CN110685289A - 一种可监测边坡变形的土工格栅 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可监测边坡变形的土工格栅，土工格栅材料主要成分为轻质高强的碳纤维，光纤光栅传感器嵌入到碳纤维中，同时利用碳纤维的电阻特性和光纤光栅的波长特性对岩土体内部应变进行监测，既增强了土工格栅的强度，也扩大了应变监测的量程，同时可以精准识别出应变异常的位置。

Description

一种可监测边坡变形的土工格栅

技术领域

本发明属于边坡安全加固及监测领域，尤其涉及一种可用于监测边坡变形的土工格栅。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

我国山区面积广大，占全国总面积的2/3，因此存在许多自然边坡；随着工程开发建设，也涌现出大量人工边坡。由于岩土体自身性质，以及受到雨水冲刷、地质运动、人类活动等多方面因素的影响，边坡岩土体会发生松弛张裂、蠕动变形、崩塌甚至滑坡等变形破坏。灾害一旦发生，将会严重威胁到工程安全，甚至造成人员伤亡。因此对边坡的安全性提出了很高的要求，如何对边坡进行有效的加固，如何实时监测边坡动态、在存在险情隐患时及时发出预警以采取相应措施，是值得重视的问题，对边坡加固及变形监测进行研究具有重要意义。

土工格栅是一种重要的土工合成材料，质量轻、整体性好，常制成二维网格结构，通过将土工格栅预埋在土中起到边坡加固的效果，因此土工格栅被广泛应用于边坡灾害防治中。

光纤光栅传感器采用光信号进行传输，抗干扰能力强，具有良好的稳定性，且传感器体积小，接线简单，远距离数据传输方便，单根光纤可刻写多个光栅，实现准分布式测量，非常适合大规模集成使用,但目前国内光纤光栅传感器量程大都在5000με以内。

碳纤维是一种含碳量在90％以上的高强度高模量纤维，有导电性、耐腐蚀性，材料柔软，可加工成多种形状。具有力阻效应，可研制成应变传感器，因其良好的承载力和传感特性而得到广泛应用。

在边坡监测领域已有学者进行了研究，如：专利CN109872508A公开了一种基于光纤光栅的滑坡灾害预警方法，将光纤光栅传感器按要求粘贴到锚杆上实现对应变、位移、温度的监测。专利CN208266894U提供了一种用于土质边坡的智能土工格栅，将传感光纤嵌入格栅本体的筋条内，以实现对边坡应变异常处的准确识别和定位。但发明人发现：现有边坡加固及边坡变形监测手段在精确度和稳定性仍存在一定不足。特别是，现有的对具有监测功能的土工格栅少量研究中存在光纤光栅传感器量程小，光纤光栅与土工格栅结合方式不合理而导致光纤光栅易脱落损坏、施工繁琐等问题。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提供了一种可监测边坡变形的土工格栅，土工格栅材料主要成分为轻质高强的碳纤维，光纤光栅传感器嵌入到碳纤维中，同时利用碳纤维的电阻特性和光纤光栅的波长特性对岩土体内部应变进行监测，既增强了土工格栅的强度，也扩大了应变监测的量程，同时可以精准识别出应变异常的位置。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可监测边坡变形的土工格栅，包括：土木格栅、光纤光栅传感器，所述土木格栅为多条平行的纵向碳纤维条和多条平行的横向碳纤维条交叉形成的网格状结构，所述土木格栅内嵌入有光纤光栅传感器，所述土木格栅与电阻测量装置相连，所述光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连。

与现有的内埋、植入、封装等方式制备的光纤光栅设计相比，本申请的光纤光栅处于碳纤维丝的中间位置，且与浸渍了树脂的碳纤维丝平行放置，一起进入模具成型，不会引起相邻碳纤维的弯曲，避免了出现树脂富集区产生应力集中现象，对碳纤维强度刚度的影响甚微，制备出的土工格栅具有轻质、强度高、孔隙率低等优点。

本申请对电阻测量装置的具体类型并不作特殊的限定，因此，在一些实施例中，所述电阻测量装置为电子万用表，以提高测量精度和准确性。

本申请对光纤光栅传感器的具体类型并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述光纤光栅传感器为布拉格光纤光栅FBG，以保证监测的稳定性和灵敏度。

在一些实施例中，所述土木格栅内嵌入有光纤光栅传感器的具体方式为：在所述碳纤维条嵌入光纤光栅传感器。边坡变形监测中土木格栅的嵌入式设计：将光纤光栅与碳纤维材料平行放置共同进入模具中成型制成碳纤维条带，再将条带正交编织成网格状形成智能土工格栅，埋置在土体中，监测地基、边坡的变形情况，既保证土工格栅的基本加固作用的同时，实现对土体的变形监测。

在一些实施例中，所述碳纤维条通过导线与电阻测量装置相连，以实时监控边坡变形，在存在险情隐患时及时发出预警以采取相应措施。

本发明还提供了一种可监测边坡变形的土工格栅的制备方法，包括：

在碳纤维束上涂刷树脂胶体、固化后，再次刷涂树脂胶体、固化；

将带有包覆层的光纤光栅嵌入到上述处理后的碳纤维束中，合模、养护、拆模，形成土木格栅；

在土木格栅端头连接导线制成电极，在光纤端头熔接测试跳线，并设置保护措施。

上述制备方法简单、高效，易于推广，工业前景好。

在一些实施例中，所述树脂胶体为环氧树脂、不饱和聚酯等。通过两次涂刷树脂，使碳纤维束完全浸润到树脂中去，是碳纤维束被树脂完全覆盖。

在一些实施例中，所述连接导线的具体方法为在土木格栅端头使用导电银胶黏贴铜片引出导线制成电极，以提高监测准确性和灵敏度。

本发明还提供了任一上述的方法制备的可监测边坡变形的土工格栅。

本发明还提供了上述的可监测边坡变形的土工格栅在边坡加固及变形监测、预警中的应用。

本发明的有益效果在于：

(1)碳纤维材料沿轴向具有很高的强度和弹性模量，因此碳纤维为主材的土工格栅强度得到了进一步提升，更好的起到最基本的加固作用。

(2)碳纤维和光纤光栅同时起到传感作用，光纤光栅传感器灵敏度高，用其监测小应变，当光纤光栅在应力过大状态下被拉断而失效时，碳纤维强度高的优势便可体现出来，此时仍可保持对土体结构的监测。相比其他边坡监测手段具有更大的量程，可以更完整的监测土体受力状态。

(3)在光纤光栅和碳纤维应变监测量程重合范围内，即两者共同监测，两种传感材料的监测结果起到互相印证的作用，更加确保了测量的精确性。

(4)碳纤维对光纤起到良好的保护作用，能增加传感材料的使用寿命。

(5)本申请的结构简单、灵敏度高、使用方便，易于规模化生产。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为一种可监测边坡变形的土工格栅结构示意图。

图2为本发明中的单根碳纤维条示意图。

图3为本发明中的碳纤维条的剖视图。

在图1至图3中包括有：1——土工格栅；2——碳纤维条；3——光纤光栅传感器；4——导线；5——碳纤维束丝。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对目前边坡加固及边坡变形监测手段精确度和稳定性不佳的问题。因此，本发明提出一种可监测边坡变形的土工格栅，碳纤维为主要材料的土工格栅，嵌入土工格栅的光纤光栅，测量碳纤维电阻值的精密电子万用表，与光纤光栅传感器相接的光纤光栅解调仪。通过光纤光栅解调仪接收到的光信号可得到应变，通过精密电子万用表测得的电阻值即可计算出碳纤维受力时的电阻率，进而得知应变。将本发明中的土工格栅铺设到土体中，当边坡结构发生变形时，通过传感器实时监测的数据，便可分析出边坡结构是否安全。所述格栅为多条平行的纵向碳纤维条和多条平行的横向碳纤维条交叉形成的网格状结构，所述光纤光栅传感器与碳纤维条对应设置。

使用刷胶工艺制作碳纤维条：预铺碳纤维丝束，保证碳纤维丝束顺直且平行排列，在碳纤维束上均匀涂刷环氧树脂胶体，将浸润过胶体的碳纤维束放在养护箱中加热固化，成型后清除多余胶体，再刷第二道树脂，确保碳纤维束完全浸润在胶体中。模具内侧涂抹脱模剂，取所需数量的碳纤维束平整放置在模具中，放置到一半时，将外部带有包覆层的光纤光栅放置在中心位置，随后继续放置碳纤维束，使碳纤维束将光纤光栅包裹在中心。达到要求尺寸时，封上模具盖板，放入养护箱。养护成型后拆模，在端头使用导电银胶黏贴铜片引出导线制成电极，在光纤端头熔接测试跳线，并设置保护措施。

以下通过具体的实施例对本申请的技术方案进行说明。以下实施例中，光纤光栅为光纤Bragg光栅；碳纤维束为T300，12K碳纤维。

实施例1：

一种可监测边坡变形的土工格栅，碳纤维为主要材料的土工格栅，嵌入土工格栅的光纤光栅传感器，测量碳纤维电阻值的精密电子万用表，与光纤光栅传感器相接的光纤光栅解调仪。通过光纤光栅解调仪接收到的光信号可得到应变，通过精密电子万用表测得的电阻值即可计算出碳纤维受力时的电阻率，进而得知应变。将本发明中的土工格栅铺设到土体中，当边坡结构发生变形时，通过传感器实时监测的数据，便可分析出边坡结构是否安全。所述格栅为多条平行的纵向碳纤维条和多条平行的横向碳纤维条交叉形成的网格状结构，所述光纤光栅传感器与碳纤维条对应设置。

使用刷胶工艺制作碳纤维条，在碳纤维束上均匀涂刷环氧树脂胶体，将浸润过胶体的碳纤维束加热固化，再刷第二道树脂。随后取一定数量的碳纤维束放置在模具中，进行这个步骤时将外部带有包覆层的光纤光栅嵌入到碳纤维束中。养护后拆模，在端头使用导电银胶黏贴铜片引出导线制成电极，在光纤端头熔接测试跳线，并设置保护措施。

其中，格栅的每条碳纤维条中设置一根光纤光栅，碳纤维束将光纤光栅包裹在格栅条内的中心位置，格栅的截面尺寸(宽度×厚度)＝12mm×3mm。

检测结果表明：应变开始阶段，碳纤维元件的电阻变化率较高；应变超过8000με时，电阻变化率增长速度开始降低；应变达到30000με左右时，此时大量碳纤维丝发生断裂，电阻率快速增长。测试过程中，低应变状态(小于3000με)下，光纤光栅传感器灵敏度为1.18pm/με。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可监测边坡变形的土工格栅，其特征在于，包括：土木格栅、光纤光栅传感器，所述土木格栅为多条平行的纵向碳纤维条和多条平行的横向碳纤维条交叉形成的网格状结构，所述土木格栅内嵌入有光纤光栅传感器，所述土木格栅与电阻测量装置相连，所述光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连。

2.如权利要求1所述的可监测边坡变形的土工格栅，其特征在于，所述电阻测量装置为电子万用表。

3.如权利要求1所述的可监测边坡变形的土工格栅，其特征在于，所述光纤光栅传感器为布拉格光纤光栅FBG。

4.如权利要求1所述的可监测边坡变形的土工格栅，其特征在于，所述土木格栅内嵌入有光纤光栅传感器的具体方式为：在所述碳纤维条嵌入光纤光栅传感器。

5.如权利要求1所述的可监测边坡变形的土工格栅，其特征在于，所述碳纤维条通过导线与电阻测量装置相连。

6.一种可监测边坡变形的土工格栅的制备方法，其特征在于，包括：

在碳纤维束上涂刷树脂胶体、固化后，再次刷涂树脂胶体、固化；

将带有包覆层的光纤光栅嵌入到上述处理后的碳纤维束中，合模、养护、拆模，形成土木格栅；

在土木格栅端头连接导线制成电极，在光纤端头熔接测试跳线，并设置保护措施。

7.如权利要求6所述的可监测边坡变形的土工格栅的制备方法，其特征在于，所述树脂胶体为环氧树脂。

8.如权利要求6所述的可监测边坡变形的土工格栅的制备方法，其特征在于，所述连接导线的具体方法为在土木格栅端头使用导电银胶黏贴铜片引出导线制成电极。

9.权利要求6-8任一项所述的方法制备的可监测边坡变形的土工格栅。

10.权利要求9所述的可监测边坡变形的土工格栅在边坡加固及变形监测、预警中的应用。

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