[發明專利]一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統及方法

有效

• 申請號: 201610290208.0
• 申請日: 2016-05-04
• 公開（公告）號: CN105783863B
• 公開（公告）日: 2018-04-06
• 發明（設計）人: 張一帆;洪成雨;張亞文;李庚英;周奇;何建新;楊紅英
• 申請（專利權）人: 東華大學;上海大學;汕頭大學
• 主分類號: G01C5/00
• 分類號: G01C5/00
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩,吳小麗

1.一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，其特征在于，包括：

測量模塊，基于光纖傳感技術測量埋設于地基以下的監測梁上下表面應變分布，利用有限差分的方法根據所述應變分布計算監測梁的撓度分布，即獲得地基的沉降分布；

信號模塊，采集所述應變分布數據及地基的沉降分布數據，與預設的預警值比較，當所采集的數據超過相應的預警值時，發送預警信息給接收模塊；

接收模塊，接收信號模塊傳來的預警信息；

所述測量模塊包括埋設于地基以下的監測梁(3)，光纖波長不同的兩種光纖傳感器(4)分別布設于監測梁(3)的上、下表面，監測梁(3)的上、下表面還設有預拉的裸光纖(5)，光纖傳感器(4)及裸光纖(5)通過室外用鎧裝光纜(6)連接數據采集儀(1)。

2.如權利要求1所述的一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，其特征在于：所述監測梁(3)為正方形截面空心聚氯乙烯梁。

3.如權利要求1所述的一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，其特征在于：所述光纖傳感器(4)在監測梁(3)的上、下表面等間距封裝。

4.如權利要求1或3所述的一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，其特征在于：所述監測梁(3)的上、下表面等間距設有用于布設所述光纖傳感器(4)的槽，所述光纖傳感器(4)設于該槽內且通過涂抹均勻的環氧樹脂封裝。

5.如權利要求1或2所述的一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，其特征在于：多個所述監測梁(3)以并列的方式串聯到一起，成陣列埋設于地基以下。

6.如權利要求1或2所述的一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，其特征在于：所述監測梁(3)的上、下表面垂直于沉降發生的方向。

7.一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量方法，其特征在于，采用如權利要求1～6所述的基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統，步驟為：

步驟1：布設監測系統

將多個安裝有光纖傳感器(4)的監測梁(3)以并列的方式串聯到一起，埋設于地基以下；且各監測梁(3)上的光纖傳感器(4)的波長不能重復；

步驟2：監測系統測試

利用光纖光柵解調儀對光纖傳感器(4)的波長進行掃描測試，保證所有光纖傳感器(4)工作良好；

步驟3：沉降分布計算

根據光纖傳感器(4)的波長測量值，計算監測梁(3)上、下表面應變分布，利用有限差分的方法，根據所述應變分布計算監測梁(3)的撓度分布，即獲得地基的沉降分布；

所述步驟3中，利用有限差分的方法，根據監測梁上、下表面應變分布計算地基的沉降分布的具體方法為：

利用光纖傳感器將監測梁劃分成n個長度為h的小單元，假定f(x-h),f(x),以及f(x+h)分別為在監測梁上x-h,x和x+h位置的沉降，f'(x)和f'(x-h)為在監測梁的位置x和x-h處的左一階偏導數，則有：

f′(x)=1h[f(x+h)-f(x)]---(1)]]>

f′(x-h)=1h[f(x)-f(x-h)]---(2)]]>

用相同的方法可以計算沉降的二階導數如下：

f′′=1h{1h[f(x+h)-f(x)]-1h[f(x)-f(x-h)]}=1h2[f(x+h)-2f(x)+f(x-h)]---(3)]]>

公式(3)是二階常微分方程，同時對于純彎梁，在小變形的情況下，沉降或撓度的二階導數與梁的曲率k相等，即k～d²f/dx²＝f”，而曲率k又可由下式表示：

k=MEI=f′′---(4)]]>

同時考慮到以下的應變與彎矩以及梁的剛度的關系：

MEID2=ϵai-ϵbi2---(5)]]>

其中M,D,E以及I分別表示梁的彎矩、厚度、彈性模量以及慣性矩；ε_ai和ε_bi分別表示監測梁的上、下表面測量得到的應變大小；從公式(5)中可知，因為上、下光纖傳感器同時處于相同的溫度環境中，因此監測梁上、下表面應變的差可以消除溫度對撓度計算的影響，因此不必進行溫度補償；合并公式(3)、(4)和(5)得到：

1h2[f(x+2h)-2f(x+h)+f(x)]=ϵai-ϵbiD---(6)]]>

給定假定的邊界條件，設監測梁的兩端是簡支梁的邊界條件，則相應的兩端均無位移，以此作為邊界條件，即可以計算監測梁產生的沉降。