CN107907065B - 一种滑移面感知锚杆及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑移面感知锚杆及其监测方法，该锚杆包括：纤维增强复合材料锚杆杆体、长周期光纤光栅传感器串、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、光纤接头保护套管、环氧树脂及铠装光缆。本发明通过在与岩面成一定角度且与水平面垂直的断面布置LPFG，不仅可测试锚杆在岩层不同深度处的应力、应变和损伤情况，同时也可利用LPFG的弯曲传感特性得出杆体弯曲曲率、弯曲方向以及弯曲变形，为边坡监测提供更具殷实的信息，便于分析边坡的稳固状态，实现在对滑坡滑面的探测时能持续采集数据，实行持续的动态监测。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程安全监测技术领域，具体指代一种滑移面感知锚杆及其监测方法。
背景技术
我国每年由边坡岩石体局部或瞬态大变形乃至失稳滑动造成的经济损失巨大，因此，边坡工程的安全监测一直是岩土工程界的一个重要课题。目前，国内外应用于边坡安全监测的技术和方法很多，从传统的测斜管、压力计、雨量计、位移计、新型GPS、TDR和光纤传感器，都被大量运用于实际工程监测当中。
传统监测技术在数字化、自动化和精度方面比较落后，易受到地形通视条件限制和气象条件的影响，工作量大，周期长，连续和实时观测能力较差。
新型的光纤传感器监测技术，运用了新的测试原理，显示出更优异的性能，利用玻璃光纤作为传感和传导介质，封装后可以抗电磁干扰及地下水的腐蚀，寿命更长、精度更高。不仅能传感，而且也能用于传输数据，利于组网和实时监测，目前已经被广泛应用于结构的健康监测中。王宝军等探究了BOTDR技术对埋入土工织布的边坡形变稳定监测及早期破坏警报的可行性，发现将光纤依附于锚杆和框梁中时监测效果更好。特别的，通过连续的应变还能测算出其宏观的位移，这为我们对边坡监测提供了一种新的思路。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种滑移面感知锚杆及其监测方法，以解决现有技术中传统监测技术在数字化、自动化和精度方面比较落后，易受到地形通视条件限制和气象条件的影响，工作量大，周期长，连续和实时观测能力较差的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的一种滑移面感知锚杆，包括：纤维增强复合材料锚杆杆体、长周期光纤光栅传感器串、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、光纤接头保护套管及铠装光缆；所述长周期光纤光栅传感器串及光纤光栅多点温度补偿辅助传感器设于纤维增强复合材料锚杆杆体的内部，且二者分别与铠装光缆连接；铠装光缆从纤维增强复合材料锚杆杆体内引出，并穿设于光纤接头保护套管之中，光纤接头保护套管套设于纤维增强复合材料锚杆杆体的一端。
优选地，所述纤维增强复合材料锚杆杆体由纤维增强复合材料制成通长直杆形式并生成肋。
优选地，所述长周期光纤光栅传感器串及光纤光栅多点温度补偿辅助传感器相互平行设置。
优选地，所述长周期光纤光栅传感器串包含多个依次串联的长周期光纤光栅传感器，该长周期光纤光栅传感器包含第一套管、封装在第一套管内的第一光纤及刻写在第一光纤上的第一光栅，第一光纤的两端分别固定在第一套管的锚固段。
优选地，所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包含第二套管、封装在第二套管内的第二光纤和刻写在第二光纤上的第二光栅，第二光纤的一端固定在第二套管的锚固段，套管两端封闭。
优选地，所述光纤接头保护套管的直径大于纤维增强复合材料锚杆杆体的直径，纤维增强复合材料锚杆杆体与光纤接头保护套管之间填充有环氧树脂。
所述长周期光纤光栅传感器串、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器均布置在纤维增强复合材料锚杆的圆心位置。
本发明的一种滑移面感知锚杆的监测方法，其采用上述滑移面感知锚杆，包括以下步骤：
(1)根据边坡所处位置的地质状况、边坡等级、支护结构的特点和工程环境，在可能出现滑坡、崩塌的剖面线上布设监测点进行长时间的变形监测；
(2)布设于边坡不同位置的纤维增强复合材料锚杆杆体内的传感器，通过引出的铠装光缆汇集到光纤光栅解调仪，形成监测传感网络；同一个纤维增强复合材料锚杆杆体内的光栅将输送到同一个通道，光纤光栅解调仪的每个通道根据其连接光栅数量的能力，用藕合器同时连接多个纤维增强复合材料锚杆杆体；
(3)连接各纤维增强复合材料锚杆杆体的光纤光栅解调仪与电脑终端相连，并通过监测系统软件，构建边坡监测系统各纤维增强复合材料锚杆杆体的传感感知，光纤光栅解调仪用于数据采集，监测软件系统则实现对数据的分析、边坡稳定状态的评估和预警功能；
(4)各纤维增强复合材料锚杆杆体中的长周期光纤光栅传感器在各自标距内的波长读数由对应的光纤光栅多点温度补偿辅助传感器进行相应位置的精确温度补偿，转化为标距内的平均应变值以获取沿纤维增强复合材料锚杆杆体纵向方位的应变分布，然后利用长周期光纤光栅传感器的弯曲传感特性计算垂直纤维增强复合材料锚杆杆体弯曲方向的压应力以精确找出滑移断面并分析坡体的内部滑移状态。
优选地，所述纤维增强复合材料锚杆杆体的杆长L，长周期光纤光栅传感器在杆体距锚固端
处进行加密处理，剩余
部分相应地稀疏布设。
优选地，所述步骤(2)中还包括：每个通道内不能有波长相同或接近的光栅。
优选地，所述方法还包括：采用有一定时间间隔的持续性监测，获得边坡变形的实时连续变化特征。
本发明的有益效果：
1、本发明所用的基于长周期光纤光栅传感器串的锚杆传感器原理简单可靠，监测方法新颖巧妙。本发明不仅可以利用安装在锚杆上的长周期光纤光栅传感器测量其标距内的平均应变，根据锚杆沿长度方向的应变分布得到锚杆某一标距范围乃至全长的伸长压缩量，还可以通过锚杆内长周期光纤光栅传感器的弯曲敏感特性得到锚杆的弯曲曲率，进而分析边坡滑坡滑面的变形；
2、本发明的长周期光纤光栅传感器串由多个串联的长周期光纤光栅传感器组成，能测量不同深度的锚杆的应变和轴力情况，在长周期光纤光栅传感器加密的杆长部分更能准确并精确地反映坡体内部变形状态；
3、本发明的边坡监测，可通过将铠装光缆引线穿过光纤保护盒引至位于安全位置的光纤光栅采集仪，并由计算机程序控制自动采集和分析；
4、本发明所用的纤维增强复合材料锚杆杆体制作工艺简单、造价低廉且布设方便。锚杆在边坡内的布设既可以用作监测，也可以作为受力杆件起加固支护作用且有着广阔的应用前景和良好的经济效益；
5、纤维增强复合材料锚杆与钢筋相比具有良好的耐久性，可应用到一些钢筋易遭受严重腐蚀的场合。各光纤传感器与锚杆一体化封装以后更是能适用于环境侵蚀，具有很好的耐久性和广泛的适用性；
6、本发明的测试精度高，其应变测试精度可达1με；
7、本发明的监测方法，可作为边坡在施工开挖和形成边坡后以及易滑坡山体的滑坡滑面探测，采用有一定时间间隔的持续性监测。
附图说明
图1为本发明锚杆的构造示意图。
图2为图1中Ⅰ-Ⅰ截面的横向剖视图。
图3为图1中Ⅱ-Ⅱ截面的横向剖视图。
图4为图1中Ⅲ-Ⅲ截面的横向剖视图。
图5为本发明监测方法的原理图。
图6为弯曲光纤示意图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
参照图1至图4所示，本发明的一种滑移面感知锚杆，包括：纤维增强复合材料锚杆杆体3、长周期光纤光栅传感器(LPFG)串1、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2、光纤接头保护套管5、环氧树脂6及铠装光缆7；所述长周期光纤光栅传感器(LPFG)串1及光纤光栅多点温度补偿辅助传感器2设于纤维增强复合材料锚杆杆体3的内部，且二者分别与铠装光缆7连接；铠装光缆7从纤维增强复合材料锚杆杆体3内引出，并穿设于光纤接头保护套管5之中，光纤接头保护套管套设于纤维增强复合材料锚杆杆体的一端；纤维增强复合材料锚杆杆体与光纤接头保护套管之间填充有环氧树脂，以确保二者之间的连接。
其中，所述纤维增强复合材料锚杆杆体由纤维增强复合材料制成通长直杆形式并生成肋4。
其中，所述长周期光纤光栅传感器串及光纤光栅多点温度补偿辅助传感器相互平行设置。
其中，所述长周期光纤光栅传感器串包含多个依次串联的长周期光纤光栅传感器，该长周期光纤光栅传感器包含第一套管、封装在第一套管内的第一光纤及刻写在第一光纤上的第一光栅，第一光纤的两端分别固定在第一套管的锚固段。
其中，所述光纤光栅多点温度补偿辅助传感器包含第二套管、封装在第二套管内的第二光纤和刻写在第二光纤上的第二光栅，第二光纤的一端固定在第二套管的锚固段，另一端自由，套管两端封闭。
本发明的滑移面感知锚杆施工安装，具体方法是：
1)针对岩土工程的具体情况，选定监测的具体断面位置；一般可选择比较关键和危险的断面进行监测，在与每个断面约90°方向这个部位进行布设监测；
2)根据锚杆杆体长度、直径，确定钻孔长度与直径，沿着深度方向在岩土体钻孔；同时在距离监测断面不远处安装并固定好光纤接线盒；
3)将封装好的锚杆杆体缓慢放入钻孔中，并采用水泥砂浆将杆体安装固定，过程中需作必要的保护，完成滑移面感知锚杆的就位；
4)滑移面感知锚杆安装就位之后，随即喷射混凝土进行喷锚，完成该断面位置的衬砌施工。
参照图5所示，本发明的一种滑移面感知锚杆的监测方法，其采用上述滑移面感知锚杆，包括以下步骤：
(1)根据边坡所处位置的地质状况、边坡等级、支护结构的特点和工程环境，在可能出现滑坡、崩塌的剖面线上布设监测点进行长时间的变形监测；
(2)布设于边坡不同位置的纤维增强复合材料锚杆杆体内的传感器，通过引出的铠装光缆汇集到光纤光栅解调仪，形成监测传感网络；同一个纤维增强复合材料锚杆杆体内的光栅将输送到同一个通道，光纤光栅解调仪的每个通道根据其连接光栅数量的能力，用藕合器同时连接多个纤维增强复合材料锚杆杆体但每个通道内不能有波长相同或非常接近的光栅；
(3)连接各纤维增强复合材料锚杆杆体的光纤光栅解调仪与电脑终端相连，并通过监测系统软件，构建边坡监测系统各纤维增强复合材料锚杆杆体的传感感知，光纤光栅解调仪用于数据采集，监测软件系统则实现对数据的分析、边坡稳定状态的评估和预警功能；
(4)各纤维增强复合材料锚杆杆体中的长周期光纤光栅传感器在各自标距内的波长读数应该由对应的光纤光栅多点温度补偿辅助传感器进行相应位置的精确温度补偿，转化为标距内的平均应变值以获取沿纤维增强复合材料锚杆杆体纵向方位的应变分布，然后利用长周期光纤光栅传感器的弯曲传感特性计算垂直纤维增强复合材料锚杆杆体弯曲方向的压应力以精确找出滑移断面并分析坡体的内部滑移状态；
(5)采用有一定时间间隔的持续性监测，可获得边坡变形的实时连续变化特征，本方法可作为边坡在施工开挖和形成边坡后以及易滑坡山体的滑坡滑面探测。
其中，所述纤维增强复合材料锚杆杆体的杆长L，长周期光纤光栅传感器在杆体距锚固端
处进行加密处理，剩余
部分相应地稀疏布设。
本发明通过将锚杆延伸布置至滑移面稍远的土层，锚固后与坡体融为一体，因此其远端可近似认为固定于稳定的坡体上，亦即近似为固定端，通过锚杆内多个串联的长周期光纤光栅传感器的测量，获取沿锚杆纵向全长的应变分布，得到锚杆在不同深度的受力情况，同时利用LPFG的弯曲传感特性计算垂直杆体弯曲方向的最大压应力以精确找出滑移断面并分析坡体的内部滑移状态；
LPFG是把纤芯中传输的基模能量耦合到同向传输的包层模中的损耗型光栅，因此它的透射光谱极易受包层和周围介质的影响，这一特点使它不仅与FBG(光纤光栅)一样提供了监测多种物理量的可能性，诸如温度、应变、弯曲半径等，而且LPFG具有高的检测灵敏度，尤其是在弯曲灵敏度方面，即使是微弯也会使LPFG的透射谱发生明显的变化。
LPFG弯曲传感特性与弯曲曲率及光栅结构参数(光栅长度和栅格周期)有关，当LPFG弯曲时，弯曲对其影响发生在两个方面：1)使LPFG中每一个被调制的折射率横截面发生倾斜，即栅格周期变小，而栅格周期远小于弯曲半径，则可认为Λ基本不变；2)使光纤变成了弯曲波导。当光纤变为弯曲波导时，内应变导致纤芯基模的两线偏振模传播常数不同，因而产生线双折射，即一个透射峰分裂为两个。在仅考虑弯曲而忽略其它应力的情况下，y轴方向的压应力和z轴方向的拉应力远小于x轴方向的压应力，忽略y轴方向和z轴方向的应力，且由于光纤半径远小于弯曲曲率半径，可设光纤弯曲时原来的横截面仍为平面。
如图6所示，则x轴方向的应力为：
其中：E为光纤材料的杨氏模量，ρ为弯曲曲率，由LFPG测得。
弯曲后两个分裂峰的谐振波长分别为：
其中，Λ和λD分别为LPFG的栅格周期和设计波长(即光纤有效折射率调制无限小时的谐振波长)，其中
为芯层不同模式间的直流耦合系数。
锚杆杆体弯曲变形：先求出经过温度补偿后的每个长周期光纤光栅传感器标距L内的应变值εres1和εres2，然后根据公式Δ＝ε×L得到该长标距长周期光纤光栅传感器的变形量Δres1和Δres2，然后累计整个锚杆上的弯曲变形量，结合弯曲曲率找出滑移面。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种滑移面感知锚杆的监测方法，其特征在于，采用一种滑移面感知锚杆，包括：纤维增强复合材料锚杆杆体、长周期光纤光栅传感器串、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器、光纤接头保护套管及铠装光缆；所述长周期光纤光栅传感器串及光纤光栅多点温度补偿辅助传感器设于纤维增强复合材料锚杆杆体的内部，且二者分别与铠装光缆连接；铠装光缆从纤维增强复合材料锚杆杆体内引出，并穿设于光纤接头保护套管之中，光纤接头保护套管套设于纤维增强复合材料锚杆杆体的一端；
所述纤维增强复合材料锚杆杆体由纤维增强复合材料制成通长直杆形式并生成肋；
所述光纤接头保护套管的直径大于纤维增强复合材料锚杆杆体的直径，纤维增强复合材料锚杆杆体与光纤接头保护套管之间填充有环氧树脂；
所述长周期光纤光栅传感器串、光纤光栅多点温度补偿辅助传感器均布置在纤维增强复合材料锚杆的圆心位置；
该监测方法包括以下步骤：
(1)根据边坡所处位置的地质状况、边坡等级、支护结构的特点和工程环境，在可能出现滑坡、崩塌的剖面线上布设监测点进行长时间的变形监测；
(2)布设于边坡不同位置的纤维增强复合材料锚杆杆体内的传感器，通过引出的铠装光缆汇集到光纤光栅解调仪，形成监测传感网络；同一个纤维增强复合材料锚杆杆体内的光栅将输送到同一个通道，光纤光栅解调仪的每个通道根据其连接光栅数量的能力，用藕合器同时连接多个纤维增强复合材料锚杆杆体；
(3)连接各纤维增强复合材料锚杆杆体的光纤光栅解调仪与电脑终端相连，并通过监测系统软件，构建边坡监测系统各纤维增强复合材料锚杆杆体的传感感知，光纤光栅解调仪用于数据采集，监测软件系统实现对数据的分析、边坡稳定状态的评估和预警功能；
(4)各纤维增强复合材料锚杆杆体中的长周期光纤光栅传感器在各自标距内的波长读数由对应的光纤光栅多点温度补偿辅助传感器进行相应位置的精确温度补偿，转化为标距内的平均应变值以获取沿纤维增强复合材料锚杆杆体纵向方位的应变分布，然后利用长周期光纤光栅传感器的弯曲传感特性计算垂直纤维增强复合材料锚杆杆体弯曲方向的压应力以精确找出滑移断面并分析坡体的内部滑移状态；
所述纤维增强复合材料锚杆杆体的杆长L，长周期光纤光栅传感器在杆体距锚固端
处进行加密处理，剩余
部分相应地稀疏布设；
当LPFG弯曲时，弯曲对其影响发生在两个方面：1)使LPFG中每一个被调制的折射率横截面发生倾斜，即栅格周期变小，而栅格周期远小于弯曲半径，则认为Λ基本不变；2)使光纤变成了弯曲波导，当光纤变为弯曲波导时，内应变导致纤芯基模的两线偏振模传播常数不同，因而产生线双折射，即一个透射峰分裂为两个；在仅考虑弯曲而忽略其它应力的情况下，y轴方向的压应力和z轴方向的拉应力远小于x轴方向的压应力，忽略y轴方向和z轴方向的应力，且由于光纤半径远小于弯曲曲率半径，可设光纤弯曲时原来的横截面仍为平面；
x轴方向的应力为：
其中：E为光纤材料的杨氏模量，ρ为弯曲曲率，由LFPG测得；
弯曲后两个分裂峰的谐振波长分别为：
其中，Λ和λD分别为LPFG的栅格周期和设计波长，其中
为芯层不同模式间的直流耦合系数；
锚杆杆体弯曲变形：先求出经过温度补偿后的每个长周期光纤光栅传感器标距L内的应变值εres1和εres2，然后根据公式Δ＝ε×L得到该长周期光纤光栅传感器的变形量Δres1和Δres2，然后累计整个锚杆上的弯曲变形量，结合弯曲曲率找出滑移面。
2.根据权利要求1所述的滑移面感知锚杆的监测方法，其特征在于，所述步骤(2)中还包括：每个通道内不能有波长相同或接近的光栅。
3.根据权利要求2所述的滑移面感知锚杆的监测方法，其特征在于，所述方法还包括：采用有一定时间间隔的持续性监测，获得边坡变形的实时连续变化特征。
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