CN107091615A - 一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布 - Google Patents

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Abstract

本发明属于重要基础设施安全监测技术领域，公开了一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，高强土工布在编织成型过程中，分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器作为额外的土工纤维沿土工布的经向植入到土工布中，监控土工布的受力特征。本发明的智能土工布布设到高铁路基中不仅能通过植入在其中的分布式光纤传感器定位路基变形位置并确定变形量，而且能利用土工布的高强性能控制上层路基变形，避免诸如岩溶、土洞、采空区塌陷引起的突发沉降变形，对高铁路基安全监测与变形控制具有重要的工程价值；本发明的应用范围可扩展到边坡、堤坝内部土体的土工布加固变形监测与变形控制。

Description

一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布
技术领域
本发明属于重要基础设施安全监测技术领域，尤其涉及一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布。
背景技术
随着我国《中长期铁路网规划》的实施以及“一带一路”和亚投行的建立，大大推动了高速铁路事业的发展。截止2016年，全国高速铁路里程达到1.9万公里(参见国家统计局的数据)，同时我国也主导参与建设了俄罗斯高铁等项目。路基是高铁线路工程的重要组成部分，路基的变形严重影响车辆运营的安全性与舒适性，在建设期与运营期需对路基变形进行监测与控制。2010年，原铁道部运输局下发了“关于发布《高速铁路运营沉降监测管理办法》的通知”文件，明确提出了高速铁路运营线路应大力开展路基沉降监测等相关工作。目前对于路基沉降监测多采用人工观测沉降板、多点位移计和基于压阻原理的连通液位计。这些已有的监测技术主要是局部监测技术，不适合路基长距离、大范围监测需求。分布式光纤传感技术具有大范围应力、温度或振动场监测的特点，一定程度上满足路基长距离监测需求。近年来，分布式光纤布里渊传感技术和分布式光纤振动传感技术被提出开展路基岩溶土洞塌陷监测，取得了一定的工程应用效果。上述已公开的成果仅仅是对路基变形进行监测，缺乏对路基沉降变形的控制手段。土工布作为一种耐久性材料在路基、边坡加筋、防护方面得到了应用，中国实用新型专利《岩溶路基监测装置，专利号：201520286141.4》公布了将多条具有多个光纤光栅传感器的光纤通过绳线缝合在两层土工布之间，实现土工布加强岩溶监测。然而对于该技术一方面由于光纤光栅波分复用能力有限(即一条光纤上的光纤光栅数量有限)不能满足高铁路基长距离大范围监测，容易对岩溶灾害漏监；另一方面，光纤通过绳线缝合难以保证光纤中的光纤光栅与土工布协同受力，不能通过光纤光栅监测数据真实反映土工布的受力情况，且其所采用的土工布强度有限，无法实现变形控制，在一定程度上制约了其工程应用。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的土工布与光纤光栅结合仍属于局部点式监测技术，不能满足高铁路基长距离大范围监测，容易对岩溶灾害漏监；且土工布与光纤采用简单缝合，土工布与光纤协同变形能力得不到保证；受土工布强度限制，现有技术仅能实现变形监测，不能实现变形控制。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布。
本发明是这样实现的，一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，所述适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布将控制路基变形和路基变形监测融为一体，在高强土工布编织成型过程中，将多根带有加强钢丝的分布式光纤应变传感器和多根分布式光纤温度传感器作为土工布额外的纤维植入高强土工布中；所述分布式光纤应变传感器沿高强土工布编织的经向植入；
分布式光纤温度传感器和分布式光纤应变传感器平行且有一定间隔植入到高强土工布中；
在高强度土工布经向方向间隔一定距离镶嵌有多个传感器定位标识，用于分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器在高强土工布上的物理距离定位。
进一步，所述带有加强钢丝的分布式光纤应变传感器直径为2mm；相邻分布式光纤应变传感器纬向间距为1.0m～2.0m；
分布式光纤温度传感器和分布式光纤应变传感器平行间隔距离为5cm；
相邻传感器定位标识间隔为50m。
进一步，所述高强土工布上的分布式光纤应变传感器用于在线实时监测土高强土工布经向各点应变量，依据应变分布曲线可以定位高强土工布下层路基变形位置和大小，实时获取路基变形位置高强土工布的受力或变形特征。
进一步，所述高强土工布上的分布式光纤温度传感器用于高强土工布所在位置环境温度测试以及为分布式光纤应变传感器进行温度补偿。
进一步，所述分布式光纤应变传感器包括2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根单模光纤和聚丙烯复合塑料筋；所述2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根单模光纤均包覆在聚丙烯复合塑料筋内部；
在聚丙烯复合塑料筋成型过程中，将2根直径为0.5mm的加强钢丝和一根单模光纤植入，2根直径为0.5mm的加强钢丝靠近聚丙烯复合塑料筋外圆周且与聚丙烯复合塑料筋外圆周间距0.2mm，一根单模光纤位于聚丙烯复合塑料筋圆心位置；
所述2根直径为0.5mm的加强钢丝用于提升分布式光纤应变传感器的抗拉强度并确保能抵御分布式光纤应变传感器植入高强土工布的过程中所承受的复杂应力。
进一步，所述分布式光纤温度传感器包括2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根带有松套管的单模光纤和聚丙烯复合塑料筋；所述2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根带有松套管的单模光纤均包覆在聚丙烯复合塑料筋内部；
在聚丙烯复合塑料筋成型过程中，将2根直径为0.5mm的加强钢丝和一根带有松套管的单模光纤植入，加强钢丝靠近聚丙烯复合塑料筋外圆周且与聚丙烯复合塑料筋外圆周间距0.2mm，带有松套管的单模光纤位于聚丙烯复合塑料筋圆心位置；
所述2根直径为0.5mm的加强钢丝用于提升分布式光纤温度传感器的抗拉强度，并确保能抵御分布式光纤温度传感器植入高强土工布的过程中所承受的复杂应力；
一根带有松套管的单模光纤中松套管用于隔离外界应力作用，确保松套管内部光纤只感知温度信息。
本发明另一目的在于提供一种内部铺设有上述适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布的边坡土体。
本发明另一目的在于提供一种内部铺设有上述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布的堤坝土体。
本发明的优点及积极效果为：
本发明的智能土工布布设到高铁路基中不仅能通过植入在其中的分布式光纤传感器监测路基变形，而且能利用土工布的高强性能加固路基控制路基变形，避免诸如岩溶、土洞、采空区塌陷引起的突发沉降变形，降低了路基岩溶和沉降超限的处置费用，降低了因路基维修造成线路停运的经济损失。同时，土工布自身应力在线监测提升了巡检人员对路基沉降灾害的响应速度，对高铁路基安全监测与变形控制具有重要的工程价值。本发明的应用范围可扩展到边坡、堤坝内部土体的土工布加固变形监测与变形控制。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用高铁路基变形监测与控制的智能土工布结构示意图。
图2是本发明实施例提供的分布式光纤应变传感器结构示意图。
图3是本发明实施例提供的分布式光纤温度传感器结构示意图。
图中：1、高强土工布；2、分布式光纤应变传感器；3、分布式光纤温度传感器；4、传感器定位标识；5、加强钢丝；6、单模光纤；7、聚丙烯复合塑料筋；8、带松套管的单模光纤。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细描述。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的适用高铁路基变形监测与控制的智能土工布，在高强土工布1编织成型过程中，将直径为2mm的带有加强钢丝的分布式光纤应变传感器2和分布式光纤温度传感器3作为土工布额外的纤维植入高强土工布1中，分布式光纤应变传感器2沿高强土工布1编织的经向(行车方向)植入，纬向间距为1.0m～2.0m。
分布式光纤温度传感器3和分布式光纤应变传感器2平行且间隔5cm植入到高强土工布中相应的位置。
在高强度土工布1经向方向间隔50m设定一个传感器定位标识4，便于分布式光纤应变传感器2和分布式光纤温度传感器3在高强土工布1上的物理距离定位。
本发明实施例提供的适用高铁路基变形监测与控制的智能土工布具体工作过程中，高强土工布1对高铁路基进行一定程度的加固，对高强土工布1下层路基因岩溶、土洞、采空区塌陷或地下水迁移导致的沉降变形起到一定控制作用，降低路基表面沉降量。
高强土工布1上的分布式光纤应变传感器2可在线实时监测土高强土工布1经向各点应变量，依据应变分布曲线可以定位高强土工布1下层路基变形位置和大小，且可以实时获取路基变形位置高强土工布1的受力或变形特征。
高强土工布1上的分布式光纤温度传感器3主要用于高强土工布1所在位置环境温度测试以及为分布式光纤应变传感器2进行温度补偿。
本发明的高强土工布径向抗拉强度大于400kN/m,纬向强度大于50kN/m。
如图2为分布式光纤应变传感器结构示意图。
所述的分布式光纤应变传感器2包括加强钢丝5，单模光纤6和聚丙烯复合塑料筋7。在聚丙烯复合塑料筋7成型过程中，将2根直径为0.5mm的加强钢丝5和一根单模光纤6植入，加强钢丝5靠近外圆周且与外圆周间距0.2mm，单模光纤6位于圆心位置。加强钢丝5提升分布式光纤应变传感器2的抗拉强度并确保能抵御分布式光纤应变传感器2植入高强土工布1的过程中所承受的复杂应力。
如图3为分布式光纤温度传感器的结构示意图。
所述的分布式光纤温度传感器3包括加强钢丝5，带有松套管的单模光纤8和聚丙烯复合塑料筋7，各部分的功能与分布式光纤应变传感器2一样，其中带有松套管的光纤8中松套管隔离外界应力作用，确保其中的光纤只感知温度信息。
本发明的智能土工布布设到高铁路基中不仅能通过植入在其中的分布式光纤传感器定位路基变形位置并确定变形量，而且能利用土工布的高强性能控制上层路基变形，避免诸如岩溶、土洞、采空区塌陷引起的突发沉降变形，对高铁路基安全监测与变形控制具有重要的工程价值。本发明的应用范围可扩展到边坡、堤坝内部土体的土工布加固变形监测与变形控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，其特征在于，所述适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布将控制路基沉降和路基变形监测融为一体，在高强土工布编织成型过程中，将多根带有加强钢丝的分布式光纤应变传感器和多根分布式光纤温度传感器作为土工布额外的纤维植入高强土工布中；所述分布式光纤应变传感器沿高强土工布编织的经向植入；
分布式光纤温度传感器和分布式光纤应变传感器平行且有一定间隔植入到高强土工布中；
在高强度土工布经向方向间隔一定距离镶嵌有多个传感器定位标识，用于分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器在高强土工布上的物理距离定位。
2.如权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，其特征在于，所述带有加强钢丝的分布式光纤应变传感器直径为2mm；相邻分布式光纤应变传感器纬向间距为1.0m～2.0m；
分布式光纤温度传感器和分布式光纤应变传感器平行间隔距离为5cm；
相邻传感器定位标识间隔为50m。
3.如权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，其特征在于，所述高强土工布上的分布式光纤应变传感器用于在线实时监测土高强土工布经向各点应变量，依据应变分布曲线可以定位高强土工布下层路基变形位置和大小，实时获取路基变形位置处高强土工布的受力或变形特征。
4.如权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，其特征在于，所述高强土工布上的分布式光纤温度传感器用于高强土工布所在位置环境温度测试以及为高强土工布上的分布式光纤应变传感器进行温度补偿。
5.如权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，其特征在于，所述分布式光纤应变传感器包括2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根单模光纤和聚丙烯复合塑料筋；所述2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根单模光纤均包覆在聚丙烯复合塑料筋内部；
在聚丙烯复合塑料筋成型过程中，将2根直径为0.5mm的加强钢丝和一根单模光纤植入，2根直径为0.5mm的加强钢丝靠近聚丙烯复合塑料筋外圆周且与聚丙烯复合塑料筋外圆周间距0.2mm，一根单模光纤位于聚丙烯复合塑料筋圆心位置；
所述2根直径为0.5mm的加强钢丝用于提升分布式光纤应变传感器的抗拉强度并确保能抵御分布式光纤应变传感器植入高强土工布的过程中所承受的复杂应力。
6.如权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，其特征在于，所述分布式光纤温度传感器包括加2根直径为0.5mm的强钢丝、一根带有松套管的单模光纤和聚丙烯复合塑料筋；所述2根直径为0.5mm的加强钢丝、一根带有松套管的单模光纤均包覆在聚丙烯复合塑料筋内部；
在聚丙烯复合塑料筋成型过程中，将2根直径为0.5mm的加强钢丝和一根带有松套管的单模光纤植入，加强钢丝靠近聚丙烯复合塑料筋外圆周且与聚丙烯复合塑料筋外圆周间距0.2mm，带有松套管的单模光纤位于聚丙烯复合塑料筋圆心位置；
所述2根直径为0.5mm的加强钢丝用于提升分布式光纤温度传感器的抗拉强度，并确保能抵御分布式光纤温度传感器和分布式光纤应变传感器植入高强土工布的过程中所承受的复杂应力；
一根带有松套管的单模光纤中松套管用于隔离外界应力作用，确保松套管内部光纤只感知温度信息。
7.一种内部铺设有权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布的边坡土体。
8.一种内部铺设有权利要求1所述的适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布的堤坝土体。
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