CN113607076A - 一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，包括待测地连墙、钢筋笼、分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆和光纤光栅解调仪；且钢筋笼内的分布式应变感测光缆呈U字型布置，且其U字型的两端布设在监测断面的钢筋笼前后两面，所述分布式温度感测光缆布设在钢筋笼前后两面，所述分布式温度感测光缆的顶端用胶将纤芯固定，且其底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管保护，且所述分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆从待侧地连墙顶用引线连接至光纤光栅解调仪，本发明具有结构简单、温度校正精度较高、连续分布式实时、长期测量、抗电磁干扰、安全性稳定好等突出的优点。

Description

一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法

技术领域

本发明涉及一种地连墙应变监测，尤其是一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，城市的建设也在大规模的进行，由于地下空间的开发利用程度越来越大，使得基坑的开挖深度越来越深。地下连续墙作为建设深基坑工程和地下构筑物的一项新技术，在城市地下工程中越来越广泛应用。地下连续墙施工方法就是预先进行成槽开挖，形成一定长度的槽段，在槽段内放入预制好的钢筋笼，并浇筑混凝土形成墙段，各墙段相互连接构成一道完整的地下墙体。

地连墙作为基坑的围护结构，它具有刚度大、强度高、抗渗性能好等特点，施工时对周围环境影响相对较小，在各种地质条件下都可以适用。在工程应用中已被公认为是深基坑工程中最佳的挡土结构之一。在地下连续墙浇筑与基坑开挖过程中如何确保支护结构的稳定是岩土工程界十分关注的重要问题。

地下连续墙以及基坑周围土体变形是基坑开挖过程中基坑内外土体与基坑支护结构各个部分相互作用的直观反映，是支护结构及土体的内力变化和调整过程的外在表现。通常情况下，地下连续墙变形受基坑内外土压力的影响较大，在各个工况进行的情况下的土压力又会受到时空因素和基坑周围环境的制约。基坑开挖过程中在土压力的作用下，基坑围护结构体系和水平支撑体系会产生变形。

传统的地下连续墙监测方法有监测点垂直位移监测、监测点平面位移监测、地下连续墙深层侧向变形监测、地下连续墙应力监测等，传统监测方法的主要缺点是不能做到实时监测，监测结果单一，费时费人工，不能测量连续的应变值。

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收。光纤工作频带宽，动态范围大，适合于远程监测，是一种优良的低损耗传输线。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导。

FBG是纤芯中折射率呈周期性变化的一类光纤技术，当不同波长的光波穿过FBG时，FBG会反射一个波长与光纤内芯折射率相匹配的光波，剩余波长的光波都无损失地通过FBG继续向前传输，从而起到滤波作用。FBG反射的波长又被称之为布拉格(Bragg)波长，Bragg反射光的波长可通过式表示：

其中，为光栅有效折射率，为相邻光栅的间距，为Bragg反射光波长，其漂移量由光栅应变和温度决定[3]：

其中为Bragg反射光波长漂移量，为有效弹性光学系数，为轴向应变，和分别为单模光纤的热膨胀系数和热光学系数，为温度变化量。

光纤光栅的复用技术主要包括波分复用技术(wavelength divisionmultiplexing,WDM)、时分复用技术(time division multiplexing,TDM)、混合复用技术等。波分复用技术利用光栅波长调制特性，不同中心波长的光栅占据不同的频带资源，使得各个频率入射光的功率得到充分利用。但波分复用技术受到入射光谱宽的限制，复用数量只能在10个左右。时分复用技术，光纤光栅在串联情况下，不同位置光栅对同一入射光的反射时间存在差异，因此可以在同一根光纤上串联复用具有相同中心波长的多个光纤光栅。利用接收反射光的时差可以定位传感器的空间位置，反射光波长漂移反映该传感器位置的物理量变化。时分复用技术不同于波分复用技术，光源带宽不再成为传感器复用数量的限制，可大大增加同一光纤上的传感光栅数量。但由于传输的衰减，越后面的传感器接收到的入射光功率会越小，入射光功率限制了光栅传感器时分复用数量。密集分布式光纤光栅(也可称作弱反射光纤光栅)由于其窄带宽、弱反射的特点，光源带宽和入射光功率的限制大大减小，从而大幅度提高光栅传感器复用数量和传感距离，实现高精度的密集分布式传感。

在实际工程应用中，温度和应力往往同时存在，感测光缆对温度和应力同时敏感。为了准确测量待测结构体的真实应变，必须进行温度补偿，否则环境温度每改变1℃，就会产生约9με的应变误差，直接影响到应变测量结果的准确性。

中国专利202010912948.X公开了“一种基于穿孔式地连墙的长期应力检测系统和方法”，该发明提供了一种使用多个空心包体应变计长期监测地连墙应力的方法，该方法可实现对地连墙应力的长期监测，但是该方法实施成本较高，监测精度较低，操作复杂。

如何克服现有技术所存在的不足已成为当今深基坑中地下连续墙应力监测技术领域中亟待解决的重点难题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，具有结构简单、温度校正精度较高、连续分布式实时、长期测量、抗电磁干扰、安全稳定性好等突出的优点。

本发明提供了如下的技术方案：

一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置，包括待测地连墙、钢筋笼、分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆和光纤光栅解调仪；分布式应变感测光缆与分布式温度感测光缆通过扎带固定在在钢筋笼上，且钢筋笼内的分布式应变感测光缆呈U字型布置，且其U字型的两端布设在监测断面的钢筋笼前后两面，且靠近分布式应变感测光缆的两端还对应设置有两组分布式温度感测光缆，所述分布式温度感测光缆布设在钢筋笼前后两面，所述分布式温度感测光缆的顶端用胶将纤芯固定，且其底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管保护，且所述分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆从待侧地连墙顶用引线连接至光纤光栅解调仪。

优选的，所述分布式温度感测光缆外围采用高强度PBT松套管保护，所述PBT松套管内填充有高润滑性油膏，且所述PBT松套管外还设置有一圈用于阻止水分进入的阻水层。

优选的，所述分布式应变感测光缆的U字型拐弯处的弯曲半径应大于5cm，且其底部安装于钢筋笼最底部一根加强筋位置处。

优选的，所述待侧地连墙顶部设置有用于围设在分布式应变感测光缆外的不锈钢管，且所述不锈钢管外还套设有用于隔绝混凝土的PVC保护管。

优选的，所述分布式应变感测光缆的底部外穿高强PU管保护。

优选的，定点密集分布式应变感测光缆点间距为1m，用于温度补偿的非金属高强密集分布式温度感测光缆测点间距为3m，且每条测线预留足够长的光缆引至地面。

基于上述一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置的地连墙分布式应变监测与温度校正方法，包括以下步骤：

S1:在待侧地连墙钢筋笼加工过程中，将定点密集分布式应变感测光缆、非金属高强密集分布式温度感测光缆绑扎在钢筋笼设计位置上，其中分布式应变感测光缆呈U型布设在钢筋笼的两面，分布式温度感测光缆分两条，分别布设在钢筋笼的两面；

S2:待侧地连墙底分布式应变感测光缆外穿内径8mm高强PU管保护，防止混凝土浇筑或者桩身插入钻孔过程中受外力弯折破坏；分布式应变感测光缆底部U型拐弯处弯曲半径应大于5cm，底部安装位置选择钢筋笼最底部一根加强筋位置，分布式温度感测光缆顶部用胶将纤芯固定，底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管保护；

S3:待侧地连墙顶的光缆保护使用内径50mm，长度80cm+40cm型不锈钢管进行保护，不锈钢管外套300mm直径PVC保护管隔绝混凝土，不锈钢管固定位置为从钢筋笼顶部至第一道加强下20cm段，选择一根钢筋笼主筋通长挺直绑扎光缆，绑扎辅材选用30cm长尼龙扎带；

S4:将钢筋笼下放到开挖的沟槽内，浇注成型；下放过程要求施工人员全程看守，防止钢筋笼下放过程中被电焊或氧割破坏；

S5:将地连墙顶引线用PU保护管保护引至主光缆，并采用光纤光栅解调仪记录波长大小。

本发明的有益效果是：

1、本发明是一种集结构简单、成本低廉、可靠度强、使用方便为一体的地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，填补了现有技术的空白；

2、本发明采用光纤感测技术进行地连墙分布式应变监测，无需现场供电，避免了电磁干扰，电绝缘性好，使用范围广；

3、本发明相比于传统的应变测量方法，利用光纤感测技术实现了分布式、长距离、实时监测，温度补偿的精度得到了大幅提升，使得应变的测量结果更加准确。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明提出的一种地连墙分布式应变监测装置总体结构示意图。

图2是本发明提出的一种地连墙分布式应变监测装置正面示意图。

图3是本发明提出的一种地连墙分布式应变监测装置侧面示意图。

其中，1是钢筋笼，2是分布式应变感测光缆，3是分布式温度感测光缆，3-1是分布式温度感测光缆左端，3-2是分布式温度感测光缆右端，4是光纤光栅解调仪，5是尼龙扎带，6是高强PU管，7是不锈钢管，8是PVC保护管，9是定点密集分布式应变感测光缆点，10是分布式温度感测光缆测点，11是加厚PVC管，12是引线。

具体实施方式

结合图1-3，本发明提出的一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置，包括待测地连墙、钢筋笼1、分布式应变感测光缆2、分布式温度感测光缆3和光纤光栅解调仪4；定点密集分布式应变感测光缆2、非金属高强密集分布式温度感测光缆3用尼龙扎带5固定在在钢筋笼1上，下放到地连墙开挖的沟槽内，用混凝土浇注成型。

且钢筋笼1内的分布式应变感测光缆2呈U字型布置，且其U字型的两端布设在监测断面的钢筋笼前后两面，参见图中分布式温度感测光缆左端3-1和分布式温度感测光缆右端3-2，且靠近分布式应变感测光缆的两端还对应设置有两组分布式温度感测光缆3，分布式温度感测光缆布设在钢筋笼1前后两面，分布式温度感测光缆2的顶端用胶将纤芯固定，且其底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管11保护，且所述分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆从待侧地连墙顶用引线12连接至光纤光栅解调仪4。

其中，分布式应变感测光缆2对温度和应变同时敏感，且采用的定点密集分布式应变感测光缆为内定点设计，实现空间非连续非均匀应变分段，具有良好的机械性能和抗拉压性能，能与岩土体、混凝土等结构很好耦合；非金属高强密集分布式温度感测光缆3对应变不敏感，仅对温度敏感；其采用的非金属加筋丝，可增加整根光缆的抗拉强度，分布式温度感测光缆外围采用高强度PBT松套管保护，PBT松套管内填充高润滑性油膏，PBT松套管外部设计一圈阻水层，用于阻止水分进入；从待侧地连墙顶用引线12将分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆连接至光纤光栅解调仪4，即可实时监测地连墙应变；

定点密集分布式应变感测光缆点9间距为1m，用于温度补偿的非金属高强密集分布式温度感测光缆测点10间距为3m，且每条测线预留足够长的光缆引至地面。

在本实施例中，基于上述，本发明提出的一种地连墙分布式应变监测与温度校正方法，包括如下基本步骤：

S1:在待侧地连墙钢筋笼加工过程中，将定点密集分布式应变感测光缆、非金属高强密集分布式温度感测光缆绑扎在钢筋笼设计位置上，其中分布式应变感测光缆呈U型布设在钢筋笼的两面，分布式温度感测光缆分两条，分别布设在钢筋笼的两面；

S2:待侧地连墙底分布式应变感测光缆外穿内径8mm高强PU管6保护，防止混凝土浇筑或者桩身插入钻孔过程中受外力弯折破坏；分布式应变感测光缆底部U型拐弯处弯曲半径应大于5cm，底部安装位置选择钢筋笼最底部一根加强筋位置，分布式温度感测光缆顶部用胶将纤芯固定，底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管保护；

S3:待侧地连墙顶的光缆保护使用内径50mm，长度80cm+40cm型不锈钢管7进行保护，不锈钢管7外套300mm直径PVC保护管8隔绝混凝土，不锈钢管固定位置为从钢筋笼顶部至第一道加强下20cm段，选择一根钢筋笼主筋通长挺直绑扎光缆，绑扎辅材选用30cm长尼龙扎带；

S4:将钢筋笼下放到开挖的沟槽内，浇注成型；下放过程要求施工人员全程看守，防止钢筋笼下放过程中被电焊或氧割破坏；

S5:将地连墙顶引线用PU保护管保护引至主光缆，并采用光纤光栅解调仪记录波长大小。

本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

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，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。

Claims (7)

1.一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，其特征在于，包括待测地连墙、钢筋笼、分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆和光纤光栅解调仪；分布式应变感测光缆与分布式温度感测光缆通过扎带固定在在钢筋笼上，且钢筋笼内的分布式应变感测光缆呈U字型布置，且其U字型的两端布设在监测断面的钢筋笼前后两面，且靠近分布式应变感测光缆的两端还对应设置有两组分布式温度感测光缆，所述分布式温度感测光缆布设在钢筋笼前后两面，所述分布式温度感测光缆的顶端用胶将纤芯固定，且其底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管保护，且所述分布式应变感测光缆、分布式温度感测光缆从待侧地连墙顶用引线连接至光纤光栅解调仪。

2.根据权利要求1所述的一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，其特征在于，所述分布式温度感测光缆外围采用高强度PBT松套管保护，所述PBT松套管内填充有高润滑性油膏，且所述PBT松套管外还设置有一圈用于阻止水分进入的阻水层。

3.根据权利要求2所述的一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，其特征在于，所述分布式应变感测光缆的U字型拐弯处的弯曲半径应大于5cm，且其底部安装于钢筋笼最底部一根加强筋位置处。

4.根据权利要求1所述的一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，其特征在于，所述待侧地连墙顶部设置有用于围设在分布式应变感测光缆外的不锈钢管，且所述不锈钢管外还套设有用于隔绝混凝土的PVC保护管。

5.根据权利要求1所述的一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，其特征在于，所述分布式应变感测光缆的底部外穿高强PU管保护。

6.根据权利要求1所述的一种地连墙分布式应变监测与温度校正装置及方法，其特征在于，定点密集分布式应变感测光缆点间距为1m，用于温度补偿的非金属高强密集分布式温度感测光缆测点间距为3m，且每条测线预留足够长的光缆引至地面。

7.一种地连墙分布式应变监测与温度校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:在待侧地连墙钢筋笼加工过程中，将定点密集分布式应变感测光缆、非金属高强密集分布式温度感测光缆绑扎在钢筋笼设计位置上，其中分布式应变感测光缆呈U型布设在钢筋笼的两面，分布式温度感测光缆分两条，分别布设在钢筋笼的两面；

S2:待侧地连墙底分布式应变感测光缆外穿内径8mm高强PU管保护，防止混凝土浇筑或者桩身插入钻孔过程中受外力弯折破坏；分布式应变感测光缆底部U型拐弯处弯曲半径应大于5cm，底部安装位置选择钢筋笼最底部一根加强筋位置，分布式温度感测光缆顶部用胶将纤芯固定，底部预留冗余纤芯，并用加厚PVC管保护；

S3:待侧地连墙顶的光缆保护使用内径50mm，长度80cm+40cm型不锈钢管进行保护，不锈钢管外套300mm直径PVC保护管隔绝混凝土，不锈钢管固定位置为从钢筋笼顶部至第一道加强下20cm段，选择一根钢筋笼主筋通长挺直绑扎光缆，绑扎辅材选用30cm长尼龙扎带；

S4:将钢筋笼下放到开挖的沟槽内，浇注成型；下放过程要求施工人员全程看守，防止钢筋笼下放过程中被电焊或氧割破坏；

S5:将地连墙顶引线用PU保护管保护引至主光缆，并采用光纤光栅解调仪记录波长大小。

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