CN107228651B - 一种基于埋入式光纤路基沉降观测装置的观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种埋入式光纤路基沉降观测装置及观测方法，该装置包括光纤光栅压力感测装置、光纤光栅温度感测装置、光纤光栅解调仪、终端接收设备、PVC管、尼龙导管、PE保护管。观测方法是预先将光纤光栅压力感测装置和尼龙导管埋设在土体内，克服了传统沉降观测仪器随施工区土体填筑而干扰施工的缺点。在路基施工过程以及工后沉降监测中，本发明装置通过将路基内一点的沉降转换为光纤光栅压力感测装置随土体沉降而引起光纤光栅的反射波长变化的方式，改进了沉降观测手段，具有测量方法简单、测量精度较高、可测上抬位移和高效率的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋入式光纤路基沉降观测装置及观测方法，具体涉及一种适用于路基沉降监测的埋入式光纤路基沉降观测装置及观测方法，属于路基沉降监测技术领域。
背景技术
现代化交通建设对路基沉降的要求尤其严格，不仅要求路堤稳定，对工后沉降、不均匀沉降以及路面平整度等均有不同的要求，否则工程达不到应有的舒适性，导致后期维护费用过高等问题。目前，由于软土具有含水量高、压缩性大、渗透性差、孔隙比大、强度低和灵敏度高等特点，在软土地基上修建高等级公路仍然存在很多问题：其一，软土地基的沉降和差异沉降过大的问题；其二，在路基填筑过程中出现的稳定问题。可见，沉降控制问题是软土地区高速公路建设的重要问题之一。现有的沉降仪虽具有测量方法简便、自动化测量水平较高、测量精度较高的特点，但仍然存在系统比较复杂、现场埋设较困难，造价较高，以及基准点(不动点)的选取较为困难等缺点。如何改进和提高目前软基沉降测量的准确性和精度，研制出新型沉降仪，并在工程中合理、方便地进行应用，是软基沉降监测的重要内容，也是建设管理中亟需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种埋入式光纤路基沉降观测装置及观测方法，可以精确地量测路基的沉降变形，以此来指导施工和后期维护。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种埋入式光纤路基沉降观测装置，包括第一至第二光纤光栅压力感测装置、第一至第二光纤光栅温度感测装置、电缆、光纤光栅解调仪、终端接收设备、尼龙导管、PE保护管以及一端带有管帽的PVC管；所述第一光纤光栅温度感测装置固定在第一光纤光栅压力感测装置旁，第二光纤光栅温度感测装置固定在第二光纤光栅压力感测装置旁；第一光纤光栅压力感测装置的一端通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接，另一端通过尼龙导管与PVC管另一端连接，第一光纤光栅温度感测装置通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接；第二光纤光栅压力感测装置的一端通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接，另一端通过尼龙导管与 PVC管另一端连接，第二光纤光栅温度感测装置通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接；光纤光栅解调仪输出端与终端接收设备连接；所述电缆和尼龙导管的外侧面包裹有PE保护管。
作为本发明装置的一种优选方案，所述第一至第二光纤光栅压力感测装置均包括金属圆筒套、聚氨酯变形弹性体、光纤Bragg光栅、通气孔、进水接口、测量腔以及水室；聚氨酯变形弹性体固化于金属圆筒套内，从与光纤光栅温度感测装置连接的电缆中伸出光纤，光纤Bragg光栅刻蚀于光纤头部，光纤Bragg光栅置于金属圆筒套轴线上，并准直地固化于聚氨酯变形弹性体中，测量腔和水室均位于金属圆筒套内，且测量腔一端与聚氨酯变形弹性体相通，另一端与水室相通，水室通过进水接口与尼龙导管连接，且在水室顶部开有通气孔穿过金属圆筒套。
作为本发明装置的一种优选方案，所述第一至第二光纤光栅温度感测装置均包括金属圆筒套、聚氨酯变形弹性体、光纤Bragg光栅以及测量腔；聚氨酯变形弹性体固化于金属圆筒套内，从与光纤光栅温度感测装置连接的电缆中伸出光纤，光纤Bragg光栅刻蚀于光纤头部，光纤Bragg光栅置于金属圆筒套轴线上，并准直地固化于聚氨酯变形弹性体中，测量腔位于金属圆筒套内，且与聚氨酯变形弹性体相通。
一种基于如上所述埋入式光纤路基沉降观测装置的观测方法，包括如下步骤：
步骤1，将第一光纤光栅压力感测装置和第一光纤光栅温度感测装置放置在一个圆柱形护筒内，并盖上钢板，将圆柱形护筒和钢板埋设于施工区待测点；
步骤2，将一端带有管帽的PVC管、第二光纤光栅温度感测装置、第二光纤光栅压力感测装置、光纤光栅解调仪、终端接收设备均置于非施工区，保持 PVC管始终为竖直状态，第二光纤光栅压力感测装置和第二光纤光栅温度感测装置放置在一混凝土墩台内；
步骤3，打开PVC管的管帽，向PVC管和尼龙导管中注入无气水，排出尼龙导管内的空气，当第一和第二光纤光栅压力感测装置上的通气孔均有无气水流出时，封闭两个通气孔并密封圆柱形护筒，当PVC管内的无气水到达管顶时，停止注水，并用管帽密封PVC管；
步骤4，打开光纤光栅解调仪和终端接收设备，读取第一和第二光纤光栅压力感测装置、第一和第二光纤光栅温度感测装置的初始读数，分别记为Δλb1(p+t)施工区、Δλb1(p+t)非施工区、Δλb1(t)施工区、Δλb1(t)非施工区，观测此时混凝土墩台的沉降量，记为S非施工区1；
步骤5，根据工程要求的观测周期，读取第一和第二光纤光栅压力感测装置、第一和第二光纤光栅温度感测装置的读数，分别记为Δλbi(p+t)施工区、Δλbi(t)施工区、Δλbi(p+t)非施工区、Δλbi(t)非施工区，并观测混凝土墩台的沉降量，记为S非施工区i；
步骤6，根据步骤4和步骤5的读数，计算路基总的沉降量。
作为本发明方法的一种优选方案，所述总的沉降量计算公式为：
Δλbi施工区＝Δλbi(p+t)施工区-Δλbi(t)施工区
Δλbi非施工区＝Δλbi(p+t)非施工区-Δλbi(t)非施工区
式中，i＝1,2,…,n，n为总的观测次数；k施工区为第一光纤光栅压力感测装置系数；k非施工区为第二光纤光栅压力感测装置系数；Δλbi(p+t)施工区和Δλbi(t)施工区分别为第i次观测时第一光纤光栅压力感测装置和第一光纤光栅温度感测装置的读数；Δλbi(p+t)非施工区和Δλbi(t)非施工区分别为第i次观测时第二光纤光栅压力感测装置和第二光纤光栅温度感测装置的读数；S非施工区i为第i次观测时混凝土墩台的沉降量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明装置采用了光纤作为压力量测元件，相比传统的电磁类传感器，具有传感机制简单、精度高、线性度好、抗干扰能力强的显著优点。
2、本发明应用光纤光栅温度感测装置消除了温度对光纤光栅压力感测装置中的变形材料的影响，从而提高了装置的精度。
3、本发明是一种将路基中沉降转换为路基内和堤外观测处压力感测装置中液位差的沉降观测方法，相对于传统沉降板观测方法而言，本发明装置在非施工区进行观测读数，不会影响施工，也不易被施工破坏。
4、相较于传统沉降板观测需要分节接高标杆和多次转点测量，工作量较大且易受场地限制；本发明装置中采用的测量仪器操作简单方便，易于掌握，大大提高了测量效率。
5、本发明在光纤光栅压力感测装置的水室壁侧上开了通气孔，用于排除内部气泡，当气泡排出后，使用螺丝拧紧通气孔。这种做法，使得装置气密性大为提升，测量结果更为准确。
6、本发明在尼龙导管外层采用了PE保护管，PE是聚乙烯塑料，由该材质制作的材料具有韧性好、强度高、耐高温、抗腐蚀、无毒、耐磨等特点，从而大大提高了装置的耐久性。
7、传统沉降板在路堤填筑结束后易被覆盖，无法继续用于工后沉降的测量。若采用在路面布设沉降钉进行观测，测量不便且测量人员的安全易受过往车辆的威胁。而本发明埋入式光纤沉降观测装置因布设于路堤土体内部，不易被破坏，可以继续用于运营期的工后沉降监测，安全有效，同时减少了后期沉降监测费用，社会效益和经济效益良好。
附图说明
图1是本发明埋入式光纤路基沉降观测装置的整体架构图。
图2是光纤光栅压力感测装置部分的放大图。
图3是光纤光栅温度感测装置部分的放大图。
图4是光纤光栅解调仪部分的放大图。
图5是PVC管部分的放大图。
图6是光纤光栅压力感测装置的内部结构示意图。
图7是光纤光栅温度感测装置的内部结构示意图。
图8是埋入式光纤沉降观测装置监测路基沉降示意图。
图9是施工区、非施工区压力感测装置所在处的放大图。
其中，1-光纤光栅压力感测装置，2-光纤光栅温度感测装置，3-电缆，4-光纤光栅解调仪，5-终端接收设备，6-尼龙导管，7-PE保护管，8-PVC管，9-管帽， 10-无气水，11-圆柱形护筒、12-方形钢板、13-原地基、14-砂垫层、15-新铺土层、 16-堤外观测处、17-光纤、18-金属圆筒套、19-聚氨酯变形弹性体、20-Bragg光栅、21-通气孔、22-进水接口、23-测量腔、24-水室、25-混凝土墩台。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，埋入式光纤路基沉降观测装置包括光纤光栅压力感测装置1、光纤光栅温度感测装置2、光纤光栅解调仪4、终端接收设备5、PVC(聚氯乙烯)管8、尼龙导管6、PE保护管7。
其中，光纤光栅压力感测装置1的基本原理为：敏感元件光纤17Bragg光栅 20埋入在聚氨酯变形弹性体19中，水室24中的无气水10进入测量腔23腔体中并作用在聚氨酯变形弹性体19上，聚氨酯变形弹性体19受压引起光纤光栅周期Λ改变，这样会使通过光纤光栅的反射光波长发生改变，经过光纤光栅解调仪 4解调可测出测点处的压力值。
光纤光栅压力感测装置组装如图6所示：将聚氨酯变形弹性体19固化于厚壁金属圆筒套18中，光纤光栅置于圆筒轴线上，并准直地固化于聚氨酯变形弹性体19中，金属圆筒套18套筒内预留测量腔23和水室24，测量腔23与聚氨酯变形弹性体19相通，水室24通过在壁底和壁顶各预留一进水接口22，用来连通测量腔23和外界尼龙导管6，水室壁侧开一通气孔21，用来排出多余空气。
其中，光纤光栅温度感测装置2的基本原理为：敏感元件光纤17Bragg光栅 20埋入在聚氨酯变形弹性体19中，外界温度变化，聚氨酯变形弹性体19变形引起光纤光栅周期Λ改变，这样会使通过光纤光栅的反射光波长发生改变，经过光纤光栅解调仪4解调可测出测点处的压力值。
光纤光栅温度感测装置的组装如图7所示：将聚氨酯变形弹性体19固化于厚壁金属圆筒套18中，光纤Bragg光栅20置于圆筒轴线上，并准直地固化于聚氨酯变形弹性体19中，金属圆筒套18套筒内预留测量腔23，测量腔23与聚氨酯变形弹性体19相通，用来传递外界温度变化。
本发明光纤沉降观测装置的基本原理：以PVC管8中无气水10为媒介，在 PVC管8底部连接两个光纤光栅压力感测装置1，其中一个光纤光栅压力感测装置1放置于非施工区，另一个光纤光栅压力感测装置1埋设于施工区，施工时，位于施工区测点处的压力感测装置1发生沉降，从而引起其内水压变化，而埋置于压力感测装置1中的光纤Bragg光栅20可以精确地捕捉到水压变化和温度变化，通过在压力感测装置1旁埋置温度感测装置2可以消除温度对反射波长的影响，转化为只由水压力作用下的反射波长变化，那么经过解调仪4解调便可得出测点处的水压值，水压值又可以方便地转化为水头高度。实际操作中，通过以非施工区的压力感测装置1为参考点就可以计算埋设于测点处的压力感测装置1的水头差值，即为所求相对沉降值。
光纤沉降观测装置的组装：
①检查仪器：其中包括光纤光栅压力感测装置1、光纤光栅温度感测装置2 和光纤光栅解调仪4的精确性，连接电缆3的防水、绝缘性能，以及PVC管8 和尼龙导管6的气密性。
②分别把每个光纤光栅温度感测装置2固定在相应的光纤光栅压力感测装置1旁。
③将光纤光栅压力感测装置1和光纤光栅温度感测装置2一块放入固定在方形钢板12的圆柱形护筒11内，压力感测装置1一端连接电缆3，一端连接尼龙导管6，温度感测装置2一端连接电缆3，将压力感测装置1、温度感测装置2 的电缆3和压力感测装置1的尼龙导管6分别从PE保护管7中穿出并预留一段在PE保护管7中，以保护尼龙导管6和电缆3。再将从PE保护管7中穿出的多余部分尼龙导管6截掉，尼龙导管6的另一端连接PVC管8接口，连接接头处用带有钢丝的软管保护。
④再分别将PVC管8两侧的两套光纤光栅压力感测装置1和光纤光栅温度感测装置2的电缆3与光纤光栅解调仪4端口连接好，同时将光纤光栅解调仪4 与终端接收设备5连接。
⑤向PVC管8和尼龙导管6内慢慢地注入干净的无气水10，同时排出尼龙导管6内的空气，待两个光纤光栅压力感测装置1上的通气孔21都有无气水10 流出，一段时间后封闭通气孔21并密封圆柱形护筒11。当PVC管8内的水位达到管顶，并且保证整个尼龙导管6内无气泡存在时，停止注水，并用管帽9密封PVC管8。
基于埋入式光纤沉降观测装置的观测方法，如图8所示：
(1)在施工区和非施工区之间的原地基13上挖设沟渠，并在沟渠上面铺设砂垫层14，将其中一张方形钢板12连同其内的压力感测装置1埋设到待测点，再新铺土层15，使得压力感测装置1和尼龙导管6在施工期间受到保护，防止受到挤压破坏。
(2)从施工区引出的电缆3、尼龙导管6和PVC管8均安置在非施工区域的堤外观测处16，PVC管8底部用砂垫层14保护，周围固定以使其保持竖直，同时在非施工区空旷处修建一混凝土墩台25将另一套光纤光栅压力感测装置1 和温度感测装置2放置其中并固定起来。
(3)在安置和检查好所有仪器后，打开光纤光栅解调仪4和终端接收设备 5，开始测量光纤光栅压力感测装置1和光纤光栅温度感测装置2的初始读数，分别记为Δλb1(p+t)施工区、Δλb1(t)施工区、Δλb1(p+t)非施工区、Δλb1(t)非施工区；此外，基于精度考虑，采用定期水准观测非施工区处用来保护压力感测装置1的混凝土墩台25沉降量记为S非施工区1；
(4)根据工程要求的观测周期，每次需要观测时，分别量测光纤光栅压力感测装置1和光纤光栅温度感测装置2，记为Δλbi(p+t)施工区、Δλbi(t)施工区、Δλbi(p+t)非施工区、Δλbi(t)非施工区，并采用水准测量观测混凝土墩台25(即非施工区处压力感测装置1) 的自身沉降量，记为S非施工区i。
如图9所示，先设定非施工区光纤光栅压力感测装置所在处为基准点，基准点与PVC管液面之间高度为hi，施工区压力感测装置与PVC管液面之间高度为 Hi。通过测量施工区压力感测装置处的水压力，可以计算出Hi的值。
Δλbi施工区＝Δλbi(p+t)施工区-Δλbi(t)施工区
式中：k施工区为埋设在施工区的光纤光栅压力感测装置系数；Δλbi(p+t)施工区为在水压和温度作用下的光纤光栅中心反射波长的变化，即第i次埋设在施工区域光纤光栅压力感测装置在解调仪上的示数，单位pm；Δλbi(t)施工区为在温度作用下的光纤光栅中心反射波长的变化，即第i次埋设在施工区域光纤光栅温度感测装置在解调仪上的示数，单位pm；ρ为无气水的密度，g为重力加速度。
通过测量非施工区压力感测装置处的水压力，可以计算出hi的值：
Δλbi非施工区＝Δλbi(p+t)非施工区-Δλbi(t)非施工区
式中，k非施工区为埋设在非施工区的光纤光栅压力感测装置系数；Δλbi(p+t)非施工区为在水压和温度作用下的光纤光栅中心反射波长的变化，即第i次埋设在非施工区域光纤光栅压力感测装置在解调仪上的示数，单位pm；Δλbi(t)非施工区为在温度作用下的光纤光栅中心反射波长的变化，即第i次埋设在非施工区域光纤光栅温度感测装置在解调仪上的示数，单位pm。
Δi＝Hi-hi的值可看为第i次测量时施工区压力感测装置相对于基准点的高度。
随着沉降的发生，施工区压力感测装置随土体一起沉降，即S。Δ的值也会发生相应的变化，假如非施工区压力感测装置保持静止状态，两次Δ值的差Δi+1-Δi即为沉降值S；若非施工区压力感测装置发生竖向沉降S非施工区，则实际沉降为两者之和，即S＝Δi+1-Δi+S非施工区。
出于精度考虑，我们这里假设非施工区压力感测装置发生竖向沉降，那么埋入式光纤沉降观测装置沉降量S表达式为：
Δλbi施工区＝Δλbi(p+t)施工区-Δλbi(t)施工区
Δλbi非施工区＝Δλbi(p+t)非施工区-Δλbi(t)非施工区
式中，i＝1,2,…,n，n为总的观测次数；k施工区为埋设在施工区的光纤光栅压力感测装置系数；k非施工区为放置在非施工区的光纤光栅压力感测装置系数；Δλbi(p+t)施工区和Δλbi(t)施工区分别为第i次埋设在施工区域光纤光栅压力感测装置和光纤光栅温度感测装置在解调仪上的示数；Δλbi(p+t)非施工区和Δλbi(t)非施工区分别为第i次放置在非施工区域光纤光栅压力感测装置和光纤光栅温度感测装置在解调仪上的示数；S非施工区i为第i次位于非施工区域的混凝土墩台自身沉降量。Δλbi+1施工区、Δλbi+1非施工区的计算公式分别同Δλbi施工区、Δλbi非施工区，将i改为i+1即可。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于埋入式光纤路基沉降观测装置的观测方法，所述埋入式光纤路基沉降观测装置包括第一至第二光纤光栅压力感测装置、第一至第二光纤光栅温度感测装置、电缆、光纤光栅解调仪、终端接收设备、尼龙导管、PE保护管以及一端带有管帽的PVC管；所述第一光纤光栅温度感测装置固定在第一光纤光栅压力感测装置旁，第二光纤光栅温度感测装置固定在第二光纤光栅压力感测装置旁；第一光纤光栅压力感测装置的一端通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接，另一端通过尼龙导管与PVC管另一端连接，第一光纤光栅温度感测装置通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接；第二光纤光栅压力感测装置的一端通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接，另一端通过尼龙导管与PVC管另一端连接，第二光纤光栅温度感测装置通过电缆与光纤光栅解调仪输入端连接；光纤光栅解调仪输出端与终端接收设备连接；所述电缆和尼龙导管的外侧面包裹有PE保护管；
其特征在于，所述观测方法包括如下步骤：
步骤1，将第一光纤光栅压力感测装置和第一光纤光栅温度感测装置放置在一个圆柱形护筒内，并盖上钢板，将圆柱形护筒和钢板埋设于施工区待测点；
步骤2，将一端带有管帽的PVC管、第二光纤光栅温度感测装置、第二光纤光栅压力感测装置、光纤光栅解调仪、终端接收设备均置于非施工区，保持PVC管始终为竖直状态，第二光纤光栅压力感测装置和第二光纤光栅温度感测装置放置在一混凝土墩台内；
步骤3，打开PVC管的管帽，向PVC管和尼龙导管中注入无气水，排出尼龙导管内的空气，当第一和第二光纤光栅压力感测装置上的通气孔均有无气水流出时，封闭两个通气孔并密封圆柱形护筒，当PVC管内的无气水到达管顶时，停止注水，并用管帽密封PVC管；
步骤4，打开光纤光栅解调仪和终端接收设备，读取第一和第二光纤光栅压力感测装置、第一和第二光纤光栅温度感测装置的初始读数，分别记为Δλb1(p+t)施工区、Δλb1(p+t)非施工区、Δλb1(t)施工区、Δλb1(t)非施工区，观测此时混凝土墩台的沉降量，记为S非施工区1；
步骤5，根据工程要求的观测周期，读取第一和第二光纤光栅压力感测装置、第一和第二光纤光栅温度感测装置的读数，分别记为Δλbi(p+t)施工区、Δλbi(t)施工区、Δλbi(p+t)非施工区、Δλbi(t)非施工区，并观测混凝土墩台的沉降量，记为S非施工区i；
步骤6，根据步骤4和步骤5的读数，计算路基总的沉降量；所述总的沉降量计算公式为：
Δλbi施工区＝Δλbi(p+t)施工区-Δλbi(t)施工区
Δλbi非施工区＝Δλbi(p+t)非施工区-Δλbi(t)非施工区
式中，i＝1,2,…,n，n为总的观测次数；k施工区为第一光纤光栅压力感测装置系数；k非施工区为第二光纤光栅压力感测装置系数；Δλbi(p+t)施工区和Δλbi(t)施工区分别为第i次观测时第一光纤光栅压力感测装置和第一光纤光栅温度感测装置的读数；Δλbi(p+t)非施工区和Δλbi(t)非施工区分别为第i次观测时第二光纤光栅压力感测装置和第二光纤光栅温度感测装置的读数；S非施工区i为第i次观测时混凝土墩台的沉降量。
2.根据权利要求1所述基于埋入式光纤路基沉降观测装置的观测方法，其特征在于，所述第一至第二光纤光栅压力感测装置均包括金属圆筒套、聚氨酯变形弹性体、光纤Bragg光栅、通气孔、进水接口、测量腔以及水室；聚氨酯变形弹性体固化于金属圆筒套内，从与光纤光栅温度感测装置连接的电缆中伸出光纤，光纤Bragg光栅刻蚀于光纤头部，光纤Bragg光栅置于金属圆筒套轴线上，并准直地固化于聚氨酯变形弹性体中，测量腔和水室均位于金属圆筒套内，且测量腔一端与聚氨酯变形弹性体相通，另一端与水室相通，水室通过进水接口与尼龙导管连接，且在水室顶部开有通气孔穿过金属圆筒套。
3.根据权利要求1所述基于埋入式光纤路基沉降观测装置的观测方法，其特征在于，所述第一至第二光纤光栅温度感测装置均包括金属圆筒套、聚氨酯变形弹性体、光纤Bragg光栅以及测量腔；聚氨酯变形弹性体固化于金属圆筒套内，从与光纤光栅温度感测装置连接的电缆中伸出光纤，光纤Bragg光栅刻蚀于光纤头部，光纤Bragg光栅置于金属圆筒套轴线上，并准直地固化于聚氨酯变形弹性体中，测量腔位于金属圆筒套内，且与聚氨酯变形弹性体相通。
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