微型FBG土压力传感器的优化设计及其模型试验应用研究

本文针对地质力学模型试验,特别是针对含水地质结构的模型试验中土压力测量的不足,利用光纤光栅体积小、易封装、防水抗腐蚀、防电磁干扰等特点,基于短栅距光纤布拉光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)设计了适用于地质力学模型试验的微型FBG土压力传感器。采用有限元力学仿真对传感器的膜片尺寸、传感器厚径比进行优化,得到传感器在0~1MPa土压力测量范围内,直径20mm、高度为0.2mm的圆平膜片灵敏度高且不易造成FBG光谱畸变,厚径比为0.16(H:4mm/D:25mm)的传感器测量结果更可靠且对被测岩土介质影响较小。标定试验表明,传感器在0~1MPa压力范围内具有很好的重复性与一致性。将该传感器应用于海底隧道模型试验,监测隧道开挖过程的围岩应力释放规律,该传感器很好地监测了隧道从迅速失稳到逐渐稳定的变化过程,从而证明了设计的微型FBG应用于模型试验的可行性。     

模型相似材料内部应变光纤量测应变传递

应用光纤传感技术测量模型相似材料内部应变,必须解决光纤与相似材料耦合的问题。传统的研究中普遍存在应变传递理论分析结果无法通过试验检验的问题。设计实现了一种基于光纤-胶体-相似材料3层应变传递结构的光纤Bragg光栅（FBG）相似材料一维传感器。通过对该传感器应变传递特性和标定方法的研究探索解决光纤与相似材料耦合性的问题。该传感器采用无涂覆层的光纤Bragg光栅作为传感元件,将光纤埋入相似材料应变试件内部直接测量轴向中心应变。通过应变传递理论分析、数值模拟以及全新设计的标定试验研究3种方法研究了该相似材料光栅传感器的应变传递特性。平均应变传递率结果显示3种方法所得到的数值非常接近,表明该传感器的光纤、胶体、相似材料具有良好的耦合性以及应变测量的准确性。该方法为解决模型相似材料内部三维应变测量提供了可行方案。     

室内小型双膜压力盒

我们试制成一种可嵌于仪器内壁上的小型土压力金,用于直接测定土体表面的正应力. 为了方便起见,选用市售的BPR-2型压力传感器作为换能元件,压力盒则用磷铜整体制成.一次膜厚为0.2mm,二次膜即为BPR-2型传感器之膜片,传力液选用高绝缘性的纯净硅油.整个压力金的结构见图1. 为避免传力误差并能有较好的线性度,我们采用了漫没法来灌注传力液,其密封过程亦在液面下进行.     

光纤传感技术在锚杆轴力监测中的应用

在简述了光纤Bragg光栅传感器基本工作原理的基础上,通过沪―蓉―西高速公路龙潭隧道支护锚杆轴力监测的工程应用,探讨研究了光纤传感技术用于岩土工程监测的几个重要环节--传感器选择、传感器安装、传感器标定及传感器埋设。通过现场监测获得了复杂地质条件下特长隧道支护锚杆轴力的变化特性,为光纤传感技术在岩土工程监测领域的应用积累了一定的经验。     

土压力传感器在硬土介质中的非线性响应分析

为掌握土压力传感器置于硬土介质中呈现的非线性响应特性,建立了传感器与土介质的相互作用模型,运用有限元分析了满足匹配误差稳定所需的传感器与土介质的模量比条件。进行了传感器的单体标定和级配碎石土介质标定试验,探讨了传感器非线性响应的主要影响因素。计算与试验表明,目前国内主流的双膜土压力传感器在量测硬土介质中的土压力时,由于模量偏小标定曲线非线性显著;土压力传感器单体标定曲线线性度较高且其模量基本稳定,表明土介质的模量变化是引起标定曲线非线性的主要因素;通过将传感器置于与使用环境相近的土介质中进行标定,并采用非线性修正可明显提高硬土介质中土压力量测的准确性。     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用

与传统电、磁及机械传感器相比,光纤传感器集传输、传感于一体,具有诸多独特优势,在各领域中均存在广泛、特殊的应用前景和潜力。目前研究最多、应用最广泛、在该领域内占重要地位的两类光纤传感器是光纤光栅传感器和分布式光纤传感器,前者以光纤Bragg光栅（FBG）传感器为主,后者以基于拉曼散射的分布式温度传感器（DTS）和基于布里渊散射的分布式温度应变传感器（DTSS）为主。着重阐述了这两类光纤传感器在地质矿产勘探中的应用：光纤地震检波器在石油勘探中的应用、DTS和光纤光栅压力传感器在油页岩勘探中的应用、光纤传感器在智能完井中的应用以及光纤气体传感器在地下煤矿安全监测中的应用。光纤传感器目前存在规范性差、成品率低等的问题,特殊结构或特殊用途的光纤传感器的研制是未来发展方向。     

离心力场中微型土压力传感器非线性响应分析

为掌握离心力场环境下微型土压力传感器与土介质相互作用引起的匹配误差特性,结合匹配误差理论,通过液体标定试验和离心力场中土介质标定试验,讨论了微型土压力传感器在模量相对较大土介质中的非线性响应特征及其主要影响因素。试验分析表明：在液压条件下微型土压力传感器具有良好的线性响应特性;在离心力场环境中微型土压力传感器表现出的显著非线性响应特性是由加载过程中土介质模量的改变引起;基于建立的匹配误差随土介质模量变化的关系曲线对测试数据进行非线性修正,可明显提高微型土压力传感器在模量相对较大土介质中的测试精度。     

孔隙水压力量测的延迟效应分析

从理论上考虑，用压力传感器量测土中变化的孔隙水压力会存在延迟效应，本文阐明了延迟效应的机理，并以饱和土孔压消散试验为例进行了深入的分析，研究表明，延迟效应的主要影响因素是体积压缩系数和传感器敏感元件的刚度因数，从计算结果看出，除硬粘性土外，延迟效应对孔压量测结果影响甚小。     

分布式OTDR滑坡岩体推力监测系统的研究及应用

提出了一种用圆形弹膜片及微弯调制机构,进行滑坡崩塌岩体推力传感的分布式光纤传感系统以及一种不需双光路信号,就可减小光源波动及环境因素对测量的影响解调应力方法。推导出传感器的动态范围与分布个数的关系、传感器的灵敏度与应力的关系及瑞利后向散射光功率与应力的公式。建立起对岩体推力进行监测的试验系统。试验表明该传感器具有线性度好、重复性、准确度高及工程实用性好的特点。光纤传感器与其它类型的传感器相比,具有抗电磁干扰、结构简单、性能可靠、耐水性及电绝缘好、耐腐蚀;测量对象广泛,适用于多种物理量的监测;对待测场能够进行远距离、连续实时、分布式测量。因而在许多安全监测领域逐步受到人们的注意。分布式光纤压力传感器在桥梁、水利工程、建筑以及地质工程灾害监测中有着十分广泛的应用前景。其发展受到普遍的重视。目前高分辨率、高灵敏度的分布式光纤应力传感器多采用光相干方式,其光路结构复杂、调整难,工程实用性差。文中介绍的仪器为一种基于OTDR的分布式光纤压力传感器,具有较高的空间分辨率和测量灵敏度,工程实用性好。直接采用光纤应变传感器对滑坡、崩塌岩体、滑体推力进行监测,预测预报其灾害的发生,对滑坡、崩塌岩体防治工程监测,检测其施工质量,...     

Test and numerical research on wall deflections induced by pre-excavation dewatering

Numerous studies have been devoted to the performance of excavations and adjacent facilities. In contrast, few studies have focused on retaining wall deflections induced by pre-excavation dewatering. However, considerable inward cantilever deflections were observed for a diaphragm wall in a pre-excavation dewatering test based on a long and narrow metro excavation, and the maximum deflection reached 10 mm (37.6% of the allowable wall deflection for the project). Based on the test results, a three-dimensional soil–fluid coupled finite element model was established and used to study the mechanism of the dewatering-induced diaphragm wall deflections. Numerical results indicated that the diaphragm wall deflection results from three factors: (1) the seepage force around the dewatering well and the soil–wall interaction caused the inward horizontal displacement of the soil inside the excavation; (2) the reduced total earth pressure on the excavated side of the diaphragm wall above approximately 1/2 of the maximum dewatering depth disequilibrated the original earth pressure on both sides of the diaphragm wall; and (3) the different negative friction on the excavated and retained sides of the diaphragm wall led to the rotation of the diaphragm wall into the excavation.     

光纤光栅应变传感器在地质灾害上的应用

根据光纤光栅传感的原理,提出了光纤光栅式封装应变传感器,对其传感特性进行了研究,并进行了室内实验。结合光栅传感监测滑坡的应用实例,探讨了光纤布拉格光栅传感元件在滑坡体上的布设工艺及监测过程。分析初期的监测结果,针对监测系统可能出现的问题提出了解决途径。     

GS-1型滑坡光纤多参数监测系统的研究

开发一种自动化地质灾害滑坡光纤多参数监测系统,采用基于光纤光栅的反射中心波长随光纤光栅所受的应变或温度的改变产生移动,其波长移动量的多少直接反映应变或温度变化大小的工作原理。利用光纤光栅封装结构的变化,实现应变、应力、压力、温度、位移、振动等多种参量的测试;对多个光纤光栅的中心波长进行排布上的设计,则实现多点的准分布式测量,推动地质灾害监测技术的进步。     

光纤布拉格光栅波长解调系统的研制

光纤布拉格光栅波长解调系统利用光纤光栅的平均折射率和栅格周期对外界参量的敏感特性,将外界参量的变化转化为其布拉格波长的移动,通过解调布拉格波长的偏移来确定待测物理量的变化。采用波分复用技术构成光纤光栅传感网络,提出了由光源、布拉格光栅传感网络、光栅波长检测电路构成FBG波长解调系统的硬件设计方案。利用LabVIEW丰富的功能函数库,设计光纤布拉格光栅波长解调系统软件的各功能模块。最后在室内进行了FBG波长解调系统的调试实验。结果表明：在相同测试环境下,传感器的测试波长变化较稳定,数据的重复性较好,系统软硬件运行稳定可靠。     

光纤光栅传感技术在GFRP抗浮锚杆现场拉拔试验中的应用

光纤测试技术是将光纤布拉格光栅（FBG）传感器用光纤连成一串,通过构建多点光栅测试系统实现传感,它具有精度高、抗干扰能力强、空间分辨率高和连续数据采集等特点。将光纤光栅传感技术应用到原型玻璃纤维增强复合材料（GFRP）抗浮锚杆受力测试中,同步测试了锚杆杆体-锚固体界面、锚固体-周围岩土体界面以及锚固体内的应变,实现GFRP抗浮锚杆多界面全长受力测试。测试结果表明,光纤光栅传感技术能准确记录拉拔过程中GFRP抗浮锚杆各界面的应变变化,揭示锚杆杆体-锚固体界面、锚固体内、锚固体-周围岩土体界面的轴向应力和剪应力分别随荷载水平和锚固深度变化的分布规律,但不同界面处荷载的传递深度和剪应力沿深度的影响范围有所差异。该测试技术和传感器埋设工艺有众多优势,在岩土工程科学研究与工程应用领域具有广阔的前景。     

Fiber-optic monitoring of evaporation-induced axial strain of sandstone under ambient laboratory conditions

This paper presents the fiber-optic monitoring model and scheme for utilizing a fiber Bragg grating (FBG) sensor array to measure relative humidity. The effect of evaporation on reservoir rock involves various physical and chemical reactions under ambient laboratory conditions, which will result in a significant influence on the mechanical properties, especially for the surface of rock blocks in the fields. In this experiment, it was of great importance to better understand the effects induced by deionized water (DIW) evaporation occurring on the surface of a DIW-saturated sandstone core in terms of the induced small strains. The primary objective of this paper is to identify the applicability and feasibility of using the fiber Bragg grating sensors to monitor small strains induced by natural evaporation. This work also brings novel insights into the capability of high-precision measurements to predict the deformation mechanism of outcropped rocks, which often are subjected to natural evaporation. In this work, two arrays of fiber Bragg grating sensors were employed in the real-time monitoring of strain changes along the axial surface of a cylindrical sandstone core and to record the potential implications of the wavelength shifts induced by the evaporation factor. The experimental results could provide novel insights into the influences of natural evaporation on a rock monitored by FBG sensing technology under ambient laboratory conditions.     

粉土及粉质黏土对静压沉桩桩端阻力影响机制现场试验

为探讨在粉土及粉质黏土中桩端阻力随贯入深度的变化规律,通过在试验桩P1的桩端安装轮辐压力传感器,以及在试验桩P1、P2距桩端200 mm处安装光纤光栅（FBG）传感器,采用两种不同的测试技术全程监测了两根闭口预应力高强度混凝土（PHC）管桩现场贯入过程中的桩端阻力。试验结果表明：桩端阻力与土层的变化密切相关,土层越硬,桩端阻力越大,当桩端从粉质黏土层进入粉土层时,桩端阻力明显增大,粉土中的桩端阻力达到粉质黏土层的2倍;整个贯入过程中,同一土层不同位置的差异性对桩端阻力也存在较大影响,在距离地面1.50 m处,P1和P2桩FBG传感器桩端阻力的差值达到了89.29 kN,而在距离地面3.50~4.50 m处,两桩的桩端阻力则相差较小。     

饱和土中劈裂灌浆压力研究

在塑性力学和大变形理论的基础上,分析土体在劈裂灌浆初始阶段的力学机理。将劈裂灌浆的初始阶段视为无限土体中的圆孔扩张问题,并将圆孔周围土体中的应力分布分为两个区域。在弹性区中土体服从小变形假设,在塑性区中服从大变形假设。利用水力压裂理论和圆孔扩张理论,假设孔隙水压力大于或等于初始应力与扩张应力增量之和时,土体将出现拉应力,若拉应力超过土的抗拉强度,土体将产生开裂,此时的灌浆压力就为初始劈裂灌浆压力。当土体在灌浆压力作用下,大小主应力正好换位时,则出现劈裂时的灌浆压力就为二次劈裂灌浆压力值,推导出饱和土体劈裂灌浆压力的理论公式。该理论的计算结果与工程实测结果比较接近,初步证实了该理论的可靠性。