CN111141256A - 基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置及方法，包括若干盒式箱体、固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管、第二可移动圆滑钢管以及第一光纤、第二光纤，在路基填筑的过程中，设置合理的间距将第一光纤和第二光纤通过各个盒式箱体连接形成一条完整的线路，利用光纤的分布式、高精度等特点可监测整条分布式光纤线路上的应变情况，同时也可计算出各个盒式箱体的沉降值，即路基的沉降值。本发明避免了路基沉降监测中点式监测方法的复杂性，同时不需要人为的一次次移动位置，通过设计合理的光纤路线，可形成路基监测网，依靠监测网可得到大范围内的路基沉降变形情况，大大提高了路基监测效率。

Description

基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置及方法

技术领域

本发明涉岩土工程监测及光纤应用技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置及方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，公路及铁路的建设是促进经济发展必不可少的条件，各种道路成长的状况体现着一个国家和区域的交通发展水平，同时也呈现着一个国家经济的整体状态。公路及铁路对大城市和大中城市起着衔接作用，对沿海港口城市和内陆省会城市起沟通作用，而在道路的建设过程中，路基的沉降变形不可避免的成为主要考虑解决的因素，若路基沉降在施工或使用过程中未加以预测或预测不当，就会施工期间时常出现路堤滑塌等事故，严重时会影响施工进度，或给工程质量留下隐患。因此有必要对路基的沉降变形进行监测分析。

在工程施工中路基沉降的监测方法有很多，目前常用的是常规的沉降板监测法，除此之外，工程中常用的沉降监测方法还有监测桩测量法、水准仪测量法以及剖面沉降仪测量法等。传统的监测方法技术成熟、操作简单，但是也容易受外界影响，且传统的监测方法工作量大，只能监测到某一点或某一位置的沉降变形。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置及方法，用于实时地、高精度地监测路基的沉降变形情况。本发明采用的技术方案是：

基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，包括若干盒式箱体以及设于盒式箱体内的固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管、第二可移动圆滑钢管和第一光纤、第二光纤，所述盒式箱体为双层结构，且双层结构间充填有恒温绝热材料，所述盒式箱体的顶面和底面的中心上分别开设有第一钢管孔和第二钢管孔，所述第一钢管孔两侧设有第一导轨，所述第二钢管孔两侧设有第二导轨，且所述第一导轨和第二导轨分别位于所述盒式箱体的顶面和底面中心线上，所述固定圆滑钢管通过第一钢管孔和第二钢管孔与所述盒式箱体贯穿连接，所述第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管左右对称地设于所述固定圆滑钢管的两侧，且第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管的两端分别与第一导轨和第二导轨固定连接，所述固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管的上下方均设有夹具，所述第一光纤和第二光纤通过所述夹具呈双锯齿状布设。

进一步地，所述盒式箱体的左侧上下方分别开设有第一穿线孔和第二穿线孔，所述盒式箱体的右侧上下方分别开设有第三穿线孔和第四穿线孔。

进一步地，所述第一光纤和第二光纤的布设方式具体为：所述第一光纤通过盒式箱体的第三穿线孔进入所述盒式箱体并从第一穿线孔出来，且通过所述夹具依次与所述第二可移动圆滑钢管、固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管连接并呈V型排布，所述第二光纤通过盒式箱体的第四穿线孔进入所述盒式箱体并从第二穿线孔出来，且通过夹具依次与所述第二可移动圆滑钢管、固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管连接并呈倒V型排布。

进一步地，所述固定圆滑钢管在所述盒式箱体外面的部分设置有螺纹结构。

进一步地，所述夹具包括圆滑钢管夹具、光纤夹具、圆滑钢管穿孔、光纤穿孔、若干螺丝和螺帽，所述圆滑钢管夹具通过所述螺丝和螺帽来夹紧穿过所述圆滑钢管穿孔的固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管，所述光纤夹具通过所述螺丝和螺帽来夹紧穿过所述光纤穿孔的第一光纤、第二光纤。

进一步地，所述圆滑钢管穿孔和光纤穿孔中均设有橡胶环，所述橡胶环用于增加摩擦，防止所述夹具和第一光纤、第二光线发生滑移。

进一步地，还包括分布式光纤解调仪，所述分布式光纤解调仪与所述第一光纤和第二光纤连接，所述分布式光纤解调仪用于收集光纤数据。

上述基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置进行路基沉降监测的方法，包括以下步骤：

S1：装置布设：在路基填筑时，在路基断面方向上布置上述的路基沉降监测装置，使用第一光纤和第二光纤将若干个盒式箱体连接起来，形成完整的光纤路基监测线路，然后将固定圆滑钢管穿过盒式箱体的部分埋设于稳定的地层中；

S2：数据监测：将第一光纤和第二光纤的末端从路基坡脚处牵引出并熔接，将第一光纤和第二光纤的始端分别连接分布式光纤解调仪后，分布式光纤解调仪开始监测并收集第一光纤和第二光纤的数据；

S3：沉降计算：路基发生沉降时，利用分布式光纤解调仪监测出该沉降位置第二光纤的应变量，则根据公式可计算出此时的沉降量。

进一步地，上述步骤S3中沉降量的计算公式为：

其中x为可第一可移动圆滑钢管或第二可移动圆滑钢管与固定圆滑钢管之间的距离，为h为第一可移动圆滑钢管或第二可移动圆滑钢管上两个夹具之间的距离，ε为第二光纤的应变量，Δh为路基的沉降量。

本发明的有益效果是：

1.本发明以光纤和圆滑钢管、盒式箱体等相结合，利用光纤的分布式和解调仪的高精度特点对路基进行沉降变形监测，通过光纤的双锯齿形布设，根据监测数据可分析某一区域内的路基稳定性情况，实现路基沉降变形的实时精确监测。

2.该装置及方法突出于常规的监测方法，布置结构简单易操作，监测结果更精确，应用范围更广泛，同时避免了在常规点式监测中频繁移动位置来进行标记点的沉降监测，该方法的应用可一次性监测到光纤沿线上的所有应变情况，通过相关软件处理，可得到盒式箱体相应位置处的沉降变形值。

附图说明

图1为本发明一种基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置的结构示意图；

图2为本发明中盒式箱体的结构示意图；

图3为本发明中夹具的三视图；

图4为本发明中第一光纤和第二光纤的双锯齿布设示意图。

附图标记：1-盒式箱体；2-固定圆滑钢管；31第一可移动圆滑钢管、32-第二可移动圆滑钢管；41-第一光纤、42-第二光纤；51-第一钢管孔、52-第二钢管孔；61-第一导轨、62-第二导轨；71-第一穿线孔、72-第二穿线孔、73-第三穿线孔、74-第四穿线孔；8-夹具；9-分布式光纤解调仪；10-光纤夹具；11-圆滑钢管夹具；12-钢管橡胶环；13-圆滑钢管穿孔；14-光纤橡胶环；15-光纤穿孔；16-螺丝螺帽；17-路基断面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1至图4，本实施例提供了一种基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，包括若干盒式箱体1以及设于盒式箱体1内的固定圆滑钢管2、第一可移动圆滑钢管31、第二可移动圆滑钢管32和第一光纤41、第二光纤42，盒式箱体1为双层高硬度的结构，且双层结构间充填有恒温绝热材料，盒式箱体1的顶面和底面的中心上分别开设有第一钢管孔51和第二钢管孔52，第一钢管孔51的两侧设有第一导轨61，第二钢管孔52的两侧设有第二导轨62，且第一导轨61和第二导轨62分别位于盒式箱体1的顶面和底面的中心线上，盒式箱体1的左侧开设有上下布置的第一穿线孔71和第二穿线孔72，盒式箱体1的右侧开设有上下布置的第三穿线孔73和第四穿线孔74，固定圆滑钢管2通过第一钢管孔51和第二钢管孔52与盒式箱体1贯穿连接，第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管32左右对称地设于所述固定圆滑钢管2的两侧，且第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管32的两端分别与第一导轨61和第二导轨62固定连接，在固定圆滑钢管2、第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管32的上下方均设有夹具8，第一光纤41和第二光纤42通过夹具8在盒式箱体1内呈双锯齿状布设。

在本实施例中，第一光纤41和第二光纤42的布设方式具体为：第一光纤41通过第三穿线孔73进出盒式箱体1，且通过夹具8依次与第二可移动圆滑钢管32、固定圆滑钢管2、第一可移动圆滑钢管31连接并呈V型排布，具体连接为：第一光纤41首先与第二可移动圆滑钢管32上方的夹具8连接，接着第一光纤41与固定圆滑钢管2下方的夹具8连接，最后与第一可移动圆滑钢管31上方的夹具8连接并从第一穿线孔71出来；第二光纤42通过第四穿线孔74进出盒式箱体2，且通过夹具8依次与第二可移动圆滑钢管32、固定圆滑钢管2、第一可移动圆滑钢管31连接并呈倒V型排布，具体连接为：第二光纤42首先与第二可移动圆滑钢管32下方的夹具8连接，接着第二光纤42与固定圆滑钢管2上方的夹具8连接，最后与第一可移动圆滑钢管31下方的夹具8连接并从第二穿线孔72出来。

在本实施例中，固定圆滑钢管2经第一钢管孔51和第二钢管孔52穿过盒式箱体1后埋设于稳定地层中，且埋设于稳定地层中的部分带有螺纹来增大其与地层的摩擦角以加强自锁能力，第一钢管孔51和第二钢管孔52与固定圆滑钢管2之间均无缝隙，以防止所述盒式箱体运作时有土石等落入其中，并且不影响盒式箱体1与固定圆滑钢管2之间的相对位移。夹具8包括圆滑钢管夹具11和光纤夹具10，圆滑钢管夹具11利用三对螺丝和螺帽16来夹紧穿过圆滑钢管穿孔13的固定圆滑钢管2、第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管3，且圆滑钢管穿孔13中包含有钢管橡胶环12来增加摩擦，防止夹具8发生滑移，光纤夹具10利用两对螺丝和螺帽16来夹紧穿过光纤穿孔15的第一光纤41和第二光纤42，且光纤穿孔15中包含有光纤橡胶环14来增加摩擦，防止第一光纤41和第二光纤42发生滑移。

上述基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置进行路基沉降监测的方法，包括以下实施步骤：

S1：装置布设：先将第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管32固定于盒式箱体1内的第一导轨61和第二导轨62上，并设置第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管之间的距离为2x，第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管上两个夹具8间的距离为h。

当路基填筑一定高度后，在路基断面17布置若干盒式箱体1，然后将固定圆滑钢管2穿过盒式箱体1埋设于稳定地层中，两个夹具8在盒式箱体1内以相同的距离h夹紧于固定圆滑钢管2上，此时盒式箱体内共六个夹具8且横竖对齐。

将第一光纤41和第二光纤42按照上述呈双锯齿形式穿接、固定在各个夹具8上，并利用第一光纤41和第二光纤42将各个盒式箱体1连接起来，形成一条完整的路基监测线路，最后将第一光纤41和第二光纤42的末端通过PVC管从路基断面17坡脚处牵引出来并熔接。

S2：数据监测：上述步骤S1布置好之后，利用分布式光纤解调仪9对第一光纤41和第二光纤42进行数据收集，规定光信号从盒式箱体1右侧下方的第四穿线孔74开始，依次沿着第二光纤42和第一光纤41传递感应后，从右侧的第三穿线孔73出来。

S3：沉降计算：在路基初始未发生沉降变形的情况下，固定圆滑钢管与可移动圆滑钢管间光纤的长度为：

当第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管32同盒式箱体1随路基发生沉降时，若沉降值为Δh，则：

第二光纤42的长度为：

第一光纤41的长度为：

可计算出相应的应变量为：

则l₁-l≥0，l₂-l≤0，且只有Δh＝0时，等式成立。

由l₂≤l可知，第一光纤41处于松弛状态；由l₁≥l可知，第二光纤42则一直处于紧绷状态。

同时计算可得：

因对上式只做大小比较，则可进行根号内式子的比较，即：

且当Δh＝0时，等式成立。

由上述计算可知，当盒式箱体1随路基发生沉降时，盒式箱体1内第一光纤41处于松弛状态，第二光纤42则一直处于紧绷状态，第二光纤42的应变响应高于第一光纤41的应变响应，此时分布式光纤解调仪9可监测到该点位的应变量ε，由紧绷状态的第二光纤42的应变量ε₁可反推出此时的沉降量Δh，即：

同理，若第一可移动圆滑钢管31和第二可移动圆滑钢管32同盒式箱体1随路基发生上升回弹，上升值为Δh′时，可推导出：

易知：ε₁′≤ε₂′，且当Δh′＝0时等式成立。

此时第一光纤41处于紧绷状态，第二光纤42处于松弛状态。同理由紧绷状态的第一光纤41的应变量ε₂′可反推出此时的上升量Δh′。

在本实施例中，根据上述监测所得的光纤应变值，通过Excel和MATLAB软件进行数据处理与绘图，将整个监测区域内的数据整合，可得到监测区域的路基沉降情况以及整体应变情况。

在本文中，所涉及的上、下、左、右、前、后、侧面和边缘等方位词是以附图中各个零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：包括若干盒式箱体以及设于盒式箱体内的固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管、第二可移动圆滑钢管和第一光纤、第二光纤，所述盒式箱体为双层结构，且双层结构间充填有恒温绝热材料，所述盒式箱体的顶面和底面的中心上分别开设有第一钢管孔和第二钢管孔，所述第一钢管孔两侧设有第一导轨，所述第二钢管孔两侧设有第二导轨，且所述第一导轨和第二导轨分别位于所述盒式箱体的顶面和底面中心线上，所述固定圆滑钢管通过第一钢管孔和第二钢管孔与所述盒式箱体贯穿连接，所述第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管左右对称地设于所述固定圆滑钢管的两侧，且第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管的两端分别与第一导轨和第二导轨固定连接，所述固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管的上下方均设有夹具，所述第一光纤和第二光纤通过所述夹具在所述盒式箱体内呈双锯齿状布设。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：所述盒式箱体的左侧上下方分别开设有第一穿线孔和第二穿线孔，所述盒式箱体的右侧上下方分别开设有第三穿线孔和第四穿线孔。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：所述第一光纤和第二光纤的布设方式具体为：所述第一光纤通过盒式箱体的第三穿线孔进入所述盒式箱体并从第一穿线孔出来，且通过所述夹具依次与所述第二可移动圆滑钢管、固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管连接并呈V型排布，所述第二光纤通过盒式箱体的第四穿线孔进入所述盒式箱体并从第二穿线孔出来，且通过夹具依次与所述第二可移动圆滑钢管、固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管连接并呈倒V型排布。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：所述固定圆滑钢管在所述盒式箱体外面的部分设置有螺纹结构。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：所述夹具包括圆滑钢管夹具、光纤夹具、圆滑钢管穿孔、光纤穿孔、若干螺丝和螺帽，所述圆滑钢管夹具通过所述螺丝和螺帽来夹紧穿过所述圆滑钢管穿孔的固定圆滑钢管、第一可移动圆滑钢管和第二可移动圆滑钢管，所述光纤夹具通过所述螺丝和螺帽来夹紧穿过所述光纤穿孔的第一光纤、第二光纤。

6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：所述圆滑钢管穿孔和光纤穿孔中均设有橡胶环，所述橡胶环用于增加摩擦。

7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置，其特征在于：还包括分布式光纤解调仪，所述分布式光纤解调仪与所述第一光纤和第二光纤连接，所述分布式光纤解调仪用于收集光纤数据。

8.用权利要求1所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置进行路基沉降监测的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：装置布设：在路基填筑时，在路基断面方向上布置如权利要求1所述的路基沉降监测装置，使用第一光纤和第二光纤将若干个盒式箱体连接起来，形成完整的光纤路基监测线路，然后将固定圆滑钢管穿过盒式箱体的部分埋设于稳定的地层中；

S2：数据监测：将第一光纤和第二光纤的末端从路基坡脚处牵引出并熔接，将第一光纤和第二光纤的始端分别连接分布式光纤解调仪，分布式光纤解调仪开始监测并收集第一光纤和第二光纤的数据；

S3：沉降计算：路基发生沉降时，利用分布式光纤解调仪监测出该沉降位置第二光纤的应变量，则根据公式可计算出此时的沉降量。

9.根权利要求8所述的基于分布式光纤传感监测技术的路基沉降监测装置进行路基沉降监测的方法，其特征在于：所述步骤S3中沉降量的计算公式为：

其中x为第一可移动圆滑钢管或第二可移动圆滑钢管与固定圆滑钢管之间的距离，h为第一可移动圆滑钢管或第二可移动圆滑钢管上两个夹具之间的距离，ε为第二光纤的应变量，Δh为路基沉降量。

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