CN203320507U - 一种复合土工结构及应用其的工程监测系统 - Google Patents

Abstract

一种复合土工结构及应用其的工程监测系统，其特征在于包括土工格栅本体，土工格栅本体上附有至少一条光导纤维，光导纤维位于土工格栅本体外的一端为信号连接端。复合土工结构工程监测系统包括前述的复合土工结构，与复合土工结构中的光导纤维连接有光栅扫描仪，与光栅扫描仪连接有电脑。及时处理及修复，避免事故的发生。

Description

一种复合土工结构及应用其的工程监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种土工结构，主要用于岩土工程中的加筋或加固材料，并能实现检测土壤内的受力环境变化，提前预知工程质量的可靠性能，具体为一种复合土工结构及应用其的工程监测系统。 

背景技术

目前国内用于岩土工程建设的土体加筋或加固材料（统称为土工合成材料）品种繁多，其使用性能特点，适应环境各有差异。如：单向拉伸塑料土工格栅、多向拉伸塑料土工格栅、三向拉伸塑料土工格栅、多向拉伸塑料土工格栅、钢塑复合土工格栅、玻璃纤维经编格栅、聚酯纤维经编格栅、超高分子量聚乙烯纤维经编格栅、碳纤维编织网格布等。 

    上述现有产品普遍存在的技术性能及功能缺陷如下： 

1.     塑料拉伸类格栅易受塑料原材料的物理、化学性质所影响使其强度降低，断裂伸长率高≥10%;抗蠕变性能差，热稳定性能差，易造成工程裂缝及断裂，导致工程失败，造成损失。

2.     钢塑复合土工格栅所用的加筋材料是碳素弹簧钢丝（GB4357-89），虽然强度大，但易受到酸、碱、盐等恶劣环境的腐蚀，特别对于深海作业、堤岸加固，因长期受海水冲蚀而造成强度低，耐腐蚀性能差，缩短了使用寿命，因此，不能完全满足永久性工程建设需求。 

3.     纤维类经编格栅，具有较好的抗蠕变性能，能够抵抗各类物理磨损和化学腐蚀，还能抵御生物侵蚀和恶劣环境变化，保证其性能不受影响，当前此产品应用范围更加广阔，由原来的公路、铁路、堤坝、机场土工结构，推广为航空航天、军事领域。 

综上所述，随着国家对新材料产业的大力支持，研究和开发新型功能材料、先进结构材料和复合材料迫在眉睫，路面的突然塌陷、开裂事故，给人类的交通出行安全造成了严重威胁，人身伤亡事故频繁发生，给国家财产造成巨大损失。 

发明内容

本实用新型针对以上问题，提供一种复合土工结构及应用其的工程监测系统，本实用新型将光导纤维植入到基体材料中，通过测量光导纤维的参数变化检测土壤内的环境变化，来分析判断该工程质量是否达到安全目标，并能根据需求设定分析与警示系统，实现全程实时监控，从而避免重大事故的发生，减少伤亡事故。 

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术手段： 

一种复合土工结构，包括土工格栅本体，土工格栅本体上附有至少一条光导纤维，光导纤维位于土工格栅本体外的一端为信号连接端。

进一步的，所述的光导纤维并列设有多条且粘附在土工格栅本体上。 

进一步的，所述光导纤维与各条棒不共线或所述的光导纤维沿土工格栅本体的至少一方向的条棒延伸方向进行延伸。 

进一步的，所述光导纤维贴覆在条棒表面。 

进一步的，所述条棒为基体材料纤维束，光导纤维包裹在纤维表面或者内部。 

进一步的，所述光导纤维延伸方向与土工格栅本体的卷长方向平行。 

进一步的，复合土工结构包括有至少两个不同方向的基体材料纤维束，纤维束在交点形成交汇点。 

进一步的，所述的纤维束在交汇点搭接。 

进一步的，复合土工结构包括横向和纵向延伸的基体材料的纤维束，横向和纵向基体材料交织形成交汇点。 

进一步的，复合土工结构包括三个不同方向延伸并相互交汇的基体材料纤维束：沿卷长方向延伸的横向基材材料纤维束，以及位于横向基材材料纤维束两侧与之斜交的两斜向基材材料纤维束，横向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束在交点交织成交汇点。 

进一步的，所述的每个交汇点都经过有横向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束。 

进一步的，复合土工结构包括四个不同方向延伸并相互交汇的基体材料纤维束：横纵向基体材料纤维束，以及与横纵向基材材料纤维束两侧并与之斜交的两斜向基材材料纤维束，横纵向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束在交点交织成交汇点。 

进一步的，横、纵向基体材料纤维束交织成矩形单元格，两斜向基体材料纤维束分别经过矩形单元格的对角线。 

进一步的，所述的交汇点捆绑有连接线。 

进一步的，至少交汇点涂覆有胶层。 

进一步的，以横向基材材料纤维束为基础，两组斜向基材材料纤维束中：一组与横向夹角成60°±20°，另一组与横向夹角成120°±20°。 

进一步的，以横向基材材料纤维束为基础，两组斜向基材材料纤维束中，一组基材材料纤维束与横向成，一组与横向夹角成45°±20°，对应另一组与横向成135°±20°。 

进一步的，所述的基体材料为：玻璃纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚乙烯醇纤维的至少一种。 

一种复合土工结构工程监测系统，包括权利上述的复合土工结构，与复合土工结构中的光导纤维连接有光栅扫描仪，与光栅扫描仪连接有带有分析数据程序和软件的电脑。 

术语：本实用新型中的条棒可以为整根的塑料拉伸后形成的条棒，也可以是多种基体材料组成的纤维束条棒。此条棒不仅局限于传统意义上的棒状的结构，还可以包括扁平的条状、带状，只要是土工格栅的组成条带即可。 

土工格栅的成品为卷状，类似于卷状的卫生纸，所述的卷长方向是指使用时沿着其拉伸打开的方向，也就是土工格栅的长度方向。 

所述的搭接是指：同一方向上的纤维束形成一个平面或者比较粗大的纤维束，而搭接是指不同方向上的纤维束与纤维束之间不是交错编制，而是面与面的贴合。 

本实用新型创造中的纤维束在交点交织，可以为纤维束相互之间交错交织，也可以各自位于一个平面内，也可以为上述两种交织的结合体。 

本实用新型的工作原理及工作过程如下： 

本实用新型在基体材料纤维束中添加了光导纤维形成具有高智能型的复合土工结构，复合土工结构铺设在路基中，是岩土工程加筋增强的不可缺少的加固材料，路面在长期载重汽车的碾压和自然灾害的影响下，造成路基突发性塌陷，这时复合土工结构中的光导纤维与高强度电缆相连接，通过光栅扫描仪收集到各种光学性参数，如波长范围、波长间距，因为光导纤维与敏感元件组合或利用本身的特性，可以做出各种传感器，测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在通过分析数据程序软件与电脑处理后，得到一个塌陷部位的警示曲线。从而及时处理及修复，避免事故的发生。

本复合土工结构可以需要需要做成两向或者多向土工合成材料，满足不同环境的具体要求。 

路基中的复合土工结构中的光导纤维与高强度电缆相连接，经过光栅扫描仪的信号采集处理，采用适合的无线波段频率通过发射塔发射出去；再通过接收塔把无线信号接收到具有固定的监控场所或流动的工作场所，从而更方便、及时、快捷的监测到工程的质量及环境的变化吧，及时采取必要措施，避免重大事故的发生。 

复合土工结构及利用其的工程监测系统就彻底解决了上述土工结构的功能缺陷，对工程质量的可靠性，做到了提前预知，避免造成重大事故的发生。 

复合土工结构及利用其的工程监测系统的实用新型创造与现有技术相比具有以下优点： 

1.     目前所用的土工合成材料还没有此功能及其检测系统。

2.     此材料及监测系统能及时提供工程内在的环境变化，预防事故的发生。 

3.     预防避免人类的生命受到威胁，有可靠的安全保障。 

4.     国家财产免受损失。促进了国民经济的和谐健康发展，使国家的基础建设更加造福于全人类。 

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，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：双轴向全幅衬经、衬纬混合纤维复合土工结构；

图2：多轴向——三向全幅衬经、衬纬混合纤维复合土工结构；

图3：多轴向——四向全幅衬经、衬纬混合纤维复合土工结构；

图4：复合土工结构监测系统工作原理图；

图5：复合土工结构的应用及全时无线传输实时监控系统原理图。

具体实施方式

下述未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。 

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。 

一种复合土工结构，本实用新型的最简单的实现形式可在现有的土工格栅材料上附着光导纤维，最基本的，光导纤维可以粘附在土工格栅材料上，当然也可以通过胶层粘附以及捆扎的工艺实现。 

以上的基本实现方式，光导纤维根据需要进行设置，比如将光导纤维并列间隔一定距离设置，光导纤维可以沿着土工格栅的条棒方向进行延伸，也可以根据需要任意选择延伸的方向以及角度，只要牢固粘附在土工格栅材料上、满足具体检测需求即可。 

本复合土工结构还有以下方式：包括交织的基体材料的纤维束，本基体材料纤维包括：玻璃纤维、聚酯（PET）纤维、芳纶纤维、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、聚乙烯醇纤维等及产业用布纤维，统称混合纤维；本基体材料纤维可以为以上纤维的至少一种，也可以是多种纤维的混合体。 

因采用的基体材料纤维束是多根单丝组成一束状的，所以可把光导纤维包裹在基体材料纤维束里面，也可以直接混合在基体材料纤维束表面，从而制作成为有光学纤维的混合纤维材料。 

根据工程设计强度需求，混合纤维的线密度可制成每束1000D~40000D，每束混合纤维至少含有一根光导纤维或多根光导纤维。 

根据编制方法以及环境需要，本复合土工结构可以编制成为双轴向或者多轴向。 

所谓的双轴向是指：包括横向（径向）和纵向（维向）延伸的基体材料的纤维束，横向和纵向基体材料交织形成交汇点。 

双轴向编织法如下： 

双轴向全幅衬经、衬纬经编机需要衬经混合纤维纱线，衬纬混合纤维纱线和连接捆绑纱线三个系统的纱线。衬经混合纤维纱线须放置在纱架上，经导向系统使张力控制器引出，采用消极式送经，送经量由经纱张力控制，使之在网格中纵向伸直排列，衬纬混合纤维纱线放置于双轴向经编机的右侧或左侧的纬纱架上，通过衬纬小车引导牵拉着，在运动中将衬纬混合纤维纱线横向伸直地排列在网格中。

连接捆绑纱线须经分段整经于经轴盘头内，以分段经轴的形式安装在双轴向经编机的工作台前端。采用定长积极式送经机械，盘头上装有自动测长装置，可以自动调节送纱长度，并使送经长度不随盘头直径变化的影响，从而进行平稳而均匀的送纱。衬经混合纤维纱线、衬纬混合纤维纱线和连接捆绑纱线三个系统的纱线被全部引入双轴向经编机的成圈区域，成圈结构的运动使连接纱线成圈，把衬经混合纤维纱线和衬纬混合纤维纱线两个纱组的交叉点捆绑在一起，从而编织成双轴向经编矩形网格。 

在双轴向经编网格中，衬经和衬纬可以各自平直排列、相互垂直、相互无交织，可以较细的连接纱线将衬经混合纤维纱线和衬纬混合纤维纱线的交叉点捆绑结合以形成牢固的结点，如图1所示。 

多轴向可以根据需要具体制定，本实施例近列举了三轴向和四轴向方式。 

三轴向方式： 

包括三个不同方向延伸并相互交汇的基体材料纤维束：沿卷长方向延伸的横向基材材料纤维束，以及位于横向基材材料纤维束两侧与之斜交的两斜向基材材料纤维束，横向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束在交点交织成交汇点。

所述的每个交汇点都经过有横向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束，即三个相邻的纤维束形成一个三角形，如图2所示，三角形首尾交错阵列。 

三个纤维束形成的角度中，以横向基材材料纤维束为基础，两组斜向基材材料纤维束中：一组与横向夹角成60°±20°，优选60°，另一组与横向夹角成120°±20°，优选60°，以保证整体的拉伸强度和受力的均匀合理性。 

四轴向方式： 

包括四个不同方向延伸并相互交汇的基体材料纤维束：横纵向基体材料纤维束，以及与横纵向基材材料纤维束两侧并与之斜交的两斜向基材材料纤维束，横纵向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束在交点交织成交汇点。

进一步的，横、纵向基体材料纤维束交织成矩形单元格，两斜向基体材料纤维束分别经过矩形单元格的对角线，如图3所示。 

纤维束形成的角度中，以横向基材材料纤维束为基础，两组斜向基材材料纤维束中：一组基材材料纤维束与横向成成，对应另一组与横向成180-（45°±20°），即形成135°±20°的角度，其中矩形单元格优选正方形，对应优选角度为45°和135°。 

上述的纤维束可以涂覆有胶层，其中的交汇点可单独涂覆有胶层，也可捆绑有连接线，也可为两者的混合连接。 

当复合土工结构的外层涂覆胶层时，其涂敷方法如下： 

   将编制成为有一定幅宽（1m~6m）且长度成卷（20m~200m）的网格布，置入上布放卷装置，进入前储布机构，网格布进入盛有涂层液的胶槽中，经过胶槽底部旋转导辊底面牵引出来，完成自动涂敷后，再经过两个挤胶辊的滚压使涂胶层更加均匀一致；然后进入立式烘干窑，在立窑内上、下循环两次后初步完成定形，立窑腔内设定温度不得超过90℃。

    将初步定形的网格布连续进入水平拉幅热定型干燥机，它是由拉幅车头部件、轨道部件、布夹和链条、电动调幅部件、车尾部件、传动部件、自动导热油介质换热器调温烘箱、液压站及油缸、前后经向张力控制、后储布架、计米器、收卷机、控制柜组成。水平拉幅定型干燥机其机理是对产品进行整纬拉幅，其作用是：把横（纬）向、纵（经）向混合纤维纱线“S”形弯曲拉直。并且能把缩幅现象调整过来；平窑内设定温度不超过90℃。 

复合土工结构的监测系统的工作原理，如图4所示。 

       路面在长期载重汽车5的碾压和自然灾害的影响下，造成路基4突发性塌陷，这时复合土工结构1中的光导纤维与高强度电缆相连接，通过光栅扫描仪2收集到各种光学性参数，如波长范围、波长间距，因为光导纤维与敏感元件组合或利用本身的特性，可以做出各种传感器，测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。在通过分析数据程序软件与电脑3处理后，得到一个塌陷部位的警示曲线。从而及时处理及修复，避免事故的发生。 

  图5所示的复合土工结构的应用及全时无线传输实时监控系统与图4所示的系统的区别在于：图5所示的系统是通过无线信号发射、接收，操作人员可不在现场的情况下，实时全天候进行监测与分析。 

 图5所示的是全时无线传输实时监控系统：此系统可根据路况及工程的重要程度，建立固定和长期监控系统，其工作原理是：路基中的复合土工结构1中的光导纤维与高强度电缆相连接，经过光栅扫描仪2的信号采集处理，采用适合的无线波段频率通过发射塔6发射出去；再通过接收塔7把无线信号接收到具有固定的监控场所或流动的工作场所，从而更方便、及时、快捷的监测到工程的质量及环境的变化吧，及时采取必要措施，避免重大事故的发生。 

该实用新型的复合土工结构及利用其的工程监测系统，除在土工结构、岩土工程加筋加固领域使用之外，还可在其他工程领域中使用，如民用建筑，水利工程，军事领域，航空航天，公路、铁路桥台，机场，港口码头等领域，类似本实用新型的产品及系统监测都是本实用新型的保护范围。 

以上所述仅是本申请的优选实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 

Claims (18)

1.一种复合土工结构，其特征在于：包括土工格栅本体，土工格栅本体上附有至少一条光导纤维，光导纤维位于土工格栅本体外的一端为信号连接端。

2.根据权利要求1所述的复合土工结构，其特征在于：所述的光导纤维并列设有多条且粘附在土工格栅本体上。

3.根据权利要求2所述的复合土工结构，其特征在于：所述光导纤维与各条棒不共线或所述的光导纤维沿土工格栅本体的至少一方向的条棒延伸方向进行延伸。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的复合土工结构，其特征在于：所述光导纤维贴覆在条棒表面。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的复合土工结构，其特征在于：所述条棒为基体材料纤维束，光导纤维包裹在纤维表面或者内部。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的复合土工结构，其特征在于：所述光导纤维延伸方向与土工格栅本体的卷长方向平行。

7.根据权利要求5所述的复合土工结构，其特征在于：复合土工结构包括有至少两个不同方向的基体材料纤维束，纤维束在交点形成交汇点。

8.根据权利要求7所述的复合土工结构，其特征在于：所述的纤维束在交汇点搭接。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的复合土工结构，其特征在于：复合土工结构包括横向和纵向延伸的基体材料的纤维束，横向和纵向基体材料交织形成交汇点。

10.根据权利要求7所述的复合土工结构，其特征在于：复合土工结构包括三个不同方向延伸并相互交汇的基体材料纤维束：沿卷长方向延伸的横向基材材料纤维束，以及位于横向基材材料纤维束两侧与之斜交的两斜向基材材料纤维束，横向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束在交点交织成交汇点。

11.根据权利要求10所述的复合土工结构，其特征在于：所述的每个交汇点都经过有横向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束。

12.根据权利要求9所述的复合土工结构，其特征在于：复合土工结构包括四个不同方向延伸并相互交汇的基体材料纤维束：横纵向基体材料纤维束，以及与横纵向基材材料纤维束两侧并与之斜交的两斜向基材材料纤维束，横纵向基体材料纤维束、斜向基体材料纤维束在交点交织成交汇点。

13.根据权利要求12所述的复合土工结构，其特征在于：横、纵向基体材料纤维束交织成矩形单元格，两斜向基体材料纤维束分别经过矩形单元格的对角线。

14.根据权利要求8所述的复合土工结构，其特征在于：所述的交汇点捆绑有连接线。

15.根据权利要求8所述的复合土工结构，其特征在于：至少交汇点涂覆有胶层。

16.根据权利要求11所述的复合土工结构，其特征在于：以横向基材材料纤维束为基础，两组斜向基材材料纤维束中：一组与横向夹角成60°±20°，另一组与横向夹角成120°±20°。

17.根据权利要求12所述的复合土工结构，其特征在于：以横向基材材料纤维束为基础，两组斜向基材材料纤维束中，一组基材材料纤维束与横向成，一组与横向夹角成45°±20°，对应另一组与横向成135°±20°。

18.一种复合土工结构工程监测系统，其特征在于：包括权利要求1-17之一的复合土工结构，与复合土工结构中的光导纤维连接有光栅扫描仪，与光栅扫描仪连接有电脑。

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