CN105783863B - 一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统及方法 - Google Patents
一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，包括：测量模块，基于光纤传感技术测量埋设于地基以下的监测梁上下表面应变分布，利用有限差分的方法根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布；信号模块，采集所述应变分布数据及地基的沉降分布数据，与预设的预警值比较，但所采集的数据超过相应的预警值时，发送预警信息给接收模块；接收模块，接收信号模块传来的预警信息。本发明结合光纤传感技术的快速、高分辨率以及监测范围广的优势，形成的地基沉降测量系统具有监测范围大、实时性强、分辨率高的特点，降低了监测成本，提高了监测质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统及方法，主要用于测量岩土工程建筑物如地基、路面、隧道等发生的沉降，属于工程结构健康监测技术领域。
背景技术
沉降控制对于一些较大尺寸的岩土工程结构如隧道、地基基础以及铁路线路等等尤为重要。常规的沉降传感器(如液位沉降测量系统)可以用于测量不同类型建筑结构的沉降，目前现有的技术方法也较多。
对于基于光纤传感器的测量沉降，现有技术中已有一些基本的技术方法，如专利号CN103362114A公开的基于布拉格光纤传光栅传感技术测量填土不同层深的沉降，该类型传感器结构简单，可以测量不同深度以及不同点位的沉降量；专利号CN103968804A公开的基于低相干干涉技术的沉降测量系统，该系统利用扫描光程的变化反映地面沉降，可以大范围的布设于隧道、铁路路基、大型的地基等等；专利号202119406U公开的专利将光纤光栅传感器密封在悬臂梁表面，然后将此悬臂梁密封在一个小型的盒状体内部，并将其埋入土体内部以感知沉降大小。专利号CN20187656U与专利号CN103175508A公开的结合光纤光栅传感技术测量应变、位移以及压力等参数，将这些参数综合成一套预警系统。
上述现有技术的主要问题在于，因布拉格光纤光栅传感器是准分布的传感器，一般都是测量不同点位的沉降，所以不便于进行大范围连续的沉降监测。低相干干涉技术需要特制传感器线路，传感器成本较高，且布设中需要小心，防止传感器受损。
发明内容
本发明要解决的技术问题是如何基于光纤传感器进行大范围连续的沉降监测，同时降低监测成本，提高监测质量。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于，包括：
测量模块，基于光纤传感技术测量埋设于地基以下的监测梁上下表面应变分布，利用有限差分的方法根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布；
信号模块，采集所述应变分布数据及地基的沉降分布数据，与预设的预警值比较，当所采集的数据超过相应的预警值时，发送预警信息给接收模块；
接收模块，接收信号模块传来的预警信息。
优选地，所述测量模块包括埋设于地基以下的监测梁，光纤波长不同的两种光纤传感器分别布设于监测梁的上、下表面，监测梁的上、下表面还设有预拉的裸光纤，光纤传感器及裸光纤通过室外用铠装光缆连接数据采集仪。
优选地，所述监测梁为正方形截面空心聚氯乙烯梁。
优选地，所述光纤传感器在监测梁的上、下表面等间距封装。
优选地，所述监测梁的上、下表面等间距设有用于布设所述光纤传感器的槽，所述光纤传感器设于该槽内且通过涂抹均匀的环氧树脂封装。
优选地，多个所述监测梁以并列的方式串联到一起，成阵列埋设于地基以下。
优选地，所述监测梁的上、下表面垂直于沉降发生的方向。
本发明还提供了一种基于光纤传感技术的地基沉降测量方法，其特征在于，采用上述的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，步骤为：
步骤1：布设监测系统
将多个安装有光纤传感器的监测梁以并列的方式串联到一起，埋设于地基以下；且各监测梁上的光纤传感器的波长不能重复；
步骤2：监测系统测试
利用光纤光栅解调仪对光纤传感器的波长进行扫描测试，保证所有光纤传感器工作良好；
步骤3：沉降分布计算
根据光纤传感器的波长测量值，计算监测梁上、下表面应变分布，利用有限差分的方法，根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布。
优选地，所述步骤3中，利用有限差分的方法，根据监测梁上、下表面应变分布计算地基的沉降分布的具体方法为：
利用光纤传感器将监测梁划分成n个长度为h的小单元，假定f(x-h)，f(x)，以及f(x+h)分别为在监测梁上x-h，x和x+h位置的沉降，f′(x)和f′(x-h)为在监测梁的位置x和x-h处的左一阶偏导数，则有：
用相同的方法可以计算沉降的二阶导数如下：
公式(3)是二阶常微分方程，同时对于纯弯梁，在小变形的情况下，沉降或挠度的二阶导数与梁的曲率k相等，即k～d2f/dx2＝f″，而曲率k又可由下式表示：
同时考虑到以下的应变与弯矩以及梁的刚度的关系：
其中M，D，E以及I分别表示梁的弯矩、厚度、弹性模量以及惯性矩；εai和εbi分别表示监测梁的上、下表面测量得到的应变大小；从公式(5)中可知，因为上、下光纤传感器同时处于相同的温度环境中，因此监测梁上、下表面应变的差可以消除温度对挠度计算的影响，因此不必进行温度补偿；合并公式(3)、(4)和(5)得到：
给定假定的边界条件，设监测梁的两端是简支梁的边界条件，则相应的两端均无位移，以此作为边界条件，即可以计算监测梁产生的沉降。
本发明以光纤传感器测量埋置于地基基础(或路基)以下监测梁的应变，基于有限差分的计算方法将应变分布转化为挠度(沉降)分布，反映地下同一水平各个连续位置的相对沉降量大小。标定后的监测梁可以埋入地基或路面等建筑结构以下的不同深度，测量产生的较大幅度沉降变形。
本发明结合光纤传感技术的快速、高分辨率以及监测范围广的优势，形成的地基沉降测量系统具有监测范围大、实时性强、分辨率高的特点，降低了监测成本，提高了监测质量。
附图说明
图1为本实施例提供的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统原理框图；
图2为本实施例提供的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统结构示意图；
图3为基于光纤传感技术的地基沉降测量系统应用示意图；
图4为监测梁沉降示意图；
图5为基于光纤传感技术的地基沉降测量系统操作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
图1为本实施例提供的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统原理框图，所述的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统主要包括三个模块，测量模块、信号模块和接收模块。测量模块包括光纤光栅应变传感器和相应等温度补偿传感器，通过相应的计算方法反映沉降。测量模块与信号模块之间为无线连接，以传递应变、温度和相应的沉降值。信号模块与接收模块之间亦为无线连接，以手机信息、网络邮件、报警信号等方式传递预警信息到接收模块。
结合图2，测量模块，包括内外边长分别为100mm和80mm的正方形截面空心PVC(聚氯乙烯)监测梁3，监测梁3埋置于地基或路面以下不同的深度，将两种光纤传感器4布设于监测梁3的上下表面，监测梁3的上下表面放置裸光纤5并对裸光纤进行预拉，光纤传感器4及裸光纤5通过室外用铠装光缆6连接数据采集仪1。测量监测梁3的上下表面应变的分布，利用有限差分的方法通过测得的应变分布计算梁的挠度分布，即是地基的沉降分布。
测量模块具体的装配过程为：(1)在监测梁3外表面以一定的间距封装布拉格光纤应变传感器4，具体的间距由测量的精度要求所设定，光纤应变传感器4的密度越大(间距越小)，则测得的沉降的精度越高，反则反之；(2)在相同的监测梁3上下表面放置裸光纤5并对裸光纤5进行预拉，控制好预拉的变形(如3000)；(3)利用高强室外用铠装光缆6作为光纤应变传感器4和裸光纤5的外部连接线，并将其连接到外部的数据采集仪1进行数据采集；(4)利用环氧树脂将监测梁3上下表面槽内布设的光纤传感器4进行封装，封装过程需要保证环氧树脂涂抹均匀；(4)待环氧树脂完全风干后将整个沉降监测梁放入所需要监测的土体内部进行沉降的监测，监测梁3的上下表面需要垂直于沉降发生的方向。
信号模块包括光纤光栅解调仪2、手机与电脑等通讯设备，可以联网接收或发生传感器信号。光纤光栅解调仪2连接光纤传感器4及裸光纤5。
接收模块包括接收人员、可接收无线信息的基站以及对接收到的信息进行预警的人员。监测之前预设好允许沉降量，达到或者超过该预设沉降量值即进行预警。
结合图3～5，在实际应用时，装配好光纤传感器4和裸光纤5的监测梁3以并列的方式串联到一起，成阵列布置于地基基础7或地面8以下，安装在监测梁3上的光纤传感器4的布拉格光纤光栅波长不能重复。在净压力9作用下，监测梁3发生沉降，如图4中A处所示，同时地基底部也会发生柔性沉降，如图4中B处所示。光纤传感器4和裸光纤5通过室外用铠装光缆6连接解调仪及数据采集系统15，解调仪及数据采集系统15连接数据处理系统16。
利用解调仪对布拉格光纤光栅波长进行扫描测试，保证所有光纤传感器4工作良好。基于有限差分的方法将布拉格光纤光栅的波长转换成应变以及相应的沉降值。其中，波长转换成应变的方法为本领域技术人员所公知，(可参见Hong，C.Y.，Yin，J.H.，Jin，W.，Wang，C.，Zhou，W.H.，and Zhu，H.H.2010.Comparative Study on the ElongationMeasurement of a Soil Nail Using Optical Lower Coherence InterferometryMethod and FBG Method.Adv Struct Eng 13(2)：309-319.)，而利用有限差分法通过应变计算沉降的过程如下：
有限差分法是源于泰勒多项式用于求解微分方程的数学离散化方法。通过使用此方法，连续梁被划分成n个小单元(小单元由传感器位置划分，相邻小单元由光纤传感器划分开)，小单元的长度为h。假定f(x-h)，f(x)，以及f(x+h)分别为在梁上x-h，x和x+h位置的沉降，f′(x)和f′(x-h)为在梁的位置x和x-h处的左一阶偏导数，则有：
用相同的方法可以计算沉降的二阶导数如下：
公式(3)是二阶常微分方程，同时对于纯弯梁，在小变形的情况下，沉降(或挠度)的二阶导数与梁的曲率k相等，即k～d2f/dx2＝f″，而曲率k又可由下式表示：
同时考虑到以下的应变与弯矩以及梁的刚度的关系：
其中M，D，E以及I分别表示梁的弯矩、厚度、弹性模量以及惯性矩。εai和εbi分别表示梁的上下表面测量得到的应变大小。从公式(5)中可知，因为上下光纤传感器同时处于相同的温度环境中，因此梁表面上下应变的差可以消除温度对挠度计算的影响，因此不必进行温度补偿。合并公式(3)，(4)和(5)得到：
给定假定的边界条件，如梁的两端是简支梁的边界条件，则相应的两端均无位移，以此作为边界条件即可以计算监测梁产生的沉降。
当实时检测结果达到或者超过预设沉降量值即进行预警，给接收人员或可接收无线信息的基站发送警示信息。
试验结果表明，本实施例提供的地基沉降测量系统监测范围大，实时性强，分辨率高。
Claims (7)
1.一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于，包括：
测量模块，基于光纤传感技术测量埋设于地基以下的监测梁上下表面应变分布，利用有限差分的方法根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布；
信号模块，采集所述应变分布数据及地基的沉降分布数据，与预设的预警值比较，当所采集的数据超过相应的预警值时，发送预警信息给接收模块；
接收模块，接收信号模块传来的预警信息；
所述测量模块包括埋设于地基以下的监测梁(3)，光纤波长不同的两种光纤传感器(4)分别布设于监测梁(3)的上、下表面，监测梁(3)的上、下表面还设有预拉的裸光纤(5)，光纤传感器(4)及裸光纤(5)通过室外用铠装光缆(6)连接数据采集仪(1)。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述监测梁(3)为正方形截面空心聚氯乙烯梁。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述光纤传感器(4)在监测梁(3)的上、下表面等间距封装。
4.如权利要求1或3所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述监测梁(3)的上、下表面等间距设有用于布设所述光纤传感器(4)的槽，所述光纤传感器(4)设于该槽内且通过涂抹均匀的环氧树脂封装。
5.如权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：多个所述监测梁(3)以并列的方式串联到一起，成阵列埋设于地基以下。
6.如权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于：所述监测梁(3)的上、下表面垂直于沉降发生的方向。
7.一种基于光纤传感技术的地基沉降测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～6所述的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，步骤为：
步骤1：布设监测系统
将多个安装有光纤传感器(4)的监测梁(3)以并列的方式串联到一起，埋设于地基以下；且各监测梁(3)上的光纤传感器(4)的波长不能重复；
步骤2：监测系统测试
利用光纤光栅解调仪对光纤传感器(4)的波长进行扫描测试，保证所有光纤传感器(4)工作良好；
步骤3：沉降分布计算
根据光纤传感器(4)的波长测量值，计算监测梁(3)上、下表面应变分布，利用有限差分的方法，根据所述应变分布计算监测梁(3)的挠度分布，即获得地基的沉降分布；
所述步骤3中，利用有限差分的方法，根据监测梁上、下表面应变分布计算地基的沉降分布的具体方法为：
利用光纤传感器将监测梁划分成n个长度为h的小单元，假定f(x-h),f(x),以及f(x+h)分别为在监测梁上x-h,x和x+h位置的沉降，f'(x)和f'(x-h)为在监测梁的位置x和x-h处的左一阶偏导数，则有：
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公式(3)是二阶常微分方程，同时对于纯弯梁，在小变形的情况下，沉降或挠度的二阶导数与梁的曲率k相等，即k～d2f/dx2＝f”，而曲率k又可由下式表示：
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其中M,D,E以及I分别表示梁的弯矩、厚度、弹性模量以及惯性矩；εai和εbi分别表示监测梁的上、下表面测量得到的应变大小；从公式(5)中可知，因为上、下光纤传感器同时处于相同的温度环境中，因此监测梁上、下表面应变的差可以消除温度对挠度计算的影响，因此不必进行温度补偿；合并公式(3)、(4)和(5)得到：
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给定假定的边界条件，设监测梁的两端是简支梁的边界条件，则相应的两端均无位移，以此作为边界条件，即可以计算监测梁产生的沉降。
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