CN105043344A - 一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统及方法，其中检测系统包括子区域测量站，沉降计算模块和监测控制中心，子区域测量站由纵向定位杆以及水平传感杆组成；纵向定位杆由埋设入土体内锚固段、和土体外水平传感杆连接的接合部以及和土表锚固片组成；在接合部的两侧分别通过铰接和固接与水平传感杆连接，在每个水平传感杆沿轴向植入有一个应变传感单元；各个子区域测量站通过数据传输线连接至所述沉降计算模块和监测控制中心。本发明施工方便，成本低廉，可广泛应用于隧道、斜面滑坡体、长距离轨道地基等大型建筑和岩土工程垂直沉降位移的测量和连接监测领域。

Description

一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及了一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术，尤其涉及了一种适合铁路、公路、隧道等长距离线型结构的大范围沉降分布的实时远程监测系统。

背景技术

沉降监测是铁路、公路和隧道等工程中的重要检测和监测内容，关系到正常交通运输的运营和管理。此外，为了评价和预测沉降的危害和发展过程，需要掌握沿交通线上各个路线的路基中各段土层沉降变化。目前，路基中多层沉降监测一般采用分段布设单点沉降计，将单点沉降计固定在待测土体深度范围内，人工或者自动采集压缩层的沉降数据，通过对数据进一步整合获得待测深度土体的沉降值。对于长距离线型结构覆盖范围大，现有的监测方法不适合于多点沉降监测。为了解决多点沉降的监测问题，工程上常采用一种基于悬臂梁原理，通过测量悬臂梁应变变化计算挠度变化获得沉降。由于悬臂梁原理的计算方法简单、思路清晰，适合用于远距离沉降的计算。但该方法中，当作为传力构件的悬臂发生大变形后，局部容易出现不可恢复的塑性变形，因此影响到长期监测结果的准确性。此外由于悬臂长期处于受弯变作用下，对材料本身具有很高的抗蠕变等长期性能要求。目前在对于工程中常用的复合纤维材料的长期性能的研究中发现，碳纤维其蠕变破断强度可以保持在0.75-0.8，玄武岩是0.55-0.65，玻璃为0.25-0.35。为了保证测量结果的长期准确性，须采用如碳纤维和玄武岩等无塑性变形、具有足够弯曲刚度、优越抗蠕变性能的复合纤维材料。

目前，光纤等应变传感技术越来越多的作为传感元件，应用于沉降监测工程。但光纤传感器存在的诸如，易脆断、滑移、耐久性差等问题，这些问题在实际应用影响到应变测量的精度、灵敏度、长期性能等关键指标。专利CN1858548A公开了一种利用等强度悬臂梁上、下表面的差动式光纤Bragg光栅，来测量地表的沉降量。等强度悬臂梁的设计需要随着弯矩的大小相应地改变截面尺寸，在远距离监测中需要有足够端部宽度以保证测量的精度，加之传力过程悬臂两端容易出现扭转问题，因此难以实际应用于长距离线型结构的大范围沉降监测。此外光纤光栅等点式传感元件只适合反应传力构件局部的应变变化，在长期监测中不均质材料以及外界环的影响造成的误差，会在计算过程放大，导致沉降计算准确性降低的问题。另外由于光纤等微小直径的应变传感元件只适合测量张拉应变，压缩测量时需预先提供足够预张量。对于点式光纤传感元件难以保证压缩变形的测量精度。另外一方面，一种新颖的长标距传感器开始应用于大型结构的应变传感技术中。长标距传感器是指测量标距长且测量结果能够反映被测体一定特征区域被测物理量的传感器，其中的标距长度(指传感器能够进行有效测量部分的长度。相对于传感标距短且测量结果只能反映被测体局部某点被测物理量的点式传感元件，长标距传感器能够反映被测结构一定区域或特征尺度范围内的物理量变化，适宜大型桥隧工程结构，特别是混凝土工程结构。长标距传感器可以根据端部刚度设计、耐久性设计和增敏设计，满足不同条件的测量要求。最近有研究发现，对于布里渊散射光技术和碳纤维传感技术，由于通过封装实现标距(或测量空间分解能)内传感元件的应变均匀，长标距传感器适合于降低测量误差、实现高精度动静态测量的目的。长标距传感器可按照适当密度分布布设在结构的一定区域，从而达到对各类桥隧工程结构的长距离大范围区域的动静态监测。

综上所述，为了铁路、公路、隧道等长距离线型结构的大范围沉降分布的实时远程监测，可以通过结合悬臂梁传力原理和长标距应变传感技术，开发一种计算方便、且具有长期稳定监测能力的监测系统。

发明内容

本发明的提供一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，通过叉状锚固端和连杆将地基内沉降量传递到土表，此时固定在两个连杆之间的水平传感杆会出现应变变化；通过铰接和固接的水平传感杆上的应变关系，实现该观测点沉降判断并计算沉降量；再通过数据传输技术连接各个观测点构成子观测站，并进一步联网建成观测网络。

一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：包括子区域测量站，沉降计算模块和监测控制中心，所述子区域测量站由在沿交通线路分布的各个观测点位置打设的纵向定位杆以及连接在相邻两纵向定位杆之间的水平传感杆组成；所述纵向定位杆由埋设入土体内锚固段、和土体外水平传感杆连接的接合部以及和土表锚固片组成；在所述接合部的两侧分别通过铰接和固接与所述水平传感杆连接，在每个所述水平传感杆沿轴向植入有一个应变传感单元；所述各个子区域测量站通过数据传输线连接至所述沉降计算模块和监测控制中心。

所述土体内锚固段为自分叉状锚固端，该自分叉状锚固端为由带预留孔的刚性外壁结构和柔性分叉芯线组成，所述预留孔沿所述刚性外壁结构外壁倾斜向下设置，所述柔性分叉芯线上端铰接在所述纵向定位杆的下端，所述柔性分叉芯线下端在所述纵向定位杆向下移动时插入所述预留孔。

所述水平传感杆的截面为方形、圆形或工字形纤维复合材料杆件。

所述应变传感单元设置在所述水平传感杆偏离形心位置，每个应变传感单元在接合部近旁包含一组或多组应变传感器件。

所述应变传感器件是光纤光栅、基于布里渊散射技术或连续碳纤维传感技术的长标距应变传感器。

一种沉降分布监测方法，其当沉降发生时，土体内锚固段与土体一起变形，通过纵向定位杆带动水平传感杆的一端下沉，以致应变传感单元应变数值变化；根据所述子区域测量站内各个监测点对应的水平传感杆之间的张拉或压缩应变关系，通过沉降计算模块，整合获得该子区域测量站内沉降分布。

所述沉降计算模块通过以下步骤获得沉降分布：

步骤一：对各个子区域测量站内，从配置的基岩水准点近旁的观测点开始，依次获得各个监测点的水平传感杆的铰接侧和固接侧的2组应变传感单元的应变值，其中铰接和固接的两个水平传感杆的应变值分别定义为εi1和εi2；

步骤二：根据εi1和εi2的张拉和压缩的分布关系，进行沉降分布判断原则，并计算沉降量。

沉降分布判断原则包括：

变形判断原则：如水平传感杆的应变呈现增加趋势时，该杆定义为受拉；如水平传感杆的应变呈现减少趋势时，该杆定义为受压；当水平传感杆的无应变变化时，该杆定义为无变形；

沉降位置判断原则：从配置的基岩水准点近旁的观测点开始，当出现首个发生受拉变形的监测点i时，则判定该点出现沉降；如监测点i+1的εi2为受压，且数值与εi2一致，则判定监测点i+1无沉降；如监测点i+1的εi2为无变形，则判定监测点i+1与监测点i同程度沉降；如监测点i+1的εi2为受拉，则判定监测点i+1发生沉降，且大于与监测点i。

沉降计算方法，包含以下步骤：

步骤一：将观测站配置的基岩定义为参考水准点；

步骤二：从参考水准点开始依次对监测点进行沉降分布判断，当监测点i出现受拉变形时，根据该监测点上铰接的水平传感杆上应变单元测得应变分布平滑化处理获得水平传感杆上应变变化ε(i1)，以及应变传感单元的距离型心位置h1、型心距离中性轴高度h2、截面高度H、水平传感杆的长度L，结合悬臂梁理论，计算该监测点上铰接侧竖向位移： $x\left(i\right)=L\·\sqrt{\frac{{(H-h1)}^2}{{(h1+h2)}^2}{(1+{\mathrm{\ϵ}}_{i1})}^2-1^2},$

再迭代上一步沉降量δ(i-1)获得该点沉降量δ(i)＝δ(i-1)+x(i)；

步骤三：对下一个监测点进行沉降分布判断，如判断结果为无沉降，则将监测点i+1定义为参考水准点，重复步骤二；如判断结果为同程度沉降，则记录该点沉降量δi+1，重复步骤三；如判断结果为大于与监测点i,则根据步骤二所述方法计算该监测点上铰接侧竖向位移，并加上沉降量δi获得该点沉降量δi+1，重复步骤三，直至完成该监测区域内所有监测点。

本发明的有益效果是通过在发生不同沉降情况下，铰接和固接的水平传感杆之间的相互关系，在不需人工调整的情况下，实现沉降数值判断；并通过具有足够弯曲刚度、且具有优越抗蠕变性能的复合纤维材料，构成适合于感知两个监测点之间相对变化的水平传感杆，结合沉降判断结果实现对多点沉降的精准计算。本发明能够实现铁路、隧道等长距离线型结构的大范围沉降的感知，适合于多点水平布设的沉降测量要求，进而达到评价地基稳定性和运营安全。

附图说明

图1是本发明子区域测量站的结构示意图。

图2是本发明纵向定位杆的底部安装示意图，a为安装前示意图，b为安装后示意图。

图3是本发明的水平传感杆的铰接和固接示意图。

图4是本发明的水平传感杆的切向截面图。

图5是本发明的水平传感杆的轴向截面图。

图6是本发明的工作原理图。

图7是本发明的监测网络布设示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明的主要方案是在各个监测点打设纵向定位杆1和水平传感杆2。纵向定位杆1包括土体内锚固段3、土体外水平传感杆连接的接合部4、和土表锚固片5组成。由于土体内锚固段3和土表锚固片5可以保证纵向定位杆1和土体协同变形，将监测点的纵向沉降量通过纵向定位杆1传递到水平传感杆2上，造成水平传感杆2受弯变形。

如图2所示，为纵向定位杆1提供一种自分叉锚固方式。该方式中纵向定位杆1底部为带预留管的坚硬的外壁结构7和相对柔性的分叉芯线8组成；当土体内锚固段3打入土体时，通过推压底部所述分叉芯线8沿预留管方向向外伸展插入土体内部，再注入树脂或砂浆等粘合剂形成具有分叉结构的稳定的锚固端。

如图3所示，各个纵向定位杆1之间通过水平传感杆2连接，其左侧为铰接方式、右侧为固接方式，以保证水平传感杆2以悬臂梁的方式受弯变形。其中杆端处为连接空腔12，其中为数据传输线连接的缠绕段13。对于光纤应变传感元件的传感方式，尤其是对于布里渊散射光的传感技术，须具有适合于测量时设定的空间分解能的足够长度的缠绕段13。

如图4所示，水平传感杆2偏离形心位置沿轴向植入有一个应变传感单元11，每个应变传感单元在接合部近旁包含一组或多组应变传感器件15；当监测点发生沉降时，根据相邻的两个纵向定位杆1之间相对移动方式不同，基于材料力学平截面假定，纵向定位杆1左右两侧的水平传感杆2会发生包括伸长和压缩和不变形三种变形方式；为了满足传感单元11的压缩测量要求，所述的应变传感单元需具有足够的预张量。

如图5所示，在水平传感杆2的固结段，从固接点植入有多个应变传感器件15，应变传感单元数目由测量要求的精度决定，并通过传输线单元14连接至下一组水平传感杆。在本实例中给出3个应变传感单元，根据应变传感单元在水平传感杆上的位置，和实测的应变值，通过平滑化处理可获得水平传感杆上应变变化ε(i1)，以及应变传感单元11的距离型心位置h1、型心距离中性轴高度h2、截面高度H、水平传感杆2的长度L，结合悬臂梁理论，计算该监测点上铰接侧竖向位移 $x\left(i\right)=L\·\sqrt{\frac{{(H-h1)}^2}{{(h1+h2)}^2}{(1+{\mathrm{\ϵ}}_{i1})}^2-1^2},$ 再迭代上一步沉降量δ(i-1)获得该点沉降量δ(i)＝δ(i-1)+x(i)。

如图6所示，通过判断水平传感杆2的变形方式，可以判断出对应监测点相对于前一个监测点的沉降方式应变。在本实例中，当三个监测点之间相对于无沉降变化时，其之间的水平传感杆2为无变形；当只有监测点i发生沉降时，监测点i-1与监测点i之间传感单元11位于受拉侧，监测点i与监测点i+1之间传感单元11位于受压侧，监测点i+1右侧的传感单元11无应变变化；当监测点i与i+1同时发生沉降、且时监测点i+1大于监测点i时，监测点i-1与监测点i之间的传感单元11位于受拉侧，监测点i与监测点i+1之间的传感单元11同样位于受拉侧，监测点i+1右侧的传感单元11位于受压侧。藉此可以判断各个沉降情况下，各个监测点之间的相对沉降量。

如图7所示，通过串联各个水平传感杆2上的传感单元11，通过数据传输将各个子区域测量站16连接导入沉降计算模块17；最后数据导入监测控制中心18，以达到对于长距离范围内线型路基的分布型沉降监测的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：包括子区域测量站(16)，沉降计算模块(17)和监测控制中心(18)，所述子区域测量站(16)由在沿交通线路分布的各个观测点位置打设的纵向定位杆(1)以及连接在相邻两纵向定位杆之间的水平传感杆(2)组成；所述纵向定位杆(1)由埋设入土体内锚固段(3)、和土体外水平传感杆连接的接合部(4)以及和土表锚固片(5)组成；在所述接合部的两侧分别通过铰接和固接与所述水平传感杆(2)连接，在每个所述水平传感杆(2)沿轴向植入有一个应变传感单元(11)；所述各个子区域测量站(16)通过数据传输线连接至所述沉降计算模块(17)和监测控制中心(18)。

2.如权利要求1所述的一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：所述土体内锚固段(3)为自分叉状锚固端，该自分叉状锚固端(3)为由带预留孔的刚性外壁结构(7)和柔性分叉芯线(8)组成，所述预留孔沿所述刚性外壁结构外壁倾斜向下设置，所述柔性分叉芯线上端铰接在所述纵向定位杆的下端，所述柔性分叉芯线下端在所述纵向定位杆向下移动时插入所述预留孔。

3.如权利要求1所述的一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：所述水平传感杆(2)的截面为方形、圆形或工字形纤维复合材料杆件。

4.如权利要求1所述的一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：所述应变传感单元(11)设置在所述水平传感杆(2)偏离形心位置，每个应变传感单元在接合部近旁包含一组或多组应变传感器件。

5.如权利要求4所述的一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：所述应变传感器件是光纤光栅、基于布里渊散射技术或连续碳纤维传感技术的长标距应变传感器。

6.一种基于权利要求1所述沉降分布监测系统检测沉降的方法，其特征在于：当沉降发生时，土体内锚固段(3)与土体一起变形，通过纵向定位杆(1)带动水平传感杆(2)的一端下沉，以致应变传感单元(11)应变数值变化；根据所述子区域测量站(16)内各个监测点对应的水平传感杆之间的张拉或压缩应变关系，通过沉降计算模块(17)，整合获得该子区域测量站(16)内沉降分布。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述沉降计算模块(17)通过以下步骤获得沉降分布：

步骤一：对各个子区域测量站(16)内，从配置的基岩水准点近旁的观测点开始，依次获得各个监测点的水平传感杆(2)的铰接侧和固接侧的2组应变传感单元(11)的应变值，其中铰接和固接的两个水平传感杆(2)的应变值分别定义为εi1和εi2；

步骤二：根据εi1和εi2的张拉和压缩的分布关系，进行沉降分布判断原则，并计算沉降量。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：沉降分布判断原则包括：

变形判断原则：如水平传感杆的应变呈现增加趋势时，该杆定义为受拉；如水平传感杆的应变呈现减少趋势时，该杆定义为受压；当水平传感杆的无应变变化时，该杆定义为无变形；

沉降位置判断原则：从配置的基岩水准点近旁的观测点开始，当出现首个发生受拉变形的监测点i时，则判定该点出现沉降；如监测点i+1的εi2为受压，且数值与εi2一致，则判定监测点i+1无沉降；如监测点i+1的εi2为无变形，则判定监测点i+1与监测点i同程度沉降；如监测点i+1的εi2为受拉，则判定监测点i+1发生沉降，且大于与监测点i。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，沉降计算方法，包含以下步骤：

步骤一：将观测站配置的基岩定义为参考水准点；

步骤二：从参考水准点开始依次对监测点进行沉降分布判断，当监测点i出现受拉变形时，根据该监测点上铰接的水平传感杆(2)上应变单元测得应变分布平滑化处理获得水平传感杆(2)上应变变化ε(i1)，以及应变传感单元(11)的距离型心位置h1、型心距离中性轴高度h2、截面高度H、水平传感杆(2)的长度L，结合悬臂梁理论，计算该监测点上铰接侧竖向位移： $x\left(i\right)=L\·\sqrt{\frac{{(H-h1)}^2}{{(h1+h2)}^2}{(1+{\mathrm{\ϵ}}_{i1})}^2-1^2},$

再迭代上一步沉降量δ(i-1)获得该点沉降量δ(i)＝δ(i-1)+x(i)；

步骤三：对下一个监测点进行沉降分布判断，如判断结果为无沉降，则将监测点i+1定义为参考水准点，重复步骤二；如判断结果为同程度沉降，则记录该点沉降量δi+1，重复步骤三；如判断结果为大于与监测点i,则根据步骤二所述方法计算该监测点上铰接侧竖向位移，并加上沉降量δi获得该点沉降量δi+1，重复步骤三，直至完成该监测区域内所有监测点。