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。     

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。     

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。     

地面变形分布式光纤监测模型试验研究

地面变形监测在防治地面塌陷、地面沉降和地裂缝等危害中有着极其重要的地位。本文采用气囊法对地面变形的发育过程展开了分布式光纤监测模型试验研究,详细介绍了分布式光纤监测的技术原理和试验方案,并对不同工况条件下分布式光纤监测结果进行了对比研究。研究结果表明:分布式光纤监测技术能够有效地捕捉不同条件下土体的变形情况,其马鞍型应变分布曲线能够清晰地定位底部拱形的形成区域以及地面变形可能发育的位置,该技术可应用于地面变形发育过程中土体的变形监测。     

地面塌陷分布式光纤感测模型试验研究

突发性地面塌陷对城市安全构成巨大威胁,掌握塌陷土体变形过程对地面塌陷事故的预测预报至关重要。基于分布式光频域反射（optical frequency domain reflectometry,简称 OFDR ）和粒子图像测速（particle image velocimetry,简称 PIV）技术,开展了地面塌陷模型试验,研究了塌陷过程中土体沉降的时空分布规律,并探究了不同应变感测光缆锚固方式对光纤监测结果的影响。结果表明：光纤应变监测曲线准确地反映了不同塌陷阶段上覆土体的变形状态,揭示了土体内部应变的演化机制;在光缆上设置圆片锚板,可以有效增强光缆与土体界面的耦合变形程度;在一定的埋置深度下,随着锚板尺寸的增大,光缆与土体间的变形协调性越好。研究结果显示,分布式应变传感技术在地面塌陷变形监测中具有较好的适用性,为该类地质灾害的早期识别提供了一种有力的工具。     

采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究

采动覆岩变形破坏对开采巷道的安全构成威胁,同时易造成地面塌陷,对地面构筑物的安全和地质环境产生影响。因此,对煤层采动覆岩变形进行监控,具有重要的现实意义。论文针对煤层采动覆岩变形破坏的一般规律,利用分布式光纤感测技术,开展了采动覆岩变形物理模型试验研究。采用将感测光缆竖直植入物理模型内部的布设方法,获得了煤层采动过程中覆岩变形分布式监测结果。将光纤测试结果与常规近景摄影结果进行对比,结果基本吻合;同时,揭示了采动覆岩变形破坏规律和覆岩离层的演化过程。利用经验公式计算得出"导高"均值约为30.6cm,这与光纤监测数据分析估算得到的30cm基本一致。试验结果表明:将分布式光纤感测技术引入采动覆岩破坏模型试验是可行且准确的,为以后的相关研究提供了一种新的思路与方法。     

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。     

分布式光纤感测技术在古建筑监测中的应用研究

本文介绍了分布式光纤传感技术的优势和特点,根据中国古建筑的分类及监测要求,提出了分布式光纤技术对古建筑的监测方案,包括感测光缆的选择、布设方案、安设工艺等,并以某古建筑监测为例,介绍了分布式光纤传感技术的实际应用,进一步证明了该技术应用在古建筑监测和健康诊断中的可行性和有效性。     

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。     

分布式传感光纤与土体变形耦合性能测试方法研究

分布式光纤传感作为新兴技术已用于岩土体的变形监测,其中传感光纤与土体的变形耦合性能是重要的研究内容之一。文章设计了土条的三点弯曲试验,将传感光纤预埋在土条中,借助高空间分辨率OBR分布式光纤传感技术、激光位移传感器以及PIV摄影测量技术,对光纤与土体的变形耦合性能进行了分析讨论。结果表明:当土条变形较小时,土体与光纤耦合性能良好,传感光纤可以准确测量相应位置土体的应变分布情况;当变形较大时,传感光纤与土体将发生相对滑移,土体变形难以完全传递给传感光纤,光纤与土体的变形耦合性能随土体变形的增大逐渐降低。提出了采用应变传递系数表征纤-土的变形耦合性能。     

基于BOFDA的地面塌陷变形分布式监测模型试验研究

地面塌陷变形作为一种分布广泛的地质灾害已成为目前城市发展中亟待解决的一个问题。文章使用布里渊光频域分 析（BOFDA）技术对地面塌陷变形进行分布式监测模型实验研究。利用自制的地面塌陷物理模型,对不同类型、不同厚度 土体在塌陷过程中的变形进行分布式光纤监测,并对其试验结果进行对比分析。结果表明：基于BOFDA分布式光纤传感技 术可有效捕捉到地面塌陷变形的发生和发展过程,并较为准确地反映出地面的塌陷变形规律。研究结果为该技术在地面塌 陷变形监测的推广应用提供一定的参考依据。     

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。     

基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究

面向地震综合观测需要,自主研制了窄线宽光纤光栅谐振腔,并将其作为核心传感元件,发展了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波和温度多参量同步测量新方法。采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调,研制出了光纤地壳形变、地震与温度多参量探头,并开展了多参量地震综合观测实验。实验结果表明,所研制的光纤多参量传感系统应变与温度测量分辨率分别达到4.7×10^-10和6×10^-5℃,能够同时记录到清晰的固体潮汐信号、地震波信号以及环境温度扰动,有望为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。     

Study on Multi-Parameter Seismic Observation Technique Based on Optic Fiber Sensing

”Deep well, wide band, multi-component comprehensive observation” is the development direction of seismic observation. In order to promote the application and development of underground integrated observation system, key technologies, such as high temperature resistance sensor, interference isolation of sensor unit and miniaturization of instrument, need to be developed. Optic fiber sensors have the advantages of small size, passive nature, resistance to electromagnetic interference, being easy to long distance transmission and multi-parametric network observation, which are expected to provide new technology for the comprehensive observation of multi-parameter earthquakes in deep wells. This paper proposed a comprehensive observation technique of seismic wave, crustal deformation and temperature. An integrated borehole seismic sensor based on fiber Bragg grating resonators was designed for measuring three-component earthquake, three-component crustal deformation and temperature signal. A new technique for simultaneous measurement of multi-parameters of temperature and strain of fiber based on effective cavity length was presented. The technique of high precision optical fiber signal demodulation based on single side band sweep laser and the design of multi-parameter integrated optical fiber probe were introduced. The resolution of strain and temperature measurement of the fiber multi-parameter sensor system reached 4.7 \times 10^-10 and 6×10^-5 ℃ , respectively. A comprehensive multi-parameter earthquake observation experiment was carried out at the seismic station. The results show that the integrated optical fiber multi-parameter seismic observation system can simultaneously record the earth tide signal, seismic wave signal and environmental temperature disturbance, and has good anti-environmental interference ability and long-term stability, which is expected to provide a new technique for crustal deformation observation.     

深基坑支护桩布里渊光时域分布式监测方法研究

支护桩是深基坑支护结构中的关键组成部分,其支护效果直接影响到深基坑的稳定性,因此对支护桩应力应变状态 的监测十分重要。该文选择了一种能够单端测量的分布式光纤感测技术-布里渊光时域反射计（简称BOTDR）,将其应用 于深基坑支护桩的变形监测,介绍了这一技术的基本原理、需解决的关键问题及实施技术路线,并结合南京某深基坑工 程,验证了这一技术方法的监测效果。结果表明,基于BOTDR的监测方法可以对深基坑支护桩进行全分布式监测,方法可 行,结果准确,为深基坑支护桩监测提供了一种新的技术手段。     

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。     

高应力下砂土与钢材界面单剪试验研究

疏排水沉降引起的竖直附加力导致了华东地区多个立井井筒破裂,高应力下土与结构界面剪切特性研究是解决这一工程问题的关键。在自行加工、改造的高应力单剪仪试验系统上进行了一系列单剪试验。试验数据分析表明高应力下砂土同钢材界面剪应力-剪切位移关系可用非线性弹性-理想、塑性本构关系描述;高应力下界面的强度准则符合无粘聚力的莫尔-库仑公式表示。     

水对树脂锚索锚固性能影响的试验研究

水对树脂锚索锚固性能具有影响,可导致锚索锚固失效。通过室内树脂锚固锚索拉拔试验以及长锚索锚固试验,系统研究了水对树脂锚索锚固性能的影响,得出水可降低锚固粘结强度约7 %,降低锚固体单轴抗压强度约12 %,减少有效锚固长度约10 %。研究结果对定量评价巷道锚索支护的安全性以及合理设计树脂锚索的支护参数具有重要意义。