CN104897133B - 一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法，其特征在于，在待测长距离线状基础设施上沿线状走向根据需要布设若干测点，每个测点处安设一沉降测试传感器，各个沉降测试传感器通过连通管连接在一起，沉降传感器包括压力膜和光纤光栅传感器，连通管内的连通液处于密封状态，根据连通管原理，静止的连通管各个测点位置液体压强是一致的，测试系统通过压力膜将不同位置处的水压力转换成变形，再通过光纤光栅传感器测出相应的位移变化，最终实现各测点沉降测试。上述方法通过压强传递的原理实现了各测点沉降测试，可以克服静力水准仪中通过自由水体流动实现压力平衡带来的量程有限和水面难以平衡的难题。

Description

一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法
[技术领域]
本发明属于土木工程结构中线状基础设施的沉降在线监测技术领域，具体的说是一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法。
[背景技术]
所谓线状基础设施，泛指长宽比非常大的承载城乡基础功能运行的建(构)筑物，其中以交通类基础设施居多，如轨道交通、隧道、大型桥梁、铁路等，从结构监测技术角度来讲，也可延展至输水气油管线、长大型公共建筑等。由于其独特的结构形态，使得其结构刚度和整体稳定性对其沉降指标极其敏感，沉降趋势的发展规律包括相邻点差异的突变意味着线状基础设施刚度的变化情况，通常伴随着结构病害的产生和发展。现有的技术多采用静力水准仪或光学水准仪进行长距离沉降测量。
静力水准仪可以做到在线监测，但是其测试长度有限(通常超过200m，系统很难实现平衡)，沉降测量量程很小(通常为10cm左右，而隧道的沉降往往超过这个限值)，而且静力水准仪成本很高(约1万元/测点)。光学水准仪可以实现长距离的高精度测试，但只能通过人工转站实现长距离沉降测量，无法实现在线监测，且工作量较大，人工成本很高。
[发明内容]
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提出了一种基于光纤光栅传感技术的长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法。
为实现上述目的，设计一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法，包括沉降测试系统远程客户端、数据采集装置和数据传输装置，通过沉降测试系统的数据采集和数据传输，从而在远程客户端实现沉降数据的实时采集和在线展示，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在待测长距离线状基础设施上沿线状走向根据需要布设若干测点，每个测点处安设一沉降测试传感器，各个沉降测试传感器通过连通管连接在一起，每一组沉降测试传感器包括压力膜和光纤光栅传感器，由于连通管内的连通液处于密封状态，根据连通管原理，静止的连通管各个测点位置液体压强是一致的，各测点初始状态时，测试系统内各点位置高程 和传感器压力以(a)式表示：
H01+ΔP1＝H02+ΔP2＝H03+ΔP3 (a)
式中H01，H02，H03，△P1，△P2，△P3指初始的各测点相对高程和压力膜压力。
(2)当各测点位置发生相应沉降时，测试系统内各点位置高程 和传感器压力会发生相应的变化，以(b)式表示：
H01′+ΔP1′＝H02′+ΔP2′＝H03′+ΔP3′ (b)
式中H01’，H02’，H03’，△P1’，△P2’，△P3’指变化后的各测点相对高程和压力膜压力。
(3)将(b)式减去(a)式，可以得到(c)式：
(H01′-H01)+(ΔP1′-ΔP1)＝(H02′-H02)+(ΔP2′-ΔP2)＝(H03′-H03)+(ΔP3′-ΔP3) (c)
(4)通过(c)式可以进一步得到：
(4)通过(d)式发现，测点3或其他任意测点的沉降变化均可通过测点1的沉降变化和各压力膜的压强转化成水头高度变化计算得到。
如果把测点1作为基准点，其位置保持不变，那么(d)式可以进一步简化成：
相邻两组测点传感器之间间隔可以根据需要调整，只要不超过测量段内最大水头差(10m)，可以不限距离。
测试系统通过压力膜将不同位置处的水压力转换成变形，再通过光纤光栅传感器测出相应的位移变化，最终实现各测点沉降测试。
上述方法通过压强传递的原理实现了各测点沉降测试，可以克服静力水准仪中通过自由水体流动实现压力平衡带来的量程有限和水面难以平衡的难题。
[附图说明]
图1为各测点位置处于初始位置时，各点位置高程 和传感器压力示意图；
图2为各测点位置发生相应的沉降时，各点位置高程 和传感器压力会发生相应的变化示意图；
[具体实施方式]
现结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，相信对本领域技术人员来说是清楚的。
如图1所示，为各测点位置处于初始位置时，各点位置高程 和传感器压力示意图；其中圆圈表示压力传感器。
在待测长距离线状基础设施上沿线状走向设有若干测点，每个测点处安设一沉降测试传感器作为数据采集装置，各个沉降测试传感器通过连通管连接在一起，每一组沉降测试传感器包括压力膜和光纤光栅传感器，数据采集装置通过数据传输装置将测试点数据传输至远程客户端，实现沉降数据的实时采集和在线展示，由于连通管内的连通液处于密封状态，根据连通管原理，静止的连通管各个测点位置液体压强是一致的，各测点初始状态时，测试系统内各点位置高程 和传感器压力以(a)式表示：
H01+ΔP1＝H02+ΔP2＝H03+ΔP3 (a)
式中H01，H02，H03，△P1，△P2，△P3指初始的各测点相对高程和压力膜压力；
如图2所示，当各测点位置发生相应的沉降，各点位置高程 和传感器压力会发生相应的变化，如式(b)所示：
H01′+ΔP1′＝H02′+ΔP2′＝H03′+ΔP3′ (b)
式中H01’，H02’，H03’，△P1’，△P2’，△P3’指变化后的各测点相对高程和压力膜压力；
将(b)式减去(a)式，可以得到：
(H01′-H01)+(ΔP1′-ΔP1)＝(H02′-H02)+(ΔP2′-ΔP2)＝(H03′-H03)+(ΔP3′-ΔP3) (c)
通过(c)式可以进一步得到：
通过(d)式可以发现，测点2或测点3的沉降变化可以通过测点1的沉降变化和各压力膜的压强(转化成水头高度)变化计算得到。
如果把测点1作为基准点，其位置保持不变，那么(d)式可以进一步简化成：
测试系统通过压力膜将不同位置处的水压力转换成变形，再通过光纤光栅传感器测出相应的位移变化，最终实现各测点沉降测试。

Claims (4)

1.一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法，包括沉降测试系统远程客户端、数据采集装置和数据传输装置，通过沉降测试系统的数据采集和数据传输，从而在远程客户端实现沉降数据的实时采集和在线展示，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在待测长距离线状基础设施上沿线状走向设有若干测点，每个测点处安设一沉降测试传感器作为数据采集装置，各个沉降测试传感器通过连通管连接在一起，每一组沉降测试传感器包括压力膜和光纤光栅传感器，由于连通管内的连通液处于密封状态，根据连通管原理，静止的连通管各个测点位置液体压强是一致的，各测点初始状态时，测试系统内各点位置高程和传感器压力以(a)式表示：
H01+ΔP1＝H02+ΔP2＝H03+ΔP3 (a)
式中H01，H02，H03，△P1，△P2，△P3指初始的各测点相对高程和压力膜压力；
(2)当各测点位置发生相应沉降时，测试系统内各点位置高程和传感器压力会发生相应的变化，以(b)式表示：
H01′+ΔP1′＝H02′+ΔP2′＝H03′+ΔP3′ (b)
式中H01’，H02’，H03’，△P1’，△P2’，△P3’指变化后的各测点相对高程和压力膜压力；
(3)将(b)式减去(a)式，可以得到(c)式：
(H01′-H01)+(ΔP1′-ΔP1)＝(H02′-H02)+(ΔP2′-ΔP2)＝(H03′-H03)+(ΔP3′-ΔP3) (c)
(4)通过(c)式可以进一步得到：
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(5)通过(d)式发现，测点3或其他的任意测点的沉降变化均可通过测点1的沉降变化和各压力膜的压强转化成水头高度变化计算得到。
2.如权利要求1所述的一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法，其特征在于，如果把测点1作为基准点，其位置保持不变，那么(d)式可以进一步简化成：
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>H</mi> <mn>02</mn> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>02</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>2</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <msub> <mi>H</mi> <mn>03</mn> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>-</mo> <msub> <mi>H</mi> <mn>03</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>1</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo> <mo>-</mo> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>3</mn> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>e</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>
3.如权利要求1所述的一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法，其特征在于，相邻两组沉降测试传感器之间间隔根据需要调整，不超过测量段内最大水头差10m。
4.如权利要求1所述的一种用于长距离线状基础设施沉降测试的在线监测方法，其特征在于，测试系统通过压力膜将不同位置处的水压力转换成变形，再通过光纤光栅传感器测出相应的位移变化，最终实现各测点沉降测试。
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