CN106546218B - 一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统及方法 - Google Patents

一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统及方法 Download PDF

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Abstract

一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统及方法，涉及土木工程监测领域观测装置及测量方法，目的是为了克服现有路基沉降监测方法测量范围有限、耐久性不足、极端环境下工作稳定性差的问题。本发明的多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤平行分布，多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤平行分布，且纵向传感光纤与横向传感光纤垂直，横向传感光纤穿过测温钢管，光纤光栅温度传感器固定在测温钢管的外壁上，布里渊时域分析系统用于获取传感光纤的应变分布，光纤光栅解调仪用于获取光纤光栅温度传感器的温度分布，根据获取的数据获取路基沉降量。本发明适用于高海拔多年冻土区域的路基沉降监测。

Description

一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种土木工程监测领域观测装置及测量方法，尤其是道路工程中路基沉降的位移测量装置及测量方法。
背景技术
高海拔多年冻土区公路由于地处极端气候，冬季气温较低，土壤中水分结冰引起道路冻胀，夏季温度升高，土壤中冰层融化，长期冻融循环导致路基沉降问题严重，需要进行长期的大范围的沉降监测。
目前，工程中监测路基沉降主要采用钻孔测量沉降的方法，首先在土体钻沉降孔，在孔中布设沉降监测装置，如沉降板，沉降环，沉降计，激光测距仪，CCD等，获得钻孔位置处的土体沉降。例如发明专利CN 105887792中介绍的一种基于滑动变阻器测土体变形的观测装置及量测方法，将沉降板位移转化为滑动变阻器电阻的变化，通过测量电阻变化获得沉降板的位移，利用土体沉降带动沉降板协同位移，通过测量沉降板位移进而得到土体沉降。再例如发明专利CN1280606C中介绍的一种基于CCD的冻土沉降钻孔方法和实用新型专利CN205482918U中介绍的一种基于沉降计的一体化地面沉降监测装置。这些方法存在的共同问题是：第一，只能进行离散的单点测量，只能测试某些道路关键截面，很难进行覆盖大范围长距离的道路沉降监测；第二，测试系统的耐久性存在问题，由于目前测试方法采用的传感器均为电学传感器，长期埋入土体中易导致损坏，很难维持长期耐久的测试系统。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有路基沉降监测方法测量范围有限，耐久性不足的问题，同时满足高海拔多年冻土区路基沉降监测对传感系统在极端环境下的工作稳定性的要求，提供一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统及方法。
本发明所述的一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统包括多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1、多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2、多根测温钢管3、多个光纤光栅温度传感器4、光纤光栅解调仪和布里渊时域分析系统8；
所述多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1平行分布，多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2平行分布，且纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1与横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2垂直，横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2穿过测温钢管3，光纤光栅温度传感器4为刻有多个光栅的光纤，且多个光栅等间距分布，所述光纤光栅温度传感器4固定在测温钢管3的外壁上，布里渊时域分析系统8用于获取纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的应变分布，光纤光栅解调仪用于获取光纤光栅温度传感器4的温度分布。
基于上述路基沉降监测系统的路基沉降监测方法为：
步骤一、将纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2埋设于路基面层以下；
步骤二、使用布里渊时域分析系统8测量纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的应变分布，使用光纤光栅解调仪用于获取光纤光栅温度传感器4的温度分布；
步骤三、根据公式得到传感光纤的应变值；其中和tr分别为传感光纤的初始布里渊频移和初始温度，vB和t分别为任意测试阶段传感光纤的布里渊频移和温度，Ct为传感光纤的实际温度传感系数，Cs传感光纤出厂时标定所得的温度传感系数和应变传感系数，ε为传感光纤的应变值；
步骤四、换算路基沉降量：对于纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1通过应变变化量定性表征沉降量，对于横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2通过公式计算路基沉降量，其中ε为横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的应变值，L为横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的定点间距，H为路基沉降量。
本发明所述的路基沉降温度监测系统及方法，监测范围取决于纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的分布情况，因此监测范围可以很大。在极端环境下系统结构不易损坏，工作稳定性和耐久性完全能够满足要求。
附图说明
图1为本发明所述的一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统的结构示意图。图中没有体现出光纤光栅解调仪；
图2为横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统包括多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1、多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2、多根测温钢管3、多个光纤光栅温度传感器4、光纤光栅解调仪和布里渊时域分析系统8；
所述多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1平行分布，多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2平行分布，且纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1与横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2垂直，横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2穿过测温钢管3，光纤光栅温度传感器4为刻有多个光栅的光纤，且多个光栅等间距分布，所述光纤光栅温度传感器4固定在测温钢管3的外壁上，布里渊时域分析系统8用于获取纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的应变分布，光纤光栅解调仪用于获取光纤光栅温度传感器4的温度分布。
如图1和图2所示，纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2采用单模通讯光纤，该单模通讯光纤经过封装加强处理，保证传感光纤具有足够的抗拉强度和抗剪强度。将传感光纤按照图1埋设于路基面层以下40cm-50cm深度，其中纵向光纤采用具有连续监测能力的连续式钢绞线加强分布式传感光纤，横向光纤采用具有分段测试能力的定点式聚合物加强分布式传感光纤。横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2通过T型定点支架9间隔1m固定。横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2从测温钢管3中穿过，通过测温钢管3隔绝外界应力作用。光纤光栅温度传感器4固定在测温钢管3上。
将每根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1的两端、每根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的两端、以及每根光纤光栅温度传感器4的两端均与多芯光缆6通过光纤熔接保护盒5进行连接，通过多芯光缆6汇总进入监测室，在监测室内多芯光缆6与光纤通道扩展架7通过光纤熔接进行连接，并对光纤通道扩展架7的各传感光纤通道进行编号。光纤通道扩展架7与布里渊时域分析系统8之间通过接头型号为FC/APC的光纤跳线进行连接，光纤通道扩展架7还与光纤光栅解调仪连接。使用布里渊时域分析技术获取纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的布里渊频移量分布，使用光纤光栅解调仪获取光纤光栅温度传感器4的温度分布，进而获得监测区域的路基沉降量。
上述监测系统及方法利用布里渊分布式光纤传感技术的高密度分布式测量和超长传感距离的优点，以及传感光纤本身具有耐腐蚀、耐低温和长期性能稳定的优点，使得该系统及方法非常适用于高海拔多年冻土区路基的分布式长距离长期沉降监测。与传统沉降监测方法相比，本发明具有测量覆盖范围长、能够连续分布式监测和耐久性好等突出优势。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是基于实施方式一所述的一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统的路基沉降监测方法，所述方法为：
步骤一、将纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2埋设于路基面层以下；
步骤二、使用布里渊时域分析系统8测量纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的应变分布，使用光纤光栅解调仪获取光纤光栅温度传感器4的温度分布；
步骤三、根据公式得到传感光纤的应变值；其中和tr分别为传感光纤的初始布里渊频移和初始温度，vB和t分别为任意测试阶段传感光纤的布里渊频移和温度，Ct为传感光纤的实际温度传感系数，Cs传感光纤出厂时标定所得的温度传感系数和应变传感系数，ε为传感光纤的应变值；
该步骤中，纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1应变值与横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2应变值的计算方法相同；
步骤四、换算路基沉降量：对于纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1通过应变变化量定性表征沉降量，对于横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2通过公式计算路基沉降量，其中ε取横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的应变值，L为横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2的定点间距，H为路基沉降量。
上述方法可以根据要测量的范围来排布纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤1和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤2，因此，该方法能够测量的范围大；并且由于采用的监测系统在极端环境下稳定性和耐久性很高，因此该方法在极端环境下也能够长久稳定的测量。

Claims (2)

1.一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统，其特征在于，包括多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)、多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)、多根测温钢管(3)、多个光纤光栅温度传感器(4)、光纤光栅解调仪和布里渊时域分析系统(8)；
所述多根纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)平行分布，多根横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)平行分布，且纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)与横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)垂直，横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)穿过测温钢管(3)，光纤光栅温度传感器(4)为刻有多个光栅的光纤，且多个光栅等间距分布，所述光纤光栅温度传感器(4)固定在测温钢管(3)的外壁上，布里渊时域分析系统(8)用于获取纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)的应变分布，光纤光栅解调仪用于获取光纤光栅温度传感器(4)的温度分布。
2.基于权利要求1所述的一种高海拔多年冻土区分布式路基沉降监测系统的路基沉降监测方法，其特征在于，
步骤一、将纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)埋设于路基面层以下；
步骤二、使用布里渊时域分析系统(8)测量纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)和横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)的应变分布，使用光纤光栅解调仪获取光纤光栅温度传感器(4)的温度分布；
步骤三、根据公式得到传感光纤的应变值；其中和tr分别为传感光纤的初始布里渊频移和初始温度，vB和t分别为任意测试阶段传感光纤的布里渊频移和温度，Ct为传感光纤的实际温度传感系数，Cs传感光纤出厂时标定所得的温度传感系数和应变传感系数，ε为传感光纤的应变值；
步骤四、换算路基沉降量：对于纵向连续式钢绞线加强分布式传感光纤(1)通过应变变化量定性表征沉降量，对于横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)通过公式计算路基沉降量，L为横向定点式聚合物加强分布式传感光纤(2)的定点间距，H为路基沉降量。
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