CN109680573A - 路基应变光纤感测技术检测方法 - Google Patents

路基应变光纤感测技术检测方法 Download PDF

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宋占璞
杨铁晖
冯时松
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Abstract

本发明提供一种路基应变光纤感测技术检测方法，包括：利用敷设于路基的多个结构层中的应变光纤传感器采集结构层中的多个监测点的虚拟应变参数，以及利用敷设于结构层中的温度光纤传感器采集多个监测点的温度参数；获取来自应变光纤传器的多个监测点的虚拟应变参数，以及获取来自温度光纤传感器的多个监测点的温度参数；利用温度参数对对应的虚拟应变参数进行差值计算，以获得多个监测点的精确应变参数；根据多个监测点的精确应变参数确定路基的应变情况。通过本发明提供的方法，能够简化检测步骤，全面的掌控路基在施工期和运营期的变形特征，实现无人值守自动化监测和数据采集，实现远程检测。

Description

路基应变光纤感测技术检测方法
技术领域
本发明涉及市政工程施工领域，具体地，涉及一种路基应变光纤感测技术检测方法。
背景技术
我国公路工程基础设施正处于大规模建设时期，为了保证公路路面平整度符合技术规范要求，预判路基各结构层的稳定性，需要在施工以及运行期间对路基的沉降、开裂进行检测，实现公路整体健康状态感知和监测。利用检测数据可以做到一定程度的趋势预报预警，并且指导防灾减灾和施工补强工作，尽量避免灾害发生，减轻灾害影响。
现有技术中，主要采用沉用沉降仪、测斜仪、全站仪、水准仪人工对路基应变进行检测，这些技术方法，检测准确度低，检测步骤繁琐，测点稀疏，无法实现对被测体的全方位检测，并且现有技术中使用的传感器易腐蚀，难以实现长期监测。
发明内容
针对现有技术中对公路路基检测时准确度低，检测步骤繁琐，测点稀疏，无法实现对被测体的全方位检测，并且现有技术中使用的传感器易腐蚀，难以实现长期监测的技术问题，本发明提供了一种路基应变光纤感测技术检测方法，采用该方法可以提高路基应变情况的检测精度，简化检测步骤，全面的掌控路基在施工期和运营期的变形特征，实现无人值守自动化监测和数据采集，实现远程检测，并且本方法中使用的传感器具有抗腐蚀、抗电磁干扰、信息量大等优点，能够实现长期监测。
为实现上述目的，本发明提供的路基应变光纤感测技术检测方法包括以下步骤：利用敷设于路基的多个结构层中的应变光纤传感器采集所述结构层中的多个监测点的虚拟应变参数，以及利用敷设于所述结构层中的温度光纤传感器采集所述多个监测点的温度参数；获取来自所述应变光纤传感器的所述多个监测点的虚拟应变参数，以及获取来自所述温度光纤传感器的所述多个监测点的温度参数；利用所述温度参数对对应的虚拟应变参数进行差值计算，以获得所述多个监测点的精确应变参数；根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变情况。
进一步地，所述多个结构层为由下至上依次敷设的压实土方层、粒料底基层、粒料基层和沥青基层；所述方法还包括：在每一所述结构层中并排敷设所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器。
进一步地，所述在每一所述结构层中并排敷设所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器，包括：将每一所述结构层由下至上划分为第一敷设层和第二敷设层；沿所述路基的延伸方向，按照之字形将所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器并排敷设于所述第一敷设层中；沿所述路基的延伸方向，纵向将所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器并排敷设于所述第二敷设层中。
进一步地，所述结构层的第二敷设层中的应变光纤传感器和温度光纤传感器的敷设位置与该结构层的上表面的距离介于5-10cm。
进一步地，所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器均贯穿所述路基敷设于所述路基的多个结构层中，且所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器的起始端均敷设于所述路基的边坡位置。
进一步地，所述应变光纤传感器为紧套单模光纤传感器，所述温度光纤传感器为松套多模光纤传感器。
进一步地，所述根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变情况，包括：在有任一监测点的精确应变参数为正值的情况下，确定所述路基出现开裂情况；在有任一监测点的精确应变参数为负值的情况下，确定所述路基出现沉降情况；在所有监测点的精确应变参数为零的情况下，确定所述路基无应变情况。
进一步地，所述根据所述多个监测点的精确应变参数确定路基的应变情况，包括：根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变分布情况；根据所述应变分布情况将所述路基划分为多个应变区域，一个应变区域中的所有监测点的精确应变参数均为同类别数值，其中所述同类别数值为正值、负值或零；将所有监测点的精确应变参数为正值的应变区域确定为开裂情况；将所有监测点的精确应变参数为负值的应变区域确定为沉降情况；将所有监测点的精确应变参数为零的应变区域确定为无应变情况。
通过本发明提供的技术方案，本发明至少具有如下技术效果：
本发明的路基应变光纤感测技术检测方法，先在路基敷设过程中埋入应变光纤传感器和温度光纤传感器，采集结构层中的多个监测点的虚拟应变参数和温度参数，再利用温度参数对对应的虚拟应变参数进行优化确定出检测点的精确应变参数，根据精确应变参数确定路基的应变情况。
通过本发明提供的方法，能够提高路基应变情况的检测精度，简化检测步骤，全面的掌控路基在施工期和运营期的变形特征，实现无人值守自动化监测和数据采集，实现远程检测，并且本方法中使用的传感器具有抗腐蚀、抗电磁干扰、信息量大等优点，能够实现长期监测。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1为本发明提供的路基应变光纤感测技术检测方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的路基应变光纤感测技术检测方法中多个结构层的剖面图；
图3为本发明实施例提供的路基应变光纤感测技术检测方法中传感器的布设方式的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参考图1，本发明实施例提供一种路基应变光纤感测技术检测方法，该方法包括以下步骤：S101：利用敷设于路基的多个结构层中的应变光纤传感器采集所述结构层中的多个监测点的虚拟应变参数，以及利用敷设于所述结构层中的温度光纤传感器采集所述多个监测点的温度参数；S102：获取来自所述应变光纤传感器的所述多个监测点的虚拟应变参数，以及获取来自所述温度光纤传感器的所述多个监测点的温度参数；S103：利用所述温度参数对对应的虚拟应变参数进行差值计算，以获得所述多个监测点的精确应变参数；S104：根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变情况。
具体地，本发明实施例中，先在路基敷设过程中在多个结构层中埋入应变光纤传感器和温度光纤传感器，当路基产生沉降或开裂变形，应变光纤传感器将随路基产生同步变形，应变光纤传感器产生相应的应变，通过应变光纤传感器可以检测多个监测点的虚拟应变参数。
路基的温度随周围环境温度的变化而变化，路基的路面体系性质与状态也随之发生变化，路基各个结构层材料的强度与刚度会随着路基温度的变化发生大幅度的增减，各个结构层的体积随路基温度的升降而引起膨胀或收缩，继而发生相应的应变。应变光纤传感器检测出的虚拟应变参数包含温度对路基的影响而产生的应变，虚拟应变参数无法表示路基实际发生的应变。因此，根据本发明的技术方案，需要对虚拟应变参数进行优化，通过温度光纤传感器采集多个监测点的温度参数，再利用温度参数对对应的虚拟应变参数进行差值计算，去除温度对虚拟应变参数的影响，确定出能够表明路基实际应变的精确应变参数，之后再根据精确应变参数准确判断路基的应变情况。
根据布里渊光时域分析技术可知传感器中的布里渊散射光频率变化量与传感器轴向应变、环境温度之间的线性关系为：
VB(ε，T)＝VB(ε0，T0)+Kε(ε-ε0)+KT(T-T0) (1)
由此可得：
式中，VB(ε0，T0)，VB(ε，T)分别为测试前、后光纤中布里渊散射光的频移量；ε0，ε分别为测试前、后传感器的轴向应变值；T0，T分别为测试前、后的温度值。比例系数Kε和KT的值分别约为0.05MHz/με和1.2MHz/℃。
测温技术以光脉冲来照射纤芯，光注入到光纤中，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生拉曼散射，拉曼散射光包含两个分量。频率较高的为反斯托克斯光，频率较低的为斯托克斯光。斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比和温度具有如下的关系：
式中，R(t)为待测温度的函数；Ia为反斯托克斯光强；Ib为斯托克斯光强；va为反斯托克斯光频率；vb为斯托克斯光频率；c为真空中的光速；v为拉曼平移量；h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；t为绝对温度。
根据公式(3)可以获得T和T0，再将T和T0代入公式(2)获得传感器的轴向应变值ε，ε即为精确应变参数。
通过本发明提供的方法，能够提高路基应变情况的检测精度，简化检测步骤，全面的掌控路基在施工期和运营期的变形特征，实现无人值守自动化监测和数据采集，实现远程检测，并且本方法中使用的传感器具有抗腐蚀、抗电磁干扰、信息量大等优点，能够实现路基的长期监测。
进一步地，所述多个结构层为由下至上依次敷设的压实土方层、粒料底基层、粒料基层和沥青基层；所述方法还包括：在每一所述结构层中并排敷设所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器。
请参考图2，具体地，本发明实施例中，多个结构层由下至上分别为压实土方层、粒料底基层、粒料基层和沥青基层，在每一结构层中均敷设有应变光纤传感器和温度光纤传感器，当结构层产生沉降或开裂变形时，敷设在该结构层的应变光纤传感器将随之产生同步变形，应变光纤传感器产生相应的应变。应变光纤传感器和温度光纤传感器上间隔预设距离设置有一个监测点，比如1cm，应变光纤传感器和温度光纤传感器并排敷设在每一所述结构层中能够保证应变光纤传感器的监测点和温度光纤传感器的监测点准确对位，在每一监测点检测出虚拟应变参数以及与该虚拟应变参数对应的温度参数，准确计算出监测点的精确应变参数。
根据本发明提供的方法，能够通过应变光纤传感器和温度光纤传感器感知每一结构层的应变，进一步提高路基应变检测的全面性和准确性。
进一步地，所述在每一所述结构层中并排敷设所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器，包括：将每一所述结构层由下至上划分为第一敷设层和第二敷设层；沿所述路基的延伸方向，按照之字形将所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器并排敷设于所述第一敷设层中；沿所述路基的延伸方向，纵向将所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器并排敷设于所述第二敷设层中。
请参考图2和图3，具体地，本发明实施例中，在每一结构层敷设传感器时，结构层由下至上划分为第一敷设层和第二敷设层，在第一敷设层沿所述路基的延伸方向，按照之字形将应变光纤传感器和温度光纤传感器并排敷设，之后在第二敷设层沿着路基的延伸方向，纵向敷设应变光纤传感器和温度光纤传感器。在每一结构层构成分布式传感器检测网，从而实现对路基结构层长距离、大面积监测，可以全面的掌控路基在施工期和运营期的变形特征。
在每一结构层敷设应变光纤传感器和温度光纤传感器时，首先根据检测方案的设计要求，在结构层标示敷设应变光纤传感器和温度光纤传感器的布放线路。之后，沿着标示布放应变光纤传感器和温度光纤传感器，布放时应变光纤传感器和温度光纤传感器应保持在松弛状态。在上层填料摊铺前需要用铆钉对应变光纤传感器和温度光纤传感器进行固定。在拐角位置需要考虑应变光纤传感器和温度光纤传感器的最小曲率要求，在敷设固定时增加固定点的密度，以保证拐角位置不会随着填筑施工而产生位移。对于填筑时易造成冲击的位置，可采用缠绕泡沫海绵等缓冲材料，形成一层缓冲层，以保护传感线路不受破坏。
根据本发明提供的方法，能够在每一结构层构成路基检测网，从而实现对路基结构层长距离、大面积监测，全面的掌控路基在施工期和运营期的变形特征。
进一步地，所述结构层的第二敷设层中的应变光纤传感器和温度光纤传感器的敷设位置与该结构层的上表面的距离介于5-10cm。
进一步地，所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器均贯穿所述路基敷设于所述路基的多个结构层中，且所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器的起始端均敷设于所述路基的边坡位置。
具体地，本发明实施例中，每一结构层上均贯穿敷设有应变光纤传感器和温度光纤传感器，且应变光纤传感器和温度光纤传感器沿垂直于路基的延伸方向敷设至边坡位置，并预留2-5m自由长度。
根据本发明提供的方法，能够方便路基检测网络的线路集成，方便每一结构层的应变光纤传感器和温度光纤传感器进行检修，提高路基检测网络的稳定性。
进一步地，所述应变光纤传感器为紧套单模光纤传感器，所述温度光纤传感器为松套多模光纤传感器。
具体地，本发明实施例中，路基检测网络由紧套单模传感器和松套多模传感器组成，紧套单模传感器用于变形测量，松套多模传感器用于温度测量。
路基检测网络还包括布里渊光时域分析仪和拉曼光时域反射仪。布里渊光时域分析仪与应变光纤传感器连接，主要用于路基应变检测，拉曼光时域反射仪则用于路基温度检测，其中布里渊光时域分析仪空间分辨率为0.05m、测量精度为20με、测量长度为80km；拉曼光时域反射仪测量温度范围为-40-120℃、温度分辨率为±0.1℃、测量精度为±0.5℃、空间分辨率为1m、测量长度为6km。
进一步地，所述根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变情况，包括：在有任一监测点的精确应变参数为正值的情况下，确定所述路基出现开裂情况；在有任一监测点的精确应变参数为负值的情况下，确定所述路基出现沉降情况；在所有监测点的精确应变参数为零的情况下，确定所述路基无应变情况。
具体地，本发明实施例中，在确定出精确应变参数之后，即可根据精确应变参数确定路基的应变情况，在多个监测点中当有任一监测点检测的精确应变参数为正值时，表明传感器受到了拉伸变形，确定路基可能出现开裂情况，可派遣工作人员区路基进行巡视、检查；在多个监测点中当有任一监测点检测的精确应变参数为负值时，表明传感器受到了压缩变形，确定路基可能出现沉降情况，派遣工作人员区路基进行巡视、检查；在多个监测点中所有监测点的精确应变参数为零时，表明传感器未拉伸、变形，则可以确定出路基并未发生应变。
根据本发明提供的方法，可以利用测试得到的精确应变参数实现对路基应变趋势的预报、预警，并且指导防灾减灾和施工补强工作，尽量避免灾害发生，减轻灾害影响。
进一步地，所述根据所述多个监测点的精确应变参数确定路基的应变情况，包括：根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变分布情况；根据所述应变分布情况将所述路基划分为多个应变区域，一个应变区域中的所有监测点的精确应变参数均为同类别数值，其中所述同类别数值为正值、负值或零；将所有监测点的精确应变参数为正值的应变区域确定为开裂情况；将所有监测点的精确应变参数为负值的应变区域确定为沉降情况；将所有监测点的精确应变参数为零的应变区域确定为无应变情况。
具体地，本发明实施例中，在检测出精确应变参数之后，根据精确应变参数以及与精确应变参数对应的监测点的位置，建立路基平面的二维坐标图，将精确应变参数以及与精确应变参数对应的监测点的位置投影至二维坐标图中，确定出路基的应变分布情况。在根据路基的应变分布情况以及监测点的精确应变参数的类别对路基进行区域划分，同一应变区域中的所有监测点的精确应变参数均为正值、负值或零。应变区域中所有检测点的精确应变参数为正值的情况下，表明该应变区域内的传感器发生了拉伸变形，确定该应变区域出现开裂情况，则可以派遣工作人员对该应变区域进行巡视、检查；应变区域中所有检测点的精确应变参数为负值的情况下，表明该应变区域内的传感器发生了挤压，确定该应表区域出现沉降情况，则可以派遣工作人员对该应变区域进行巡视、检查；应变区域中所有检测点的精确应变参数为零的情况下，表明该应变区域内的传感器未拉伸或变形，则可以确定该应变区域的路基未生应变。
根据本发明提供的方法，能够根据多个监测点的精确应变参数将路基划分为多个应变区域，准确确定出发生应变的区域以及位置，方便工作人员对路基进行检修和维护，并且指导防灾减灾和施工补强工作，尽量避免灾害发生，减轻灾害影响。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种路基应变光纤感测技术检测方法，其特征在于，所述方法包括：
利用敷设于路基的多个结构层中的应变光纤传感器采集所述结构层中的多个监测点的虚拟应变参数，以及利用敷设于所述结构层中的温度光纤传感器采集所述多个监测点的温度参数；
获取来自所述应变光纤传感器的所述多个监测点的虚拟应变参数，以及获取来自所述温度光纤传感器的所述多个监测点的温度参数；
利用所述温度参数对对应的虚拟应变参数进行差值计算，以获得所述多个监测点的精确应变参数；
根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变情况。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个结构层为由下至上依次敷设的压实土方层、粒料底基层、粒料基层和沥青基层；所述方法还包括：在每一所述结构层中并排敷设所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在每一所述结构层中并排敷设所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器，包括：
将每一所述结构层由下至上划分为第一敷设层和第二敷设层；
沿所述路基的延伸方向，按照之字形将所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器并排敷设于所述第一敷设层中；
沿所述路基的延伸方向，纵向将所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器并排敷设于所述第二敷设层中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述结构层的第二敷设层中的应变光纤传感器和温度光纤传感器的敷设位置与该结构层的上表面的距离介于5-10cm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器均贯穿所述路基敷设于所述路基的多个结构层中，且所述应变光纤传感器和所述温度光纤传感器的起始端均敷设于所述路基的边坡位置。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变光纤传感器为紧套单模光纤传感器，所述温度光纤传感器为松套多模光纤传感器。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变情况，包括：
在有任一监测点的精确应变参数为正值的情况下，确定所述路基出现开裂情况；
在有任一监测点的精确应变参数为负值的情况下，确定所述路基出现沉降情况；
在所有监测点的精确应变参数为零的情况下，确定所述路基无应变情况。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多个监测点的精确应变参数确定路基的应变情况，包括：
根据所述多个监测点的精确应变参数确定所述路基的应变分布情况；
根据所述应变分布情况将所述路基划分为多个应变区域，一个应变区域中的所有监测点的精确应变参数均为同类别数值，其中所述同类别数值为正值、负值或零；
将所有监测点的精确应变参数为正值的应变区域确定为开裂情况；
将所有监测点的精确应变参数为负值的应变区域确定为沉降情况；
将所有监测点的精确应变参数为零的应变区域确定为无应变情况。
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