应用打下良好基础。