定点式布设光纤在隧道结构健康监测中的预拉应变损失研究

基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布式光纤监测技术已在岩土工程领域得到初步应用。应变监测结果显示:将光纤进行预拉布设后,随着时间的推移,光纤预拉段会产生一定的应变损失。应变损失的产生主要是由光纤的疲劳特性所造成的。显然,光纤因疲劳产生的应变损失对于工程监测是极其不利的,在实际监测中需要将其剔除。针对分布式光纤监测技术,选取HY料新型紧套应变光纤、聚氨酯紧套光纤2种应变光纤,在实验室进行了点固定式预拉布设(10 000×10~(-6)),并进行了8个月的应变损失监测。对比分析2种光纤的预拉应变损失的差异,获得了光纤应变损失随时间的变化规律,以及预拉状态下的光纤在温度和湿度升高状态下应变损失的速率变化。研究了运用分布式光纤监测技术进行隧道变形监测的点固定式预拉布设方法,可为工程应用提供理论基础和施工指导。     

分布式光纤监测技术在三峡库区马家沟滑坡中的应用

针对传统感测技术的不足,本文开展了滑坡分布式光纤感测技术(DFOS)研究。对当前主要的几种DFOS技术及其相关原理做了简单的介绍,重点阐述了分布式传感光纤在三峡马家沟滑坡的布设方式。根据马家沟滑坡的工程地质环境特点,在抗滑桩内布设应变和温度感测光纤;沿坡体走向,采用直埋和定点相结合的方式开槽植入感测光纤;沿坡体纵向,在不同高程设置光纤综合监测孔,将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内,同时在孔内布设FBG准分布传感器。监测结果表明:各类应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置,证明了DFOS技术应用于滑坡监测的优越性。     

用于巷道沉降变形监测的光纤锯齿状布设技术与原理

矿山巷道、交通隧道等工程的顶板沉降变形监测是不可缺少的安全保障手段之一,现有的直线分布式光纤布设技术监测巷道沉降变形存在灵敏度较低的问题。将光纤沿巷道顶板的纵向铅垂平面布设成锯齿形状,构建相应的计算模型,给出具体的布设参数,获得了基于AV6419型号的光纤应变测试仪的监测精度和量测范围。试验结果表明,将光纤由直线式布设改变为锯齿状布设时不仅满足分布式光纤传感技术对于提取大范围测量场分布式信息能力的要求,而且通过巷道纵向分布式光纤的布设实现了监测巷道径向变形(如顶板沉降)的目的。计算模型监测的灵敏度相比于直线式有大幅度提高,为基于BOTDR技术的分布式光纤传感技术的应用与推广提供了新的方法和思路。     

分布式布里渊光纤传感技术在工程安全监测的应用

工程安全监测是通过对工程本体及其周边环境进行实时、在线监测,分析其稳定性,并对工程安全进行预警。相对于电子传感系统,分布式光纤传感技术具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和准确性等,可满足工程安全监测和早期预警的要求。以基坑测斜和隧道涵洞变形监测为例,介绍了依据布里渊频移原理和分布式光纤传感器技术在安全监测方面的应用。结果表明:分布式布里渊频光纤技术能够分别准确地反映基坑工程的变形情况和地铁涵洞顶部的岩层应变,是一种比较理想的工程安全监测方法。     

基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究

隧道沉降是评估隧道结构安全性和稳定性的重要指标,通过分布式光纤监测技术,可以获得被测部位的应变分布情况,但不能直观地反映出隧道各个部位的沉降量大小。提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型,将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来,并通过理论推导、数值模拟、室内试验,验证了模型的可行性。通过北京轨道交通新机场线07标暗挖区间分布式光纤监测项目,对隧道临时支护的破除阶段进行了监测,获得了不同工况下隧道拱顶处的应变曲线,并借助提出的隧道沉降反演模型,对隧道拱顶沉降进行了计算,计算结果和现场实测结果能够较好的吻合,其误差可以满足工程需要。研究结果可以为分布式光纤传感技术应用于隧道沉降监测提供理论与试验基础。     

基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究

可以实现分布式、长距离、实时监测的BOTDR监测技术已在土木工程领域得到了较为广泛的应用,但在岩土工程领域的应用研究起步较晚,相关技术还有待于进一步完善。以布里渊BOTDR的巷道/隧道应变监测技术为基础,研究了沿巷道轴向进行一维布设的光纤应变测量值与隧道顶板沉降变形之间的关系。首先,根据巷道/隧道顶板的变形规律,建立了光纤沿巷道/隧道轴向发生的应变与巷道/隧道顶板的沉降变形之间的数学模型,即圆弧模型、抛物线模型和三角形模型。其次,对巷道/隧道顶板的沉降变形与光纤应变之间的关系进行了试验研究。对比分析表明,理论计算值与试验值具有很好的一致性。利用圆弧模型、抛物线模型和三角形模型等3个计算模型,可以将光纤应变与顶板沉降联系起来,这对于BOTDR技术的应用与推广具有重要的理论意义和工程实用价值。     

传感光纤-砂土界面力学性质的试验研究

近年来分布式光纤感测技术在岩土与地质工程领域的应用研究已成为一个研究热点,但工程实践表明,埋入式传感光纤与被测岩土体之间的变形协调性会对监测结果产生显著的影响,该问题一直制约着光纤感测技术在工程监测中的推广。本文通过一系列室内拉拔试验,对比了3种预埋于砂土中的单模光纤在不同上覆压力的作用下的拉拔力-拉拔位移曲线,并建立了一个用于描述光纤-砂土界面力学性质的三段式的拉拔模型,分析峰值拉拔力、残余拉拔力、有效拉拔位移和残余拉拔位移4个参数在不同上覆压力作用下的变化情况。分析结果揭示传感光纤-砂土界面的力学特性和应力传递规律,为分布式光纤传感技术在岩土体变形监测中的应用,尤其在变形监测光纤的选用标准方面,提供了参考依据。     

考虑变形协调的土体剪切位移分布式测试研究

岩土体的剪切破坏是地质工程领域较为常见的诱灾机制,岩土剪切变形的监测对于岩土工程防灾减灾至关重要。光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式应变监测,成为获取岩土剪切位移信息的潜在手段之一。本文利用全分布式光频域反射(OFDR)技术及粒子图像测速(PIV)技术,开展了土体剪切位移监测可行性的试验研究。在充分考虑直埋式应变传感光缆和周围土体变形协调的基础上,探究了剪切试验中光缆应变测值与土体剪切位移之间的关联,并提出了实现两者转换的光纤应变积分法。试验结果显示:在光缆和土体耦合良好的阶段,光缆伸长计算值与土体剪切位移之间存在线性关系,使用高精度、高空间分辨率的OFDR技术监测土体剪切位移具备可行性;在光缆上布设管式锚固点或提高围压可以增加光缆和土体的耦合性能,进而获得更好的剪切位移监测效果。     

边坡变形的分布式光纤监测模拟试验研究

布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)作为一项新型光电传感监测技术,因其具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测的特点而被广泛应用于结构工程健康监测中。而直接将光纤布设在土体中则存在变形协调性差、易折断及空间定位难等问题。本次研究通过室内小比例尺模型试验,分别将光纤植入土工布和土工格栅等柔性复合材料中并一起铺设在边坡模型不同深度处,利用BOTDR监测边坡在外荷作用下的变形特征。试验结果表明,布设在土工格栅中的光纤稳定性最好;土工布中的光纤变形协调性和敏感性优于土工格栅;通过合理布置光纤能够对异常应变进行较为准确的识别和定位。试验初步验证了该方法应用于土质边坡变形监测的可行性。     

基于BOTDR的地裂缝分布式光纤监测技术研究

地裂缝的监测是防治地裂缝危害的一项重要工作。本文采用基于BOTDR的分布式光纤感测技术对已有地裂缝和潜在地裂缝进行了分布式监测,详细介绍了BOTDR分布式光纤感测技术原理和地裂缝分布式监测方法,并以无锡杨墅里地裂缝作为监测点进行了现场试验研究。研究结果表明:基于BOTDR的分布式光纤感测技术可十分有效地对地裂缝的变形进行监测;采用定点布设的方法,可提高感测光纤的监测精度和量程,测量精度可以达到0.1mm;2m长的定点间距,量程可达30mm;通过网格化铺设感测光缆,可对一定区域内的多条地裂缝进行监测;在同一方向上,不同点距的结合,可提高地裂缝监测的定位精度。     

基于BOTDR的地裂缝分布式光纤监测技术研究

地裂缝的监测是防治地裂缝危害的一项重要工作。本文采用基于BOTDR的分布式光纤感测技术对已有地裂缝和潜在地裂缝进行了分布式监测,详细介绍了BOTDR分布式光纤感测技术原理和地裂缝分布式监测方法,并以无锡杨墅里地裂缝作为监测点进行了现场试验研究。研究结果表明:基于BOTDR的分布式光纤感测技术可十分有效地对地裂缝的变形进行监测; 采用定点布设的方法,可提高感测光纤的监测精度和量程,测量精度可以达到0.1mm; 2m长的定点间距,量程可达30mm; 通过网格化铺设感测光缆,可对一定区域内的多条地裂缝进行监测; 在同一方向上,不同点距的结合,可提高地裂缝监测的定位精度。     

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能,分别从理论与试验两个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤、中间体和基体结构力学分析模型,进行光纤应变传递机制理论分析,计算了光纤应变传递效率;使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌,进行了2组不同加载速率的试验。其中,在同一根梁内（同一工况）设计6种光纤的布设方式,以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载,使用BOFDA（布里渊散射光频域分析）技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明：6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段,光纤与梁耦合性最好;钢筋开始屈服直至梁破坏阶段,光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态,此过程光纤与梁耦合性较差;除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3 000×10?6外,其余布设方式光纤有效监测应变差为2 000×10?6;光纤在长距离（>>146 mm）埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%,2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究,监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的,可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。     

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能,分别从理论与试验两个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建光纤、中间体和基体结构力学分析模型,进行光纤应变传递机制理论分析,计算了光纤应变传递效率;使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌,进行了2组不同加载速率的试验。其中,在同一根梁内(同一工况)设计6种光纤的布设方式,以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载,使用BOFDA技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明:(1)6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段,光纤与梁耦合性最好;(2)钢筋开始屈服直至梁破坏阶段,光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态,此过程光纤与梁耦合性较差;(3)除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3000με外,其余布设方式光纤有效监测应变差为2000με;(4)光纤在长距离(146mm)埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%,2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究,监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的,可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中,变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标,其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展,其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要,然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响,阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上,开展了基于BOTDA感测技术的光纤-砂 土界面耦合性能拉拔试验,从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外,数据拟合R2均在0.99以上,显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性;由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa,与给定值基本一致;通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系,得出光纤-土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导,同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中，变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标，其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展，其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要，然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响，阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上，开展了基于BOTDA感测技术的光纤—砂 土界面耦合性能拉拔试验，从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外，数据拟合R2均在0.99以上，显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性；由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa，与给定值基本一致；通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系，得出光纤—土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导，同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应,分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型,进行光纤应变传递机制分析,计算了光纤应变传递效率,并与数值计算结果对比,验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌,在其表面植入分布式光纤,进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明：植入式光纤传感器存在边界效应,结构两端为光纤的低效率应变传递区,不能完全传递试验梁的应变;试验梁中部为光纤的高效率应变传递区,能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果,在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间,采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器,进行了工程应用研究。监测结果表明,边界效应对工程监测结果影响很小,分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。     

基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究

在基坑开挖和支护过程中深部土体的水平位移监测是一项十分重要的工作。布里渊光时域反射计（BOTDR）是近年来国际上研发成功的一项新型的分布式光电传感技术。通过该技术,将传感光纤按照一定的工艺粘贴在埋置于土体中的测斜管上,由传感光纤实测的应变分布,可以实现深部土体水平位移的在线监测。通过室内的模型模拟试验,由实测的光纤应变可以准确地得到测斜管上任意一点的水平位移。结合南京市某深基坑进行的现场试验,探讨了基于BOTDR的分布式光纤传感器应用于基坑深部土体水平位移监测的具体施工工艺,验证了该技术在实际工程中应用的可行性。     

埋入式应变感测光缆-冻土界面渐进破坏机制研究

冻胀融沉作用引起的地基土体变形是冻土地区工程建设的典型地质灾害,光纤传感技术为冻土变形的精细化、分布式实时监测提供了重要的技术手段。为探究分布式光纤应变传感在监测冻土变形方面的可行性,利用自主研制的光缆-冻土界面力学特性试验仪,探究了不同干密度和初始含水率的冻土试样中缆-土界面的破坏机制。试验结果表明,光纤应变监测结果准确地反映出缆-土界面呈现渐进性破坏特征,应变软化模型能够较好地描述界面的力学特性。在冻结过程中,土体内液态水相变成冰,引起了冻结锋面移动和水分迁移,使得界面的力学特性存在显著的差异性。不同深度处缆-土界面剪应力的演化过程反映了在光缆拉拔过程中与冻土的变形协调状态,表明光缆测量范围、界面耦合性与土体干密度、初始含水率密切相关。该研究为光纤传感技术在寒区冻土地基变形监测中的应用提供了参考。     

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。     

削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究

采用高空间分辨率的PPP-BOTDA光纤感测技术,研发出一种适合于土体变形监测的特种感测光缆。通过水平向和垂直向感测光缆植入,对边坡模型在坡顶局部加载和削坡过程土体内部变形场进行了分布式监测,获得了荷载和削坡作用下坡体变形场的分布规律,并对边坡模型进行了有限元数值分析和计算评价。分布式光纤感测技术监测结果表明:在坡顶局部加载作用下土体水平向拉张变形最大值发生在坡体中部,这与数值模拟结果一致;但在削坡作用下,坡体水平向拉张变形最大值发生在坡体上部,表明削坡作用改变了边坡模型的变形规律,上层土体在坡顶局部荷载作用下易发生倾倒变形。研究结果也表明,作者研制的特种感测光缆具有良好的感测性能,可以对土体变形场进行准确有效监测。