CN117739826A - 一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，包括：S1，建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；S2，基于多项式位移函数和矩阵方程监测岩土体水平位移；S1包括：基于等截面悬臂梁模型构造多项式位移函数；根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程；采用Moore‑Penrose广义逆法确定多项式位移函数中的待定系数；S2包括：通过光纤干涉式测斜管获取的各测点应变值；基于各测点应变值得到位移函数各待定系数的最佳最小二乘解获得岩土体横向水平位移随高度的变化曲线；监测岩土体水平位移。还公开对应系统，电子设备以及计算机可读存储介质，获得更为精确的光纤干涉式岩土体水平位移监测结果。

Description

一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法及系统

技术领域

本发明涉及岩土体的安全监测技术领域，特别涉及一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法及系统。

背景技术

滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝和地面沉降等是我国年发生次数最多、造成危害最严重的地质灾害，给国民生命安全和社会经济发展带来了巨大损失。特别在我国西南山区中滑坡更是十分常见的地质灾害，呈现点多面广的特点，而且出现时伴随而来的泥石流等次生灾害也是危害巨大。通过目前常用的人工地质调查和仪器设备监测可以减少或者避免很多潜在的灾害损失。然而现有技术的方式存在如下技术缺陷：

(1)对孕灾地质环境的调查远远不够，着重对易滑结构、成灾模式、预警模型的探索研究尚不能满足防灾需求；

(2)没有精准的智能化系列实时监测预警手段和配套的仪器及动态信息平台，因此无法达到整体监测系统的运行可靠、研制简便、精度适当、经济实用、易于操作和推广普及等特点。

(3)此外，对于铁路基础设施所对应的岩土体，高效的监测和评估是及时发现病害，指导维修整治从而使得铁路基础设施保持良好服役状态的关键前提。但是由于高原高寒地区的岩土体相关病害和风险的成因、特征以及发展特性的复杂性，特别是发生冻胀融沉的现象，冻融过程中岩土体演化规律复杂，容易出现姿态倾斜失稳，缺乏该环境下结构状态的深刻认识，现有的监测和评估技术存在盲目性，无对应的关键监测设备和手段，传统的接触式监测技术已经难以满足特殊天气，特殊环境在和以及特殊地域的岩土体承重构件动力特性的要求。

(4)目前规范对岩土体稳定性判定主要利用深层水平位移控制，测斜仪为岩土体深层水平位移传统监测工具。该仪器是一种用来测定钻孔倾角及方位角的原位量测设备，通过对所测倾角进行换算就可以计算出岩土体内部不同深度位置处的位移变化值。然而该类测斜仪存在较大的不足：如使用寿命短；偶然误差较大；数据采集器会出现漂移误差，测斜仪导轮容易磨损，测斜管堵塞导致数据无法读取等。

(5)传统的岩土体稳定性监测仪器有坡面伸缩仪、钻孔挠度计、固定式倾斜仪及地标多点位移计等，但往往受限于实际工程监测时间长，工作量大，高精度变形信息难以获取。

(6)光纤光栅传感技术具有测量精度高、传输距离长、抗干扰性强及自动采集数据等优势，为弥补测斜管的不足提供良好的技术手段，将测斜管与光纤光栅传感器结合制成光纤干涉式测斜仪，但停留在将光纤传感技术与测斜管进行形式上的结合，并未实现数据交互，岩土体稳定性仍采用测斜仪所测数据进行判定，未充分发挥光纤传感技术的优势。此外，在光纤光栅原位测斜仪基础上，利用差分算法，建立光纤光栅应变数据与岩土体变形之间的函数关系，实现了应变到位移的转化，充分发挥光纤传感技术的优势。基于监测结果能较好判别岩土体稳定性，但结构单元划分不足时，仍将产生较大的监测误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法及系统，利用等截面悬臂梁模型和共轭梁法理论，建立了光纤光栅测斜传感器测点应变与岩土体深层水平位移关系对应的位移函数，实现转换，从而获得更为精确的光纤干涉式岩土体水平位移监测结果。

本发明的第一方面在于提供一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，包括：

S1，建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中所述位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；

S2，基于所述多项式位移函数和所述矩阵方程监测岩土体水平位移。

优选的，所述S1包括：

S11，基于等截面悬臂梁模型构造多项式位移函数；

S12，根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程；

S13，采用Moore-Penrose广义逆法确定所述多项式位移函数中的待定系数；

优选的，所述S11具体实施步骤包括：

(1)建立坐标系，根据材料力学基本原理，获得测斜管悬臂梁的挠曲线微分方程；

(2)建立悬臂梁截面上任一点的弯曲应变的表示；

(3)基于第(1)和第(2)得到指定截面挠度值得微分表示；

(4)将同一截面的实测应变ε1和ε2做差值Δε(x)，完成温度自补偿及多余应变的剔除；构造位移函数进行函数表达，再利用最小二乘优化法对待定参数进行求解，最后获得全梁的位移曲线。

优选的，所述S12包括：基于对位移函数求二阶导数，以及通过实时获取的各测点应变数据，构成位移函数的若干离散函数值，从而根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程。

优选的，所述S13包括：

通过将矩阵方程简写为AX＝b＝后，利用求Moore-Penrose广义逆的方法获得各待定系数的最佳最小二乘解，基于奇异值分解SVD方法进行处理，对系数矩阵A进行SVD分解，其中基于系数矩阵A的对角线由正奇异值所构成的对角矩阵、酉矩阵和共轭转置运算，由此获得系数矩阵A的M-P广义逆表达后确定各待定系数的最佳值。

优选的，所述S2包括：

S21，通过光纤干涉式测斜管获取的各测点应变值；

S22，基于所述各测点应变值得到位移函数各待定系数的最佳最小二乘解，从而获得光纤干涉式测斜管所在处岩土体横向水平位移随高度的变化曲线；

S23，基于所述变化曲线监测岩土体水平位移。

优选的，所述S22包括：基于将各待定系数的最佳最小二乘解带回位移函数获得挠度函数，从而获得光纤干涉式测斜管所在处岩土体横向水平位移随高度的变化曲线。

本发明的第二方面在于提供一种光纤干涉式岩土体水平位移监测系统，包括：

位移函数建立模块(101)，用于建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中所述位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；

水平位移监测模块(102)，用于基于所述多项式位移函数和所述矩阵方程监测岩土体水平位移。

本发明的第三方面提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如第一方面所述的方法。

本发明的第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如第一方面所述的方法。

本发明的方法、系统、电子设备以及可读存储介质的有益效果：

(1)通过等比例有限元数值模拟及室内缩尺模型试验，验证了该位移转换方法的准确性。

(2)将该位移转换方法应用于多种岩土体的稳定性实时监测，监测系统反馈的岩土体位移符合实际状况，进一步验证了该转换方法的准确性和有效性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或相关技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤干涉式岩土体水平位移监测方法流程图；

图2为本发明实施例提供的光纤干涉式岩土体水平位移监测系统结构原理图；

图3为本发明实施例提供的电子设备结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

随着光纤传感技术的出现，传感器朝灵敏性强、适应性强、稳定性高发展，且特别适于恶劣环境中的应用。通过在岩土体软弱面布设拉线式光纤光栅位移传感器，观测岩土体顶部、中部及底部各实验点的位移，位移监测结果与测斜仪所测结果基本一致；在土质岩土体的抗拔土钉上布置光纤光栅传感器，监测土钉应变分布、岩土体表面位移和土体内部应变，认为光纤光栅传感器网络可有效、精确地监测岩土体稳定性。

岩土体的实时位移变化特征是直观表征岩土体是否发生失稳的重要判据，将光纤光栅传感器测点的应变值转换成位移是整个监测系统中最重要的步骤之一。通常，利用分布式传感器监测桩的位移，采用的是直接积分法，但在确定积分常数时会遇到困难，且操作较复杂，精度也难以保证；新型原位测斜仪及其分析方法，通过梁的弯曲理论公式和差分算法，由测点应变得到原位测斜仪各点的位移，取得了较好的效果。但差分转换法需要进行二阶差分，一定程度上会影响转换精度，且要达到解决应变－位移转化的基本精度，测点必须足够密集，会影响到测斜管制作的工艺复杂性及经济性(测点越多，除增加传感器本身费用外，关键是会增加非常昂贵的光纤光栅解调设备)。

如图1所示，本实施例提供一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，包括：

S1，建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中所述位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；

S2，基于所述多项式位移函数和所述矩阵方程监测岩土体水平位移。

作为优选的实施方式，所述S1包括：

S11，基于等截面悬臂梁模型构造多项式位移函数；

其中，光纤干涉式测斜管是将光纤光栅应变传感器经熔接串联后黏贴于柔性管体侧壁，通过测量管体的应变，再将应变转换成位移来监测岩土体内部变形的装置，属于依托岩土体实时监测的测斜装置。

其中，之所以能够基于等截面悬臂梁模型构造多项式位移函数是由于将光纤干涉式测斜管视为均质、连续的等截面悬臂梁，底端固支。光纤干涉式测斜管安装时外管周围有少量混凝土凝固，测斜管悬臂梁与土体间可视为无相对滑动，光纤干涉式测斜管的微小挠度即为相应位置土体的横向水平位移。

更优选的，由于光纤干涉式测斜仪底部需置于深度方向水平位移为零的硬土层中至少50cm或基岩上，故可将光纤干涉式测斜仪模拟为底部固定，上部自由的悬臂梁。同时水泥砂浆对光纤干涉式测斜仪外部存在包裹作用，当土体发生变形，光纤干涉式测斜仪轴线仍为一条平滑连续曲线，且光纤干涉式测斜仪顶部位移变化远远小于光纤干涉式测斜仪总长，故可将光栅测斜仪等效为小变形欧拉梁。建立光栅测斜仪曲率-弯矩物理关系：κ＝1ρ＝MEI(1)式中，κ为光栅测斜仪曲率；M为弯矩；E为光栅测斜仪的弹性模量；I为光纤干涉式测斜仪的惯性矩。由材料力学理论建立光栅测斜仪弯矩-应变关系；将曲率-弯矩物理关系和弯矩-应变关系整理得到光栅测斜仪曲率分布与应变分布函数关系；将光纤干涉式测斜仪水平绘制，设光纤干涉式测斜仪全长为L，光纤干涉式测斜仪截面抗弯刚度为EI，沿长度方向自左向右将梁等分为n个单元，则单元长度l＝L/n。在n个单元内布置n个光纤光栅传感器。由实梁与共轭梁支承对应关系可知，悬臂梁固定端支承约束对应的共轭梁为自由端约束，悬臂梁自由端约束对应为共轭梁固定端约束。根据共轭梁法原理，把实梁的曲率分布M/E I当作荷载集度施加在实梁所对应的共轭梁上，实梁的位移分布在数值上即为共轭梁的弯矩分布。将光纤干涉式测斜仪进行单元化。

本实施例中，S11具体实施步骤包括：

(1)建立坐标系，根据材料力学基本原理，获得测斜管悬臂梁的挠曲线微分方程；

(2)建立悬臂梁截面上任一点的弯曲应变的表示；

(3)基于第(1)和第(2)得到指定截面挠度值得微分表示；

(4)在实际测量中，每一个应变传感器所获取的应变中，都会混入传感器自身或者测斜管带有的温度应变及轴向拉压应变，由于测斜管圆环形截面上应变测点呈180°对称布置，对应测点离中性轴距离均相等，且都等于半径，因此将同一截面的实测应变ε1和ε2做差值，即可完成温度自补偿及多余应变的剔除；

理论上，基于获得Δε(x)的连续表达式，通过积分便能求取位移曲线y(x)。而实际测斜管根据所布测点的不同，只能获取若干点的应变值。由于应变沿梁长方向可能存在突变，通过少量的应变测点并不能很好地获取应变沿梁长的分布函数。考虑到位移曲线不会存在突变，因此首先构造位移曲线，再利用最小二乘优化法对待定参数进行求解，最后获得全梁的位移曲线。

构造位移函数进行函数表达。

S12，根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程；

本实施例中，基于对位移函数求二阶导数，以及通过实时获取的各测点应变数据，构成此函数的若干离散函数值，从而根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程。

S13，采用Moore-Penrose广义逆法确定所述多项式位移函数中的待定系数；

本实施例中，通过将矩阵方程简写为AX＝b＝后，在构造挠度函数时多项式次数往往较低，即n＜i，这既是考虑到测斜管具体应用时不会出现有多个拐点的位移场，从而简化计算，也是为了避免当多项式次数较高时，系数矩阵条件数cond(A)较大，方程显病态，使结果震荡，出现严重偏离实际的值。因此，系数矩阵A不是方阵，根据矩阵理论，可以利用求Moore-Penrose广义逆的方法获得各待定系数的最佳最小二乘解。使用比较简便的奇异值分解SVD方法进行处理，对系数矩阵进行SVD分解，其中利用了对角线由A正奇异值所构成的对角矩阵；酉矩阵；共轭转置运算。由此得系数矩阵A的M-P广义逆表达后，可确定各待定系数的最佳值。

作为优选的实施方式，所述S2包括：

S21，通过光纤干涉式测斜管获取的各测点应变值；

S22，基于所述各测点应变值得到位移函数各待定系数的最佳最小二乘解，从而方便、准确地获得光纤干涉式测斜管所在处岩土体横向水平位移随高度的变化曲线；

S23，基于所述变化曲线监测岩土体水平位移。

本实施例中，将各待定系数带回位移函数即可获得挠度函数。由于构成系数矩阵A的参数仅仅是所选拟合函数的阶数n和各应变测点的位置i，因此，在测斜管出厂时即可完成矩阵A的构建，通过一次计算获取M-P广义逆A+，即可实时完成应变－位移转化，给出连续、直观的位移场，使用非常简单方便。

如图2所示，本实施例还提供一种光纤干涉式岩土体水平位移监测系统，包括：

位移函数建立模块101，用于建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中所述位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；

水平位移监测模块102，用于基于所述多项式位移函数和所述矩阵方程监测岩土体水平位移

本发明还提供了一种存储器，存储有多条指令，指令用于实现如实施例一的方法。

如图3所示，本发明还提供了一种电子设备，包括处理器301和与处理器301连接的存储器302，存储器302存储有多条指令，指令可被处理器加载并执行，以使处理器能够执行如实施例一的方法。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，包括：

S1，建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中所述位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；

S2，基于所述多项式位移函数和所述矩阵方程监测岩土体水平位移。

2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，所述S1包括：

S11，基于等截面悬臂梁模型构造多项式位移函数；

S12，根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程；

S13，采用Moore-Penrose广义逆法确定所述多项式位移函数中的待定系数。

3.根据权利要求2所述的一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，所述S11具体实施步骤包括：

(1)建立坐标系，根据材料力学基本原理，获得测斜管悬臂梁的挠曲线微分方程；

(2)建立悬臂梁截面上任一点的弯曲应变的表示；

(3)基于第(1)和第(2)得到指定截面挠度值得微分表示；

(4)将同一截面的实测应变ε1和ε2做差值Δε(x)，完成温度自补偿及多余应变的剔除；构造位移函数进行函数表达，再利用最小二乘优化法对待定参数进行求解，最后获得全梁的位移曲线。

4.根据权利要求3所述的一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，所述S12包括：基于对位移函数求二阶导数，以及通过实时获取的各测点应变数据，构成位移函数的若干离散函数值，从而根据光纤干涉式测斜管的位移和应变的关系建立矩阵方程。

5.根据权利要求4所述的一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，所述S13包括：

通过将矩阵方程简写为AX＝b＝后，利用求Moore-Penrose广义逆的方法获得各待定系数的最佳最小二乘解，基于奇异值分解SVD方法进行处理，对系数矩阵A进行SVD分解，其中基于系数矩阵A的对角线由正奇异值所构成的对角矩阵、酉矩阵和共轭转置运算，由此获得系数矩阵A的M-P广义逆表达后确定各待定系数的最佳值。

6.根据权利要求5所述的一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，所述S2包括：

S21，通过光纤干涉式测斜管获取的各测点应变值；

S22，基于所述各测点应变值得到位移函数各待定系数的最佳最小二乘解，从而获得光纤干涉式测斜管所在处岩土体横向水平位移随高度的变化曲线；

S23，基于所述变化曲线监测岩土体水平位移。

7.根据权利要求6所述的一种光纤干涉式岩土体水平位移监测方法，其特征在于，所述S22包括：基于将各待定系数的最佳最小二乘解带回位移函数获得挠度函数，从而获得光纤干涉式测斜管所在处岩土体横向水平位移随高度的变化曲线。

8.一种光纤干涉式岩土体水平位移监测系统，用于实施权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，包括：

位移函数建立模块(101)，用于建立用于进行岩土体水平位移监测的位移函数；其中所述位移函数包括多项式位移函数和矩阵方程；

水平位移监测模块(102)，用于基于所述多项式位移函数和所述矩阵方程监测岩土体水平位移。

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有多条指令，所述处理器用于读取所述指令并执行如权利要求1-7任一所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有多条指令，所述多条指令可被处理器读取并执行如权利要求1-7任一所述的方法_。