相似模拟实验中光纤光栅传感检测研究

为探索相似模拟实验新的检测方法,研究了光纤光栅传感技术在相似模拟实验中的应用.采用在模型中埋设光纤光栅传感器的方法,检测采动过程中上覆岩层的应力变化.实验选用1.2m×0.12m平面应力模型,光纤光栅传感器选用无封装裸露光栅,分布有五个光栅点.为作对比分析,两光栅附近埋设压力传感器.结果可知,岩层应力变化可使光栅发生波长漂移,其变化趋势与压力传感器测试结果相一致,可以反映应力的变化规律.光纤光栅传感技术可以被应用于相似模拟实验中的应力检测,这对于提高相似模拟实验的检测手段具有重要的意义.     

岩梁小变形的光纤光栅检测方法研究

岩石变形过程复杂，且受环境因素的影响，而影响其破坏的初期损伤状态是关键。光纤光栅技术近几年发展迅速，在单点的基础上发展起来的多点光纤光栅传感技术，可以将光栅点构成阵列式布置。鉴于此，本文首次将多点光纤光栅传感技术用于岩石变形过程的检测中，将多个光栅点阵列布置于相似模型的岩层中，通过实验研究了岩石变形与光栅点波长变化的初步关系。这一研究对检测岩石小变形及监测岩土工程的安全性具有重要意义。     

采场覆岩变形的分布式光纤检测试验研究

为了解决采场模型试验中岩体内部变形状态难以测试、岩层运动过程难以描述的问题,利用BOTDA分布式光纤传感技术研究了岩层变形及垮落过程的分布式光纤检测与表征。在实验室建立3 000 mm×200 mm×1 280mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,将3条水平传感光纤和3条垂直传感光纤预埋于模型内部,利用光纤测试模型开挖过程中的覆岩变形状态,并将其与光纤Bragg光栅、百分表和全站仪的测试结果进行对比。试验表明,岩层垮落移动与分布式光纤测试结果呈明显的对应关系,应变曲线揭示了各回采阶段时的上覆岩层变形状态,分别表征了岩层破断线发育状态、垮落角变化大小、岩层内部应力演化及岩层垮落从下向上的发展过程;测试结果对比显示该方法在模型试验中具有较好的适用性,能精确反映上覆岩层的变形特征。     

光纤岩层滑动传感监测原理及试验研究

将光纤传感技术用于岩层界面滑动损伤监测，是常规的滑坡监测手段无法相比的技术手段。基于光纤微弯损耗机制及光时域反射技术，构建光纤滑动传感监测系统及数据采集，首次提出利用土工大三轴剪切试验手段完成模拟，同时也解决了固体材料滑动瞬间断裂以及光学-力学数据转换极难采集的难题，测得滑距-光损耗对应关系数据及关系曲线。提出将光纤滑动传感临测应用于高边坡滑动监测的典型布置方式。结果表明，光纤传感监测十分敏感，损耗值达30-50dB，滑动监测光纤的动态范围达3．0～3．5mm。     

岩梁小变形的光纤光栅检测方法研究

岩石变形过程复杂,且受环境因素的影响,而影响其破坏的初期损伤状态是关键。光纤光栅技术近几年发展迅速,在单点的基础上发展起来的多点光纤光栅传感技术,可以将光栅点构成阵列式布置。鉴于此,本文首次将多点光纤光栅传感技术用于岩石变形过程的检测中,将多个光栅点阵列布置于相似模型的岩层中,通过实验研究了岩石变形与光栅点波长变化的初步关系。这一研究对检测岩石小变形及监测岩土工程的安全性具有重要意义。     

一种具有状态监测功能的机敏材料系统与结构研究

本文介绍一种光纤机敏材料系统与结构.在材料与结构中埋入光纤传感阵列,通过对传感信号的神经网络处理,实现状态监测.基于光纤微弯传感原理,提出了一种适宜于此系统的光纤传感阵列结构,以及直接利用传感阵列光纤出射光的光强分布特性的神经网络信号处理方法.重点研究并给出了系统的结构及其功能,以及应用于混凝土构件的实验结果,验明了所提方法的可行性与有效性.     

岩层变形检测的植入式光纤Bragg光栅应变 传递分析与应用

 为研究深部岩层的变形及其发展过程，构建光栅–传感器结构–水泥砂浆–岩层的应变传递系统，根据光纤光栅传感器的应变传递理论，分析用于岩石检测的光纤、中间层和岩层力学参数对光栅应变传递率的影响，给出光纤光栅传感器及钻孔参数设计，为工程应用提供依据。研究表明，深孔岩层监测的钻孔直径宜选100 mm左右，光纤光栅传感器的临界长度为149.23 mm。将其应用于济三煤矿第四系松散地层沉降变形监测中，结果表明，光纤光栅传感器可对松散层的应变变化进行实时检测。     

光纤传感技术在边坡模型试验中的应用

 关于边坡模型的坡体变形监测较为困难，将光纤传感技术应用于边坡模型试验尝试解决这一问题。构建边坡模型进行人工降雨试验，采用光纤布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)监测坡体变形和光纤光栅(FBG)传感技术监测坡面变形。将BOTDR光纤分层埋入坡体不同位置，以边坡后缘模型箱为固定的参照点，监测坡体内不同位置的应变变化；将光纤光栅传感器铺设在坡面的不同位置，以坡面后缘为固定参照点，监测坡面各位置处位移变化。根据降雨前、降雨过程中及降雨后变形记录资料，得到边坡在降雨作用下的变形规律：在降雨初始一段时间内，边坡并没有明显变形，随着降雨时间的发展，坡体和坡面位移会出现突发性的大幅度增长，并且距坡面较近的土体产生较大的变形，坡体底部变形较小。总体规律是随着坡体深度的增大，坡体变形受降雨入渗的影响越来越不明显，这解释了降雨诱发的均质土坡破坏容易出现在浅层的原因。在坡面上，后缘产生较大位移，而坡体前端位移较小。降雨停止后，部分变形值会变小。试验结果表明，用光纤BOTDR和FBG传感技术监测有众多的优点，且光纤传感技术在岩土模型试验中具有良好的应用价值和前景。     

智能电力排管结构变形感知方法与应用

电力排管作为浅埋地下结构,其分布广,遍布于城市每条街道,易受到工程施工的影响,而传统监测技术难以实时捕捉到结构变形破坏过程,需要实现结构自感知。光纤传感技术是一种能够做到实时、长期、分布式、新型监测方法,其在智能结构自感知领域应用潜力广阔。通过一组模型实验,并对变形监测数据进行研究,得到电力排管的受力变形特性;分析光纤传感器所得的水平向应变与电力排管沉降变形之间的关系,提出了光纤沿电力排管结构埋设并首尾相接形成监测闭合环路的安装方法,并在现场试验中进行验证。实验结果证明了基于布里渊频域分析(BOFDA)的分布式光纤传感技术运用在电力排管变形监测中的准确性、可靠性和优越性。研究成果可用于运营期电力排管结构安全状态的分布式监测,实现结构变形自感知,为智能地下结构的应用打下良好基础。     

基于FBG传感器的桥梁结构应变监测

文章通过在桥梁模型中埋入光纤布拉格光栅传感器,验证FBG传感器可应用于桥梁结构的应变监测。首先介绍了光纤传感技术、国内外的发展现状及应用,比较了目前较为常用的两种光纤传感器:光纤光栅传感器、光纤法珀传感器。接着着重介绍了本次试验所用的FBG传感器,然后通过对桥梁模型的结构分析确定监测内容,并进行应力分布研究,在此基础上完成对FBG传感器的优化布设。最后,通过对数据的采集和评估验证监测系统可行性。应用结果表明,FBG传感器系统可以很好地反映桥梁结构应力变化,能够实现对桥梁结构健康监测。     

FBG传感器在量测围岩内部位移中的应用

 光纤光栅(FBG)传感器利用波长调制传感信号，因而量测信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，可以广泛应用于量测应变、温度、应力、位移等参数。结合新奥法隧道施工中位移监测的要求，介绍光纤光栅传感器的原理及其在隧道围岩内部位移量测中的应用。与其他量测方法比较，利用光纤光栅传感器量测围岩内部位移具有仪器构造简单、安装量测方便、量测数据精确等优点，是一种非常实用的量测方法。量测数据验证隧道围岩变形的基本规律：不同位置的围岩其松弛变形不同，离开挖面越近的围岩，其松弛变形越大，离开挖面越远的围岩，相应的松弛变形越小；围岩的完整程度对围岩内部位移的影响很大。     

Feasibility study of applying SOFO optical fiber sensor to segment of shield tunnel

The feasibility of applying SOFO optical fiber sensor to the segment of shield tunnel is presented in this paper. A concrete beam with two optical fiber sensors is used to simulate the future application in segment of shield tunnel. The concrete deformed behavior during the curing process of steam and water is monitored. After the curing process is completed, a pair of optical fiber sensors are installed on the beam surface at the same distance away from neutral axis the same as the embedded optical fiber sensors. Then the cyclic two points load testing is conducted and two LVDT are used to monitor deflections at two sections. The deformation of surface sensor is smaller than the embedded sensor which can be shown the actual deformation of concrete beam. The theoretical contraction of sensor is very close to the embedded sensor, however, the difference between theoretical extension and sensor measurement is gradually enlarged with loading level. This reflects that the neutral axis moves upwards when concrete tensile stress exceeds strength. The results of LVDT cannot be used as a basis to evaluate the results from optical fiber sensors. According to experimental results, SOFO optical fiber sensor not only can survive in the harsh curing process, and but also can reliably monitor the concrete deformation. The accuracy of strain measurement by SOFO optical fiber sensor is also verified in two points load testing. Besides, the appropriate location at which the optical fiber sensor can be embedded in the segment is evaluated. The finite element method is used to analyze the shield tunnel in the soft clay, hard clay, loose sand as well as dense sand. The bending, hoop and shear stress distributions are evaluated for each soil condition. Based on the length of sensor and the results of numerical analyses, the best location for sensor is at the spline of segment, because the gradient of bending stress at spline is minimum. The application of SOFO optical fiber sensor in shield tunnel for long-term warning system is promising and is adopted in a shield tunneling project now.     

光纤光栅位移计组在围岩变形连续监测中的应用研究

针对多点变位计和滑动测微计在监测地下洞室围岩变形方面存在轴向位移分布连续性不足和无法实现自动化的问题,提出了将光纤光栅位移传感器通过组装成串应用在围岩变形连续监测的方法。该方法可准确得到仪器埋设沿线任一测点的监测量,由于光纤光栅位移计组具有精度高的特性,测得的围岩位移变化与洞室扩挖施工关系密切,与多点变位计监测结果总体变形规律基本一致,但光纤光栅位移计组能够监测到整个大尺度的监测线中任意间距的轴向位移分布,取得的成果信息量更大更为直观。作为对光纤光栅位移计在岩土工程变形监测中的应用探索,具有一定借鉴意义。     

软岩隧道湿喷纤维砼支护施工过程非线性分析

在赣州-龙岩铁路DKl33 095～DKl38 237段软弱围岩单线隧道施工过程中,采用湿喷纤维混凝土作为支护结构.介绍了隧道围岩的地质情况和隧道湿喷纤维混凝土支护结构施工工艺,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟.分析模型考虑了台阶步施工过程中围岩应力的释放效应,分析了围岩和支护结构体的非线性力学行为的应力场分布、位移场,围岩塑性区分布特征,并指出台阶步开挖时拱顶下沉、底板上鼓、墙腰收缩的主要控制因素.     

单轴拉伸条件下断续节理岩体锚固效应试验研究

 选用改性橡胶粉–水泥砂浆模拟岩石,用玻璃纤维增强塑料作为锚杆模拟材料,通过室内试验研究单轴拉伸条件下,锚杆对含贯穿裂隙岩体的加固效应。结果表明：与不加锚试件的破坏形式相比,加锚试件均表现出塑性破坏特征;锚杆提高了节理岩体的变形模量和单轴抗拉强度,且加锚试件的变形模量和单轴抗拉强度随锚固角的增大先增大后减小;随着锚固角的增大,试件后期破坏模式发生改变,这与锚杆的黏结性能和抗剪切性能的复合作用有关。     

Detecting deformations in uncompacted strata by fiber Bragg grating sensors incorporated into GFRP

Coalfields based in east China, such as Huaibei, Datun, Xuzhou, Yanzhou, Yongxia and Huainan, have suffered paroxysmal shaft lining fracture and repeated deformation after repair in the last three decades. This phenomenon has required the development of fractured shaft lining repairing technology and a method for detecting rock strata settlement. It is proposed in this paper that, with the method of fiber Bragg grating sensor incorporated into GFRP, a sensing network of fiber Bragg grating wavelength division multiplexing (WDM)/spatial division multiplexing (SDM) mixing array composed of 18 fiber gratings is formed, and it is used for monitoring the settlement of uncompacted hydrous strata. It is the first time that the fiber Bragg grating sensing system is embedded into the 180-m deep uncompacted strata, and the field experiments are conducted at No. 3 Jingning Coal Mine. The layout of optical sensors, the fiber Bragg grating detecting system, the drilling of the borehole and the embedding method of fiber Bragg grating sensors are introduced. The monitoring results of fiber Bragg grating sensors are compared with groundwater level monitoring results. Engineering practice shows that the fiber Bragg grating sensors are working normally and they can be used to detect strain safely and stably.     

岩石变形光栅检测的表面粘贴法及应变传递分析

研究了岩石变形过程光纤光栅传感检测的关键技术及理论,提出了单轴压缩实验中的表面粘贴法。建立了表面粘贴法的应变传递模型,推导并求得了应变传递系数,以此为理论基础进行了MTS的对比实验,测试方向分别沿试件的轴向及环向。结果表明,经应变传递系数换算后,光纤光栅轴向应变与MTS测试结果相一致,相对误差率仅为2.8%;环向测试优于MTS的环向应变计,两种方法的测试结果均优于同位置粘贴的应变片。验证了应变传递模型的正确性,并表明光纤光栅表面粘贴法可以用于岩石的单轴压缩实验中,且与传统测试方法相比具有无可比拟的优越性。这对于提高岩石变形检测水平,实现工程实践中长期有效的在线监测具有重要意义。     

软弱围岩隧道钢纤维混凝土衬砌承载特性模型试验研究

为满足软弱围岩隧道开挖后尽快封闭岩面、适应一定变形及提供足够支护力的要求,通过素混凝土、钢筋混凝土及钢纤维混凝土衬砌力学行为室内模型试验,对钢纤维混凝土衬砌的承载特性进行研究。研究结果表明:钢纤维混凝土衬砌初裂荷载提高了20%,极限荷载得到较大提高;掺入钢纤维后衬砌结构韧性增强,初裂后仍能抵抗一定变形并较大降低变形速率,与素混凝土、钢筋混凝土相比可承受更大的变形;钢纤维混凝土衬砌初裂后承载特性曲线缓慢上升,至2倍初裂荷载时仍无收敛迹象,素混凝土快速收敛,钢筋混凝土在一定缓慢上升后快速趋于收敛,软弱围岩条件下,钢纤维混凝土初支在一定变形后可与围岩特征曲线相交,达到围岩–结构稳定状态,是一种力学性能良好的快速支护材料。研究成果对软弱围岩隧道的设计与施工都具有重要的意义。