CN101900532A - 一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的岩土体稳定性监测技术 - Google Patents
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Abstract
一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，在被监测的岩土体中埋入预应力监控锚索来感应潜在失稳土体的滑动力，实现对岩土体失稳的预警。同时在锚索中置入准分布的多个光纤光栅传感器，分别监测锚索钢绞线沿线分布各点的应力应变。通过分析对锚索的应变分布可以预测岩土体失稳时最危险破坏面的位置。
Description
技术领域
本发明涉及重大工程健康监测领域及信号检测技术，尤其是实时无线远程监测工程岩土体的稳定性和一种针对光纤光栅锚索应变状态进行监测的方法及装置。
技术背景
重大工程建设与运营中常常伴随着滑坡、崩塌、溃堤、基坑失稳等重大工程灾害的发生，这类灾害作为多发性灾害，具有突发性强、危害性大、治理难度高的特点，如不能对其变形破坏演化过程和行为做出准确的预警预报并采取针对性的应急处置措施，将导致对工程安全的重大威胁，并造成不可估量的生命财产损失和巨大的社会影响。本专利涉及的重大工程安全监测中岩土体稳定性监测研究一直是备受国内外工程地质领域关注的前沿课题。从20世纪60年代开始，先后经历了现象预报和经验方程预报、统计分析预报、非线性预报以及综合预报、实时追踪动态预报等几个阶段。
据不完全统计，目前国内外学者已提出了数十种岩土体失稳的预报模型、方法及一系列预报判据。但是大量的实践表明，现有的岩土体失稳预报模型和判据对岩土体内部的变形演化行为、具体的发生时间和最危险破坏面的位置做出非常准确的预报有较大难度。这主要是由于岩土体具有较强的个性特征，其变形演化行为与其所处的环境条件及土体地质结构密切相关，而现行的预报模型较少能考虑到这些个 性特征，主要是依靠数学推演来得到的预报模型，其适宜性和预报的准确性具有一定的局限性。
因此，本发明在原有的一种远程实时监测滑坡的系统与方法，和一种光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法的基础上，设计了一种结合了摄动与光纤光栅耦合方法的监测技术，可以实现对岩土体滑动力的实时监测，及时准确地得知其内部不同深度的状态信息，从而发现失稳危险，并预测出最危险破坏面的位置。
本技术适用于水利水电、道路交通和市政工程等领域中的边坡、隧道、基坑、堤坝等工程岩土体监测。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的工程岩土体失稳预警需求，提供一种实现对工程岩土体稳定性的实时在线监测预警，同时准确预测破坏面位置的技术。
为达到本发明的目的，采用的技术方案如下：
一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，包含：传感装置、采集发射装置、远程接收分析装置。
下面详细介绍各部分的具体组成与功能：
1.传感装置包括摄动监测与FBG监测两个子系统，由监控锚索、荷载式传感器、光纤布拉格光栅传感器、光缆组成。其中准分布式的光纤光栅传感器焊接(或粘贴)在锚索上，用光缆串接好，并做好整条光缆线路的保护封装措施；光缆在地面上的末端接上尾纤(APC/FC接口)。监控锚索的一端穿越破坏面、锚固在破坏面以下的岩土体上， 另一端位于地面外，根据现场情况和传感装置要求施加相应的预紧力；在锚索地面外端头部位安装荷载式传感装置，由该传感装置对锚索预应力信号予以传感。此传感装置既能及时捕捉到发生失稳前岩土体中的应力变化，又能监测到岩土体内不同深度的位移分布，从而推算出其最危险破坏面的位置。工作原理根据子系统的不同分成两部分阐述。
(1)摄动监测系统以力的平衡原理为基础，建立失稳岩土体的滑动力与监控锚索预应力及破坏面摩阻力的关系之间，并通过远程监控系统监测锚索预应力的变化，在岩土体有明显变形、即将失稳时，及时监测和捕捉岩土体中的应力变化。应力与岩土体强度相互作用产生变形和位移时，后者应力的变化可以超前于变形判断其稳态。这样，就可以比直接监测位移更及时、更准确的监测滑动块的整体信息，因而可以更准确及时的监测工程岩土体稳定性，预防岩土体失稳的危害。其力学模型如图3所示。
图3.b所示力学三角形力的关系如下
滑动摩阻力 Fφ＝(Pn+Gn)□tgφ+c□l (3-1)
极限平衡状态有
∑X＝0
Pt+Fφ-Gt＝0
Gt＝Pt+Fφ
由此可得滑动力-摄动力公式
Gt＝P□[cos(α+θ)+sin(α+θ)□tgφ]+G□cosα□tgφ+c□l (3-2)
设计准则P＝(0.25□0.5)□Pmax
预警准则P＝(1.4□2.0)□Pmax
式中：P——设计荷载，kN
Pmax——最大荷载，kN
P——预警荷载，kN
(2)应用光纤光栅传感技术作为锚索系统的传感神经系统，将能与锚索变形相匹配的光纤光栅传感结构，埋置于起保护作用的光纤预制件中，再将该光纤预制件作为绳芯，绞合在钢绞线内，或者埋置在锚索外表钢绞线上。这样，由锚索的变形及温度、环境、静态或动态负载所引起的应力分布变化使准分布的多个光纤光栅在沿线各分布点的反射光波长发生改变，通过探测其波长改变量的大小而实现对锚索的实时跟踪测量，及时输出锚索的不同部位应变的大小和随时间的变化规律，并完成对锚索的安全监测和整体性评价。
图4所示为锚索工作的力学简化模型。把锚索简化成一根左端固定的悬臂梁，承受向下的均布荷载。由材料力学易知，在固定端的上(下)表面处(即图中的点A，B)承受最大的轴向拉伸(压缩)应变。使用有限元软件ADINA建立简单的模型，分析的应变云图如图5所示。
实验研究，发现贴装于任何结构表面的光纤只受到结构的与光纤轴向平行的应变影响而不会受到结构表面上相对于光纤为剪切和横向应变的影响，且贴装光纤对结构本身的应变无任何影响。因此在锚索上置入FBG，可监测锚索沿轴向不同位置的应变。滑动岩土体在最危险破坏面前后的相对位移最大，则锚索在该处的应变理论值最大。故在一个监测工程对象，如边坡、堤坝等，同一截面不同高度安 装锚索，如图6所示，根据各锚索的最大应变值(即点A、B、C)，将各位置连线，可得知最危险破坏面的位置。这就是用锚索预测岩土体最危险破坏面的原理。
2.采集发射装置包括两部分，一是单片机和信号发射器，二是与尾纤连接的光纤光栅解调仪及无线DDN通信终端(DTU)。
荷载式传感器工作所需的激发信号由测量系统提供，其受激发产生的反馈信号经过整形后送入单片机的P0口，对信号的频率进行测量，最终结果交给信号发送系统装置进行发送。信号发送系统装置将该荷载式传感器信号采集、储存、放大，通过发射器无线发射并接收到监控主机计算机中。
光纤光栅传感器采集的监测数据经由光缆到光纤光栅解调仪解调后，通过DTU转换为数字信息，再通过GPRS/GSM/CDMA移动通信网络远程传回远程接受分析装置中的预警中心数据库。
3.远程接收分析装置包含相应的信号接收器、无线上网路由器和装有相应软件的计算机。接收器连接计算机，接收发射器发射回来的荷载式传感器采集的数据；路由器通过网线连接同一台计算机，通过GPRS/GSM/CDMA移动通信网络接收光纤光栅解调仪采集的数据。计算机中安装有数据接收程序，该程序用于与接收器和路由器进行通信，对设备进行一些设置，接收设备传来的数据，并将其存入数据库中，供分析处理程序使用。计算机建立监测数据库，对数据进行分析处理并且运用计算程序在计算机屏幕建立监测点实际图示，显示岩土体滑动力与锚索预应力监测值的关系，以及锚索不同分布点上的光纤光栅 传感器应变检测值的实时变化和历史数据的对应曲线图。
本发明的优点为：
1、实时监测工程岩土体滑块的内部状况，及时准确得到其信息，从而实现对岩土体发生失稳的预警，预防危害。
2、在失稳发生前，预测出破坏面的位置，为加固不稳定工程岩土体的科学决策或采取应急预案提供更为全面的信息。
3、结合数据后处理系统与预警平台，对工程岩土体状况提供实时在线的远程监测与科学的分析决策。
附图说明
图1本发明的组成部分示意图：
①监控锚索
②荷载式传感器
③光纤光栅应变传感器
④光纤光栅温度传感器
⑤光缆
⑥光纤光栅解调仪
⑦摄动信号发射器
⑧光纤光栅信号发射器
⑨摄动信号接受器
⑩光纤光栅信号接受器
计算机
图2具体实施方式流程图。
图3摄动监测系统的力学模型简图
图4锚索工作的力学简化模型
图5悬臂梁应变、变形云图
图6锚索测斜坡破坏面简图
具体实施方式
下面结合附图1和2详细说明本发明的使用方式。
本发明的具体使用步骤如下：
1.确定灵敏度系数K：
将光纤光栅焊接(或粘贴)安装在试验索上，拉伸受力，确定灵敏度系数K。
2.把光纤光栅传感器粘附在监控锚索上：
将分布式光纤光栅传感系统的光纤光缆上的光纤光栅粘贴(或焊接)在锚索钢绞线的钢丝上，然后在整个传感系统上涂覆保护的704胶或HP塑料，并接入单芯传输光缆。通过锚杯上的透气孔引出锚索，再接入多芯光缆，该多芯光缆再与光纤光栅解调仪相连接。
3.安装监控锚索和荷载式传感器
监控锚索的一端穿越破坏面、锚固在滑床上，另一端位于地面外，根据现场情况和传感装置要求施加相应的预紧力；在锚索地面外端头部位安装荷载式传感装置，将滑动体整体运动趋势对锚索的整体作用力产生的拉伸应力转换为对传感器的压力，由该传感装置对锚索预应力信号予以传感。
4.系统的调试：
将整个系统安装完毕后，进行相关调试，检查光路是否相通、光栅传感器是否粘贴或焊接牢固。
5.数据采集、发送：
将单片机和发射器连接到荷载式传感器，将装有无线上网卡的DTU连接到光纤光栅解调仪，开启电源。开启摄动监测的测量系统，给荷载式传感器提供激发信号。开启光纤光栅解调仪，在解调仪上设置相关参数以及启动自动发送数据程序。
6.数据接收、分析处理：
在后方监控中心将接收器、路由器连接到监测的计算机接收各自发送端发送的数据。计算机接收设备传来的数据，并将其存入相应的数据库中，供分析处理程序使用。计算机对数据进行分析处理并且运用计算程序在计算机屏幕建立监测点实际图示，显示岩土体滑块的滑动力与锚索预应力监测值的关系，以及锚索不同分布点上的光纤光栅传感器应变检测值的实时变化和历史数据的对应曲线图。
Claims (4)
1.一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，包含：传感装置、采集发射装置、远程接收分析装置。
2.按权利要求1所述的一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，其特征在于：
传感装置由监控锚索、荷载式传感器、光纤布拉格光栅传感器、光缆组成。准分布式的光纤光栅传感器沿轴焊接(或粘贴)在监控锚索上并用光缆串接，光缆在地面上的末端接上尾纤(APC/FC接口)；监控锚索的一端穿越破坏面并锚固在滑床上，另一端位于地面外，施加一定预紧力后用钢板固定；在锚索地面外端头部位安装荷载式传感装置。
3.按权利要求1和2所述的一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，其特征在于：
采集发射装置包括与尾纤连接的光纤光栅解调仪，可以实现无线信号实时发射的单片机和信号发射器。
4.按权利要求1和3所述的一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，其特征在于：
远程接收分析装置包含相应的信号接收器和装有相应软件的计算机。
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