CN106092042B - 一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器，包括测沉降管、测斜管、不锈钢板、光纤光栅敏感元件、光缆及光纤光栅解调仪，其中，测沉降管与测斜管相互垂直连接埋设在软土地基内，并在测沉降管与测斜管内壁分别开有用于固定多块不锈钢板的十字槽口，不锈钢板厚度与十字槽口宽度一致；且不锈钢板上焊接有多个光纤光栅敏感元件，光纤光栅敏感元件通过光缆与光纤光栅解调仪连接；同时在测沉降管上部安装有钢板。本发明采用光纤光栅为传感元件，充分利用光纤光栅传感材料的优越性，便于形成监测网络，以实现对软基整个横断面沉降和软土体内变形的实时在线监控，具有灵敏度高、抗干扰性强、能够自动获取数据、耐水性好、使用寿命长优点。

Description

一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用 方法

技术领域

本发明涉及地基监测装置技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器。

背景技术

由于地质形成的复杂性、特殊性，在道路沿线路基下通常存在很厚的软土层，而软土层具有含水量高、压缩性强、孔隙比大等缺点，直接影响道路的稳定和安全；在此地基上修筑道路时，若对路基采取的处理方式不符合要求，则会因道路地基沉降或差异沉降过大而危害道路的使用功能，这也是道路在运营阶段能否高效和安全运营的关键，故地基沉降监测是工程应用中的重要内容。

目前，针对道路施工监测软土路基沉降的方法主要采用沉降板法，而沉降板法使用传统的测量仪器，不仅精度较低，且沉降板体积大，安装不便，测点易损，需要人工逐点测量，不能自动获取数据，测量误差大，在阴雨天气更是无法测量，同时长期人工测量费用高；此外，沉降板法只能在施工期间测量，一旦道路通车后，便无法继续监测到路基沉降的状况，缺乏长期性。虽然，近些年，出现了采用振弦式沉降传感器监测，但该类传感器存在抗电磁干扰、抗水干扰能力差，使用寿命短、自动化程度低等问题，且振弦式沉降传感器监测只能定点进行量测，无法对整个横断面的变形进行监测，存在一定的局限性。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器，以解决上述背景技术中的缺点。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器，包括测沉降管、测斜管、不锈钢板、光纤光栅敏感元件、光缆及光纤光栅解调仪，其中，测沉降管与测斜管相互垂直连接埋设在软土地基内，并在测沉降管与测斜管内壁分别开有用于固定多块不锈钢板的十字槽口，不锈钢板厚度与十字槽口宽度一致；且不锈钢板上焊接有多个光纤光栅敏感元件，光纤光栅敏感元件通过光缆与光纤光栅解调仪连接；同时在测沉降管上部安装有钢板，以利于测沉降管与软土地基协调变形。

在本发明中，测沉降管与测斜管相互垂直连接处设置有合页。

在本发明中，测沉降管与测斜管为PVC材质制成，且测沉降管和测斜管外径均为65mm，内径为60mm，内壁的十字槽口深度为2mm、宽2mm。

在本发明中，测沉降管两端分别设置有保护罩，测斜管上部设置有保护罩，下部设置有套筒，套筒为锥型套筒。

在本发明中，多块不锈钢板通过连接钢板双面连接固定，以保证不锈钢板连接后接头处的刚度达到原来钢板的刚度。

在本发明中，不锈钢板厚度为2mm，宽度为61mm，长度为1000mm。

在本发明中，连接钢板厚度为2mm，宽度为10mm，长度为40mm。

在本发明中，不锈钢板上同一侧中心线位置每隔500mm焊接一个光纤光栅敏感元件。

在本发明中，光纤光栅敏感元件通过连接法兰与光缆连接。

在本发明中，首先安装测斜管，测斜管底部要求埋设至软土地基硬土层中1m以上，以确保测斜管下侧不发生位移；并将光纤光栅传感元件焊接在不锈钢板上，每块不锈钢板通过连接钢板连接固定，而不锈钢板上的光纤光栅传感元件通过光缆串联，随后将不锈钢板插入测斜管的十字槽口；采用钻孔设备定位钻孔，待钻孔达到设计标高，再将套有套筒的测斜管放入所钻孔内，同时将测斜管内的十字槽口与岩土体趋势方向垂直或平行；再次安装测沉降管，测沉降管埋设在软土地基表层中，先将用于置入测沉降管内的不锈钢板通过连接钢板连接固定，光纤光栅传感元件焊接在不锈钢板上，并将不锈钢板上的光纤光栅传感元件通过光缆串联，随后将不锈钢板放入测沉降管内，在放置时对准测沉降管的十字槽口，且测沉降管内的不锈钢板处于同一水平线上，再将保护罩分别罩在测斜管上部、测沉降管两端，以防杂质进入，影响测量的准确性；在测斜管与测沉降管的连接处安装合页，光缆穿过合页与光纤光栅解调仪连接，最后在测沉降管上部每隔一定距离安放一块钢板，以便使测沉降管和软土地基共同下沉；当软土地基发生沉降变形时，土体将向下挤压测沉降管、向左挤压测斜管，此时，测沉降管、测斜管与土体一起发生变形，而安装在测沉降管与测斜管内的不锈钢板也随之发生变形，故认定软土地基内发生的变形与不锈钢板发生的变形具有一致性，通过梁的弯曲理论，利用差分计算法，推导出每个光纤光栅敏感元件测点的应变值和与挠度值之间的关系，再利用光纤光栅解调仪测出各个测点的表面应变值，从而算出每个光纤光栅敏感元件测点的挠度值，即可知软土地基的沉降。

有益效果：

1）本发明中测沉降管和测斜管内不锈钢板的应变量监测采用光纤光栅为传感元件，充分利用光纤光栅传感材料的优越性，通过光缆将测斜管内的光纤光栅敏感元件与测沉降管内的光纤光栅敏感元件串联进行信号传输，便于形成监测网络，同时可进行数据采集，以实现对软基整个横断面沉降和软土体内变形的实时在线监控，为公路地基沉降和软基内部变形情况进行长期稳定监测和安全预警预报，确保公路的安全运行具有非常重要的现实意义；

2）本发明中传感器由测沉降管和测斜管组成，不仅可测出软土地基整个横断面的竖向沉降量，还可测出软基土体不同深度的水平变形量；

3）本发明中不锈钢板设计简单，携带方便，容易安装，大大节约工程成本；

4）本发明中采用光纤光栅传感技术，具有灵敏度高、抗干扰性强、能够自动获取数据、耐水性好、使用寿命长，可实时在线监测软基沉降的优点。

附图说明

图1为本发明的较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的较佳实施例中的PVC测沉降管剖视图。

图3为本发明的较佳实施例中的PVC测沉降管与PVC测斜管连接示意图。

图4为本发明的较佳实施例中的PVC测沉降管与PVC测斜管连接左视图。

图5为本发明的较佳实施例中的不锈钢板连接示意图。

图6为本发明的较佳实施例中的PVC测沉降管预埋俯视图。

图7为本发明的较佳实施例的埋设示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1～7的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器，包括PVC测沉降管1、PVC测斜管2、套筒3、保护罩4、不锈钢板5、连接钢板6、螺栓7、光纤光栅敏感元件8、连接法兰9、合页10、光缆11、光纤光栅解调仪12、十字槽口13及钢板14。

在本实施例中，PVC测沉降管1与PVC测斜管2相互垂直，并在PVC测沉降管1两端端部设置有保护罩4，PVC测斜管2上部设置有保护罩4，PVC测斜管2下部设置有套筒3，且在PVC测沉降管1与PVC测斜管2连接处设置有合页10，通过合页10、螺栓7将PVC测斜管2上部的保护罩4与PVC测沉降管1左端的保护罩4连接固定；PVC测沉降管1与PVC测斜管2内壁分别开有十字槽口13，且十字槽口13的宽度与不锈钢板5厚度一致，多块不锈钢板5通过连接钢板6与螺栓7进行双面连接固定，在将已连接固定的不锈钢板5逐节置入PVC测沉降管1、PVC测斜管2内，通过十字槽口13固定不锈钢板5；不锈钢板5上焊接有多个光纤光栅敏感元件8，光纤光栅敏感元件8通过连接法兰9与光缆11串联，而后光缆11穿过保护罩4、合页10与光纤光栅解调仪12连接；PVC测沉降管1预埋时，在PVC测沉降管1上部安装有钢板14。

在本实施例中，不锈钢板5之间接头采用连接钢板6两处双面进行连接固定，以保证不锈钢板5连接后接头处的刚度达到原来钢板的刚度。

在本实施例中，PVC测沉降管1和PVC测斜管2外径均为65mm，内径为60mm，内壁的十字槽口13深度为2mm、宽2mm，每一节PVC测沉降管1和PVC测斜管2的长度为2000mm，且通过PVC套筒连接加长后使用螺丝进行固定。

在本实施例中，不锈钢板5厚度为2mm，宽度为61mm，长度为1000mm。

在本实施例中，连接钢板6厚度为2mm，宽度为10mm，长度为40mm。

在本实施例中，不锈钢板上5同一侧中心线位置每隔500mm焊接一个光纤光栅敏感元件8。

在本实施例中，套筒3为锥型套筒。

在本实施例中，PVC测沉降管1上部间隔一定距离安装一块钢板14，以利于PVC测沉降管1与软土地基协调变形。

在本实施例中，现场安装时，首先安装PVC测斜管2，PVC测斜管2底部要求埋设至软土地基硬土层中1m以上，以确保PVC测斜管2下侧不发生位移，采用钻孔设备进行定位钻孔，尽量保证所钻的孔竖直，待钻孔达到设计标高，再将套有套筒3的PVC测斜管2放入所钻孔内，同时将PVC测斜管2内的十字槽口13与岩土体趋势方向垂直或平行；并将光纤光栅传感元件8焊接在不锈钢板5上，每块不锈钢板5通过连接钢板6、螺栓7连接固定，而不锈钢板5上的光纤光栅传感元件8通过光缆11串联，随后将不锈钢板5插入PVC测斜管2的十字槽口13；再次安装PVC测沉降管1，PVC测沉降管1埋设在软土地基表层中，先将用于置入PVC测沉降管1内的不锈钢板5通过连接钢板6、螺栓7连接固定，光纤光栅传感元件8焊接在不锈钢板5上，并将不锈钢板5上的光纤光栅传感元件8通过光缆11串联，随后将不锈钢板5放入PVC测沉降管1内，在放置时对准PVC测沉降管1的十字槽口13，再用PVC套筒将每节PVC测沉降管1连接并通过螺丝固定，且PVC测沉降管1内的不锈钢板5处于同一水平线上，最后将保护罩4分别罩在PVC测斜管2上部、PVC测沉降管1两端，以防杂质进入，影响测量的准确性；此外，在PVC测斜管2与PVC测沉降管1的连接处安装合页10，光缆11穿过合页10与光纤光栅解调仪12连接，再在PVC测沉降管1上部每隔一定距离安放一块钢板14，当软土地基沉降时带动钢板14沉降，PVC测沉降管1随之变形。

在现场安装PVC测沉降管1前，在软土地基表层挖出宽70mm、高70mm，且与PVC测沉降管1等长的检测沟，再将安装好后的PVC测沉降管1放置在检测沟内。

光纤光栅解调仪12用于检测每个光纤光栅敏感元件8的波长变化，并考虑温度补偿后，给出每个不锈钢板5测点处的应变，再根据应变与挠度的公式关系计算出每一点的挠度值，由于PVC测斜管2与PVC测沉降管1相互连接，从而导致PVC测沉降管1随PVC测斜管2发生转角和水平位移，故最后须将PVC测沉降管1的每个测点值进行修正。

软土地基沉降传感器的工作原理是：

当软土地基发生沉降变形时，土体将向下挤压PVC测沉降管1和向左挤压PVC测斜管2，PVC测沉降管1、PVC测斜管2与土体一起发生变形，而安装在PVC测沉降管1和PVC测斜管2内的不锈钢板5也随之发生变形，故认定软土地基内发生的变形与不锈钢板5发生的变形具有一致性，通过梁的弯曲理论，利用差分计算法，推导出每个光纤光栅敏感元件8测点的应变值和与挠度值之间的关系，再利用光纤光栅解调仪12测出各个测点的表面应变值，算出每个光纤光栅敏感元件8测点的挠度值，即可知软土地基的沉降。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器包括测沉降管、测斜管、不锈钢板、光纤光栅敏感元件、光缆及光纤光栅解调仪，其特征在于，测沉降管与测斜管相互垂直连接埋设在软土地基内，测沉降管与测斜管相互垂直连接处设置有合页，测沉降管沿软土地基的路基横断面布设，并在测沉降管与测斜管内壁分别开有用于固定多块不锈钢板的十字槽口，不锈钢板厚度与十字槽口宽度一致；且不锈钢板上焊接有多个光纤光栅敏感元件，光纤光栅敏感元件通过光缆与光纤光栅解调仪连接；同时在测沉降管上部安装有钢板；

现场安装时，首先安装测斜管，测斜管底部要求埋设至软土地基硬土层中1m以上，以确保测斜管下侧不发生位移；并将光纤光栅传感元件焊接在不锈钢板上，每块不锈钢板通过连接钢板连接固定，而不锈钢板上的光纤光栅传感元件通过光缆串联，随后将不锈钢板插入测斜管的十字槽口；采用钻孔设备定位钻孔，待钻孔达到设计标高，再将套有套筒的测斜管放入所钻孔内，同时将测斜管内的十字槽口与岩土体趋势方向垂直或平行；再次安装测沉降管，测沉降管埋设在软土地基表层中，先将用于置入测沉降管内的不锈钢板通过连接钢板连接固定，光纤光栅传感元件焊接在不锈钢板上，并将不锈钢板上的光纤光栅传感元件通过光缆串联，随后将不锈钢板放入测沉降管内，在放置时对准测沉降管的十字槽口，且测沉降管内的不锈钢板处于同一水平线上，再将保护罩分别罩在测斜管上部、测沉降管两端；在测斜管与测沉降管的连接处安装合页，光缆穿过合页与光纤光栅解调仪连接，最后在测沉降管上部每隔一定距离安放一块钢板；当软土地基发生沉降变形时，土体将向下挤压测沉降管、向左挤压测斜管，此时，测沉降管、测斜管与土体一起发生变形，而安装在测沉降管与测斜管内的不锈钢板也随之发生变形，故认定软土地基内发生的变形与不锈钢板发生的变形具有一致性，通过梁的弯曲理论，利用差分计算法，推导出每个光纤光栅敏感元件测点的应变值和与挠度值之间的关系，再利用光纤光栅解调仪测出各个测点的表面应变值，从而算出每个光纤光栅敏感元件测点的挠度值，即可知软土地基的沉降。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，测沉降管与测斜管为PVC材质制成，且测沉降管和测斜管外径均为65mm，内径为60mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，十字槽口深度为2mm、宽2mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，测沉降管两端分别设置有保护罩，测斜管上部设置有保护罩，下部设置有套筒。

5.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，套筒为锥型套筒。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，多块不锈钢板通过连接钢板双面连接固定。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，不锈钢板上同一侧中心线位置每隔500mm焊接一个光纤光栅敏感元件。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感技术的软土地基沉降传感器的使用方法，其特征在于，光纤光栅敏感元件通过连接法兰与光缆连接。