边坡变形的分布式光纤监测试验研究及实践

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一项新型光电传感仪器,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。该技术采用光纤作为传感和传输介质,具有良好的抗干扰、长距离、可植入性和分布式监测等特点。本文总结了近几年来分布式光纤在边坡工程中监测的工程实践和试验研究结果。实践表明,将光纤传感器铺设在加固边坡的锚杆和框架梁中,在加固边坡的同时进行安全监测,可以取得良好的效果;而将光纤直接铺设在边坡浅层土体中进行监测,可以及时对边坡安全提供预警,但往往不利于长期监测。本文还介绍了将光纤传感器布设在用于加固边坡的土工织物中进行安全监测的室内试验研究。实验证明,不同的光纤类型、布设方法、土工织物性能等都会对监测结果产生影响。最后分析了分布式光纤监测在岩土工程监测中的应用前景,以及今后研究的关键技术问题。     

基坑工程BOTDR分布式光纤监测技术研究

围护体系的加固质量对基坑工程、基坑周边环境和地下管线的变形和稳定性具有重要影响。通过对基坑围护体系和周边环境进行实时、在线监测分析,可掌握基坑变形的发展动态,对基坑失稳破坏进行预警。分布式光纤传感技术与常规监测方法相比具有很大的优越性,如分布式、长距离、实时性和长期稳定性等,可满足基坑工程安全监测和基坑失稳早期预警的要求。本文对布里渊光时域反射计(BOTDR)的测量原理进行了介绍,设计了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式监测系统,详细阐述了工程应用中传感光纤的布设方法、光纤保护和温度补偿技术等。以实际工程为例,对基坑工程分布式变形监测结果进行了分析。监测结果表明,基于BOTDR技术的基坑分布式光纤监测系统能够准确地反映基坑工程的变形情况,具有显著的优越性,可用于基坑工程稳定性的监测和失稳预报。     

基于BOTDR的预制桩应变-温度联合测试方法研究

提出了一种可以实现分布式应变-温度联合测试的方法,采用特殊封装的方法改变传感光缆的频移系数,用于空间差异式分布的温度补偿。通过预制桩浸水试验对该方法的有效性进行验证,采用该方法对监测数据进行温度补偿,对应变、温度沿桩身的分布规律以及随时间的变化规律进行了分析。研究表明:该应变-温度联合测试方法能够较好地解决温度在空间上差异式分布时的温度补偿问题;预制桩浸水试验中,水下渗导致的桩身温度变化较大,应变和温度2个因素对传感光缆上各点频移变化量的贡献比例关系较为复杂。     

分布式光纤传感器用于桥梁和路面的健康监测

介绍了两类先进的分布式光纤传感器技术,即光纤光栅(FBG)和布里渊光时域反射计(BOTDR);分别在 T型RC简支梁和连续配筋混凝土路面(CRCP)中布置了FBG和BOTDR分布式光纤传感系统,对简支梁混凝土动、静应变以及路面板中连续钢筋和混凝土应变进行了实时监测。研究结果表明,FBG和 BOTDR在桥梁和路面等一些土木工程结构的健康监测中具有重要的应用前景。     

一种BOTDR光纤温度传感器试验研究

BOTDR适于大尺度分布式健康监测,但对于结构点位的监测效果却不是很理想。本文研发一种基于布里渊光时域散射原理的光纤温度传感器,本传感器由裸光纤封装而成适用于结构点位监测。实验分析了BOTDR各项性能指标相同的条件下封装长度不同时对温度的灵敏度以及可重复性的影响。确定了当BOTDR所设参数一定时光纤温度测量段长度选择。验证了BOTDR温度传感器器检测结构局部点位温度的可行性,实验表明光纤温度传感器线性度和实验的重复性都很好。     

BOTDR光纤温度监测技术在土木工程中的应用研究

布里渊光时域反射计(BOTDR)是一种新型的分布式光纤传感技术。布里渊光频移量不仅与光纤的应变状态相关,还与光纤的温度存在相应的线性关系,因此BOTDR可以用作分布式的温度监测。本文对基于BOTDR的分布式温度监测技术及其在土木工程中的应用展开了实验研究,研究选用的是美国康宁公司900μm单模紧套光纤,实验标定布里渊光频移量对温度的敏感度为1.43 MHz/℃。通过室内外实验以及在实际隧道工程中的应用,验证了BOTDR的温度测量精度达2℃,因此将该技术应用于分布式温度监测是可行的,长期稳定性良好。     

大尺度BOTDR光纤应变灵敏特性研究

首先介绍了布里渊光时域反射计(BOTDR)应变测试仪的基本测试原理;并基于BOTDR光纤变形检出特性进行了试验研究,其中包括裸光纤在长度相同而空间分辨率和采样间隔不同时悬挂重物试验和等强度梁实验。通过试验,分析了当光纤长度相同而BOTDR所设参数不同(主要指空间分辨率和采样间隔)时对检测结构的影响,确定了裸光纤在应变监测中长度区间的选择。     

基于BOTDA的PHC桩挠度分布式检测研究

针对预应力高强混凝土(PHC)管桩桩身在水平荷载作用下挠度大小和分布的检测困难,介绍了基于布里渊光时域分析技术(BOTDA)的桩身挠度检测方法;设计了管桩平推模型试验,推导出了管桩在水平荷载作用下的挠度计算公式;通过模拟和实测数据对比,分析了BOTDA用于PHC桩挠度检测的可行性与准确性,获得了PHC桩在水平荷载作用下的变形规律;结合具体工程,对该方法用于PHC桩身在水平荷载作用下挠度测量的可行性进行了验证。研究结果表明:BOTDA用于PHC桩挠度的检测与监测具有明显的优势,其分布式检测的特点,可以准确获得水平荷载对PHC桩的影响深度和挠度分布;该方法操作简便,性价比高,感测光纤耐久性好,可对桩身挠度分布进行精细化检测与监测,值得在桩基检测与监测中应用推广。     

基于OFDR的不连续管道竖向错开变形定量监测∗

近年来逐步发展起来的分布式光纤传感技术被大量应用于管道变形监测当中,而现有的光纤传感技术无法满足高空间分辨率的要求,采用一种新型的光频域分布式光纤传感技术(OFDR),对不连续管道在加荷条件下的竖向错开变形进行室内模型试验研究,提出了一种定量计算方法,并将计算值与千分表监测的实际值进行对比分析。 室内试验的结果表明,OFDR 能够精确地反映监测部位的应变,揭示不连续管道接缝处的变形规律。通过所提出的算法将应变值转化为竖向错开变形量,并与千分表的监测值进行对比分析。提出的算法能够定量监测不连续管道的竖向变形量,为实际工程提供竖向错开变形的下限值,为实际工程中的管道安全和预警提供依据。     

海岛环境条件下超长灌注桩温度光纤监测研究∗

为了弥补传统监测手段的不足,更好地掌握海岛环境条件下超长灌注桩温度分布规律,采用了布里渊光时域反射（BOTDR）技术,在海岛环境条件下将光纤温度传感器安装在灌注桩上,对气温变化下 116 m 长的灌注桩进行了长期温度监测试验。监测结果表明：本次用于超长灌注桩桩体温度测量的光纤传感器均存活,说明传感器布设工艺的合理性,同时从测试结果来看,光纤温度传感器基本上没有受到外力的干扰;采用 DB5 小波对光纤测试数据进行降噪;从桩体温度变化曲线来看,海岛环境条件下的超长灌注桩桩体温度变化非常复杂,桩头位置温度变化量最大,随着深度增加,温度变化量逐渐减小,至 18 m 深度处温度基本不发生变化;桩体温度场的变化存在时间效应。     

粤赣高速公路K3边坡光纤监测与数值模拟对比分析

本文采用基于FLAC3D软件的数值模拟方法,对粤赣高速公路K 3边坡工程锚杆的应力应变状态进行数值模拟,分析了全长粘结式锚杆的荷载传递机理;根据运用基于自发布里渊背向散射原理(BOTDR)的分布式光纤应变传感技术对锚杆的轴向应变进行的监测数据,分析了工程锚杆的变形特征。数值模拟与实测数据的对比分析表明,模拟曲线与监测曲线反映的工程锚杆的变形特征具有较高的一致性,验证了应用FLAC3D有限差分软件模拟锚杆-框架体系应力应变特征的合理性,以及基于BOTDR的锚杆应变分布监测的可行性。     

光纤传感器FBG和BOTDR应用于结构监测的若干比较研究

对建筑结构进行健康监测,可以防止和避免灾害的发生。传感器的选择和使用是进行结构监测时首先要考虑的问题。光纤传感器是一种新型的传感器,因种类不同在性能方面也相差较大。FBG(FiberBraggGating,光纤Bragg光栅)和BOTDR(BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry,布里渊光时域反射计)是近些年来发展比较快的光纤传感器,本文介绍了这两种光纤传感器,并着重从两者传感的基本原理、传感系统组成、温度补偿研究和性能优劣等方面进行了详细的比较,得出了各自作为结构监测传感器的优缺点,为今后的监测选用提供了依据,使应用两者时能够做到扬长避短。     

抗差自适应Kalman滤波在动态变形监测中的应用研究

抗差自适应Kalman滤波算法中,抗差等价权矩阵和自适应因子的计算,要求观测信息具有多余观测量且准确可靠,但在动态变形监测应用中,通常滤波观测值仅为三维坐标且存在较强噪声和粗差的影响.为此,先对该算法中的自适应因子和抗差等价权矩阵的计算进行研究和改进,然后计算了某高速公路边坡的GPS动态监测数据.结果表明,抗差自适应K...     

基于BOTDR技术的隧道衬砌应变测量温度补偿实例分析

应变数据的温度补偿一直是光纤应变传感技术(如BOTDR)应用于实际工程的主要障碍,虽然目前有了不少理论方法试图解决这个问题,但实际运用起来却效果不佳。本文通过对云南白泥井3号隧道光纤应变监测项目的实例分析,提出了一种新的BOTDR温度补偿方法。应用该方法对白泥井3号隧道进行的温度场分析表明,隧道内空气温度场的温度变化明显要大于隧道结构温度场,而在总体的温度变化趋势上,它们都同当地的气候条件保持一致。     

干湿循环作用对堆石长期变形影响的试验研究

堆石体存在流变,不仅与荷载有关,而且与日晒雨淋引起的干湿循环有关。通过室内试验模拟日晒雨淋引起的干湿循环作用,研究其对堆石体长期变形的影响。试验结果表明,荷载作用流变很快趋于稳定,测得的流变量也相对较小;偏应力状态干湿循环作用引起的长期变形非常明显,其变形占后期变形总量的50%~70%,且后期变形的衰减远小于荷载单独作用引起的流变,这对于坝体的安全和稳定的影响是不容忽视的。根据试验研究揭示的变形规律,本文建立了相应的计算干湿循环变形的数值模型,可用于有限元计算。