光纤光栅锚杆传感在隧道应变监测中的技术研究

针对隧道施工和运行长期监测的需要和当前的岩土监测所用电磁传感器的不足,基于分析了光纤布拉格光栅(FBG)传感监测原理和实现方法,在直径为22 mm的普通螺纹钢上设计和制作了隧道应力应变监测用的FBG锚杆传感器,并分析FBG探测锚杆轴向应变的原理。通过试验室和公路隧道现场对已制作的FBG锚杆进行动态测试与应用,效果良好,并突出了FBG锚杆传感灵敏度高、稳定性好、测量范围大、结构简单和能在野外岩土结构工程进行长期有效监测等优点。     

地震CT与FBG传感器技术在隧道结构诊断中的应用

针对飞鱼泽隧道的上行线二衬拱顶靠档墙处出现裂缝,经地震CT技术查清隧道上所覆盖岩体的工程地质结构结果表明,沿隧道轴向存在三个岩体破碎带,其中在小里程入口段,岩体完整性较差。在隧道病害治理和隧道健康监测中,经光纤Bragg光栅（FBG）传感器的监测结果表明,松散破碎岩体的地质情况得到了相应的加固。因此,地震CT和FBG两者的检测结论是相互印证的。     

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。     

三向FBG应变传感器及在隧道开挖模型试验中的应用研究

基于模型相似材料,研制了适用于模型试验的三向FBG(fiber Bragg grating,光纤光栅)应变传感器,克服了传统的光纤应变传感器力学干扰大等缺点,且简化了力学传递过程。采用有限元方法重点分析了胶体弹性模量对传感器力学传递特性的影响,试验中选择了弹性模量为300MPa的胶体,其应变传递系数为0.662,传感器的灵敏度为0.794pm -1。将该FBG应变传感器用于隧道开挖模型试验中,分别研究支护台阶法开挖、支护全断面开挖及无支护全断面开挖方式下的围岩应变分布状况。传感器监测结果表明,支护台阶法开挖围岩的稳定性较好。该试验为研究隧道不同开挖方式与支护方式提供了可靠的数据支撑。     

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。     

低温影响下FBG永久变形计算方法研究

温度对光纤布拉格光栅(简称FBG)变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明:FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。     

棒式光纤传感器在地下洞群模型试验中的应用

地质力学模型试验是在复杂条件下进行大型地下洞室围岩稳定性分析的重要研究手段,能够真实地反映地质构造和工程结构的空间关系,准确模拟施工过程对厂房稳定性的影响以及岩体的破坏特征。双江口水电站地下洞群模型试验中采用预留孔径灌胶方式进行高精度的棒式光纤光栅（FBG）位移传感器的埋设,以便对洞室周边的位移进行量测,同时应用FLAC3D进行数值模拟比较。结果表明：棒式光纤光栅传感器量测方法解决了模型试验中内部变形小、量测精度要求高的问题,与数值模拟结果相吻合;试验中传感器埋设的方法是成功的,无论是开挖阶段还是超载阶段传感器均能有效地监测模型内部变形,揭示地下洞室群模型在开挖阶段和超载阶段的变形机制和破坏特征。     

光纤布拉格光栅用于海水盐度监测初探

海水入侵问题已波及中国沿海的9个省份,其中海水入侵最为严重的山东、辽宁两省入侵面积超过2000 km2。在气 候变化和人类活动等作用因素的加剧影响下,海水入侵问题不可避免,因此,海水入侵的监测和防治是解决问题的关键, 具有十分重要的意义。本文针对目前海水入侵监测技术存在的问题,提出了一种可大范围实时原位监测海水盐度的光纤布 拉格光栅（FBG） 方法,并设计试验对三种FBG盐度测试方案的可行性进行了对比研究。试验结果表明：FBG技术应用于 海水盐度监测具有一定可行性;利用能量补偿技术的两点串FBG测试效果最佳,灵敏度及稳定性在三种方案中均最好。基 于FBG的海水盐度监测方法可以弥补目前常用的水化学法和物探法存在的不足,为海水入侵的监测和预防提供了一种先 进、高效的手段。     

分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用

将分布式光纤传感技术引入滑坡监测,既可得到整个滑坡体的概要特征,又能提高监测效率。FBG与BOTDR是两种最具代表性的分布式光纤传感技术,FBG通过测量其反射光波长的变化获得应变或温度值。BOTDR通过测定后向布里渊散射光的频移实现分布式温度、应变测量。FBG传感器灵敏度高,但只能实现离散点的准分布式测量,BOTDR可实现分布式、长距离、不间断测量,但其空间分辨率不高。笔者提出FBG与BOTDR联合监测滑坡的方案。在巫山残联滑坡,在整个滑坡体上铺设监测光纤,利用BOTDR获得整个滑坡体的概要信息;在滑坡体变形的关键部位———变形缝安装FBG传感器,获得某些关键部位的应变信息,从而实现由点到线再到面的监测,获得滑坡体较完整的应变信息。     

用于断层测量的温度补偿光纤外腔型法布里-珀罗位移传感器

针对光纤EFPI传感器通常尺寸很小,而断层尺寸相对较大,导致光纤EFPI传感器在待测断层处安装不便的情况,提出了一种可用于断层测量的光纤外腔型法布里-珀罗位移传感器.两根陶瓷插芯从陶瓷套管的两端插入构成EFPI结构,通过使用金属内管和金属外管,增大了光纤EFPI位移传感器的尺寸;并且金属外管的两端采用O型圈密封,因此该EFPI位移传感器能够防水防尘.为了消除温度对EFPI位移传感器的影响,两根金属内管采用了不同热膨胀系数的材料在结构上进行温度补偿.在温度连续变化的环境下,对腔长为718.39 m的EFPI位移传感器进行了测量.测量结果显示,经过温度补偿设计后,位移传感器的温度系数由0.14 μm/℃下降到了-0.04 μm/℃,并呈现过补偿.     

基于弱光栅技术的大断面输水隧洞深层围岩变形监测

隧洞深层围岩变形的准确监测能够提高隧洞的施工效率和安全性。利用弱光栅技术对平阳县某输水隧洞深层围岩变形进行监测。监测结果显示：隧洞围岩应变变化较小,围岩稳定性总体上较好,同时弱光纤光栅感测光缆监测结果与传统监测结果基本一致,符合事实情况。监测方案和监测结果可为类似工程提供参考。     

光纤位移传感器在盐岩地下储气库群模型试验中的应用

为了研究盐岩地下储气库群运行过程中注采气压变化对洞周围岩变形的影响,设计开发了一种基于光纤布拉格光栅技术的棒式光纤位移传感器,并将其成功应用在盐岩地下储气库群模型试验的位移监测中。试验结果表明,注采气压速率是影响盐岩储气库运营安全的重要因素。采气过程中洞周出现径向收敛位移,该位移随采气速率和时间的增加而增加;注气过程中洞周出现扩张位移,该位移随注气速率和时间的增加而增加。空间上,气压变化对洞腔腰部位移影响最大。为了保证储气库运行安全,应控制注采气速率。针对所研究工程原型,建议储气库的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d。     

基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究

BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术,其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点,已逐渐受到工程界的广泛关注。本文结合工程实践中遇到的具体问题,研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统,讨论了系统的设计要求。并结合某隧道BOTDR监测工程实例,开发了一套相应的监测数据管理系统。该系统集工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能于一体,是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。     

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。     

MEMS传感器在锚杆加固边坡监测中的应用研究

滑坡破坏各种建筑工程,严重影响了人民生产生活以及国民经济的发展。锚杆作为边坡治理的主要手段之一,其施工质量与锚固效果难以直接监测。随着微机电系统(MEMS)技术的兴起与不断发展,MEMS传感器具有体积小、造价低和精度高等优点,使其从常规监测手段中脱颖而出,为地质工程监测提供了新的可能。通过设计模型试验,基于MEMS传感器探讨锚杆对边坡的加固作用。试验采用天然河砂,通过撒砂法堆坡,边坡坡角为45°,分有锚杆加固和无锚杆加固2组。以降雨触发滑坡,将MEMS传感器布设在边坡内部,实现对边坡内部各点的加速度、角度和角速度的实时连续监测。研究表明:当未加固边坡蠕滑开始时,边坡内部和坡脚处的加速度与角度发生渐变,边坡后缘与表面处的加速度和角度变化不明显,表明边坡蠕滑主要发生在边坡内部与坡脚处;滑坡发生时,边坡内部与坡脚处的加速度和角度率先发生突变,边坡后缘与表面的参数随后发生突变,表明砂土坡破坏的瞬间,其内部与坡脚处先发生滑动,边坡后缘与坡面随后滑动,为典型的牵引式滑坡。采用锚杆加固后,边坡只发生蠕滑,边坡内部、坡脚处与坡面的加速度和角度有明显渐变,边坡后缘的各指标几乎无变化,表明降雨条件下,加固后的边坡发生整体蠕滑,边坡坡角降低,不发生破坏。MEMS传感器能够实现低成本、高精度的连续实时监测边坡蠕滑的渐变规律,捕捉到滑坡发生时运动的明显突变,对研究边坡的滑动机制及滑坡预警有一定的应用价值,在地质工程监测领域具有广阔的应用前景。     

基于姿态传感器的大型滑坡灾害监测的初步研究

滑坡的监测主要是基于滑坡体的空间几何形态的变化特征,由于滑坡的变形不均匀、运动周期长、应变量小等特征,导致滑坡的监测难度大、监测周期长。为此,基于姿态传感器的小体积、高速数据传输、低功耗、稳定启动时间、全角度无盲区等监测特征,本文选取姿态传感器为滑坡形变监测仪器,姿态传感器通过位移和角度的转换得到滑坡体姿态变化值,通过白什乡典型滑坡的全站仪监测和姿态传感器监测结果对比可知,姿态传感器能更准确及时的反应了滑坡体内部的变形结果,为有效地监测滑坡提供了一定的参考价值。     

分布式光纤监测在阜阳地面沉降监测中的应用

分布式光纤监测是利用光纤作为传感介质,采用先进的OTDR技术,探测出沿光纤不同位置土层的应变情况,实现真正分布式测量。阜阳地面沉降是由于过量抽汲阜阳城区地下水引起水位下降,在正常固结和超固结[1]土层分布区,由土层固结压密而造成的大面积地面下沉现象。省地质测绘院、阜阳市测绘院、安徽省地质调查研究院在该区域进行大量的高程测量工作,仅查明了地面沉降范围及垂直沉降量,但对地面沉降的形成机理,各压缩层的变化量缺少统一认识。采用分布式光纤监测技术能准确测出各压缩层的变化关系,为阜阳地面沉降防治研究提供科学依据。     

粗大误差在船坞围堰安全施工监测中的运用与分析

船坞监测数据对船坞围堰的正常施工起着非常重要的作用,但是由于各种不正确的因素导致监测数据与实际情况不符,而这些异常测值不能通过直观的方法进行剔除,从而对船坞围堰的安全施工监控产生较大的影响,必须进行判断和处理。分别介绍了3σ（拉伊达）、Grubbs（格罗布斯）、Dixon（狄克逊）3种常用排除粗大误差的准则,并应用于具体的船坞围堰安全施工监测。结果表明,这些准则能快速、方便、有效地排除异常测值,为船坞围堰安全施工提供帮助。     

光纤布拉格光栅在季节冻土路基应变检测中的应用

介绍了现行光纤布拉格光栅（FBG）测试技术的应用领域、传感原理以及常用的封装方式,探索将FBG用于季节冻土路基这种隐蔽工程应变检测中的适应性。主要工作有：（1）基于FBG测试技术的植入梁方法,在传感器布设方面,根据不同测试对象提出了两种封装布设方式：浅置短距离半柔性探测杆和深置长距离半刚性探测杆两种封装布设方式;（2）针对现场测试需要,对电源、光纤传感器、数据采集及分析等整套现场测试系统进行了比较优选;（3）选择两处季节冻土路基作为埋设场地并开展为期1 a的观测。测试结果表明：FBG在-20～30 ℃的温差范围内保证了很高的存活率,所提出并实现的季节冻土路基应变测试系统具有较高的测试灵敏度和可靠性。该套测试系统为隐蔽工程的物理性质指标测试提供了新的技术手段。     

软土-基岩条件下地铁车站施工间歇期的结构变形监测与分析

针对软土-基岩条件下地铁车站施工间歇期的结构变形监测与评价中存在的不足,将布拉格光纤光栅传感技术应用于车站施工间歇期的结构变形监测中。以深圳某地铁车站为例,将光纤传感器安装在车站主体结构上,远程自动化获取结构在施工间歇期的变形信息。监测结果表明：软土-基岩地基的主体结构在施工间歇期存在一定程度变形,监测期间车站底板的最大应变为62με,车站地下二层的墙柱结构最大变形为249με,位于软土-基岩分界面附近的墙柱结构同时受到剪切和压缩应力的影响,表明软土-基岩地基的车站设计应分别考虑底板和底层墙柱的抗弯和抗剪。