[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

技術領域

本發明涉及一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量系統及方法，主要用于測量巖土工程建筑物如地基、路面、隧道等發生的沉降，屬于工程結構健康監測技術領域。

背景技術

沉降控制對于一些較大尺寸的巖土工程結構如隧道、地基基礎以及鐵路線路等等尤為重要。常規的沉降傳感器(如液位沉降測量系統)可以用于測量不同類型建筑結構的沉降，目前現有的技術方法也較多。

對于基于光纖傳感器的測量沉降，現有技術中已有一些基本的技術方法，如專利號CN103362114A公開的基于布拉格光纖傳光柵傳感技術測量填土不同層深的沉降，該類型傳感器結構簡單，可以測量不同深度以及不同點位的沉降量；專利號CN103968804A公開的基于低相干干涉技術的沉降測量系統，該系統利用掃描光程的變化反映地面沉降，可以大范圍的布設于隧道、鐵路路基、大型的地基等等；專利號202119406U公開的專利將光纖光柵傳感器密封在懸臂梁表面，然后將此懸臂梁密封在一個小型的盒狀體內部，并將其埋入土體內部以感知沉降大小。專利號CN20187656U與專利號CN103175508A公開的結合光纖光柵傳感技術測量應變、位移以及壓力等參數，將這些參數綜合成一套預警系統。

上述現有技術的主要問題在于，因布拉格光纖光柵傳感器是準分布的傳感器，一般都是測量不同點位的沉降，所以不便于進行大范圍連續的沉降監測。低相干干涉技術需要特制傳感器線路，傳感器成本較高，且布設中需要小心，防止傳感器受損。

發明內容

本發明要解決的技術問題是如何基于光纖傳感器進行大范圍連續的沉降監測，同時降低監測成本，提高監測質量。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是提供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。

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

優選地，所述監測梁為正方形截面空心聚氯乙烯梁。

優選地，所述光纖傳感器在監測梁的上、下表面等間距封裝。

優選地，所述監測梁的上、下表面等間距設有用于布設所述光纖傳感器的槽，所述光纖傳感器設于該槽內且通過涂抹均勻的環氧樹脂封裝。

優選地，多個所述監測梁以并列的方式串聯到一起，成陣列埋設于地基以下。

優選地，所述監測梁的上、下表面垂直于沉降發生的方向。

本發明還提供了一種基于光纖傳感技術的地基沉降測量方法，其特征在于，采用上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的監測梁以并列的方式串聯到一起，埋設于地基以下；且各監測梁上的光纖傳感器的波長不能重復；

步驟2：監測系統測試

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

步驟3：沉降分布計算

根據光纖傳感器的波長測量值，計算監測梁上、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。

優選地，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：

用相同的方法可以計算沉降的二階導數如下：

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：

同時考慮到以下的應變與彎矩以及梁的剛度的關系：