分布式传感光纤与土体变形耦合性能测试方法研究

分布式光纤传感作为新兴技术已用于岩土体的变形监测,其中传感光纤与土体的变形耦合性能是重要的研究内容之一。文章设计了土条的三点弯曲试验,将传感光纤预埋在土条中,借助高空间分辨率OBR分布式光纤传感技术、激光位移传感器以及PIV摄影测量技术,对光纤与土体的变形耦合性能进行了分析讨论。结果表明:当土条变形较小时,土体与光纤耦合性能良好,传感光纤可以准确测量相应位置土体的应变分布情况;当变形较大时,传感光纤与土体将发生相对滑移,土体变形难以完全传递给传感光纤,光纤与土体的变形耦合性能随土体变形的增大逐渐降低。提出了采用应变传递系数表征纤-土的变形耦合性能。     

应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键问题探讨

在总结上世纪80年代以来岩溶塌陷监测预报方法的基础上,从岩溶塌陷自身特点和光纤传感技术监测原理出发,对目前光纤传感技术应用于岩溶塌陷监测预报急需解决的关键技术问题进行了探讨分析,主要包括环境温度影响、光纤敷设和预报模型建立三个方面。光纤本身的光学特性决定环境温度变化会影响光纤的变形测量,其解决办法主要是进行温度补偿和监测数据修正处理;光纤敷设,主要是解决光纤与岩土体同步变形问题,其办法是通过室内实验确定适宜的胶结剂和最优配比;建立光纤应变与岩土体变形的关系模型是应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键,其解决办法为室内模拟实验。      

考虑埋入长度效应的应变传感光纤-土体界面特性试验研究

随着光纤传感技术越来越多地应用于地质灾害和岩土变形监测,理解应变传感光纤与周围岩土体之间的变形耦合机理成为监测结果分析中的重要一环。但是相关的研究较少,尤其是有关埋入长度对传感光纤-土体界面特性及应变传递过程的影响尚未得到充分的认识。本文通过拉拔试验,研究了不同埋入长度条件下纤-土界面的力学性质,并采用一个数学模型对拉拔曲线进行了预测。结果表明:该模型能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线;有效拉拔位移和最大拉拔力均随着埋入长度的增加而线性增加;而传感光纤-土体界面抗剪强度则随着埋入长度的增加而降低。在此基础上,采用布里渊光时域分析技术（BOTDA）获取了传感光纤与土体界面逐渐脱离过程中光纤的应变分布情况,并计算了纤-土界面剪应力分布特征及其演化过程,结果进一步证实界面破坏有高度的渐进性。这些结果为掌握应变传感光纤与周围土体之间的协调变形机制提供了参考,为促进光纤传感技术应用于岩土变形监测打下了基础。     

分布式光纤应变测量技术在地质灾害防治中的应用

文章简要总结了光纤应变传感测量技术特点、应用领域及前景。对基于布里渊散射技术的分布式光纤应变测量技术（BOTDR）的工作原理、特点进行了详细阐述。以地质灾害监测实践为基础，分析了光纤应变分布和灾害体变形的对应关系。结果表明，将BOTDR技术应用于地质灾害监测中是可行的。文章还对BOTDR应用于地质灾害监测中的几个关键技术问题进行了系统总结。     

岩溶塌陷光纤传感试验装置的标定试验

根据岩溶土洞(塌陷)变形演化特点,分析土体与传感光纤之间的力学关系,简化塌陷力学模型,加工塌陷模拟试验装置并进行试验。首先通过对光纤加载和卸载来模拟土洞形成过程顶板荷载的变化及分析传感光纤相应的变形和轴向应变特点,然后研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响。研究表明:在土洞形成过程中,因土洞规模和上覆土层荷载不一而导致的应力场的分布变化,以及不同光缆对应力场变化响应灵敏性的差异,是影响分布式光纤传感技术在岩溶土洞中应用的关键因子。文中所标定的光纤传感试验装置能较好地显示岩溶土洞形成演化过程中的应变变化特征,说明分布式光纤传感技术可应用于岩溶土洞的监测预警。      

基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究

可以实现分布式、长距离、实时监测的BOTDR监测技术已在土木工程领域得到了较为广泛的应用,但在岩土工程领域的应用研究起步较晚,相关技术还有待于进一步完善。以布里渊BOTDR的巷道/隧道应变监测技术为基础,研究了沿巷道轴向进行一维布设的光纤应变测量值与隧道顶板沉降变形之间的关系。首先,根据巷道/隧道顶板的变形规律,建立了光纤沿巷道/隧道轴向发生的应变与巷道/隧道顶板的沉降变形之间的数学模型,即圆弧模型、抛物线模型和三角形模型。其次,对巷道/隧道顶板的沉降变形与光纤应变之间的关系进行了试验研究。对比分析表明,理论计算值与试验值具有很好的一致性。利用圆弧模型、抛物线模型和三角形模型等3个计算模型,可以将光纤应变与顶板沉降联系起来,这对于BOTDR技术的应用与推广具有重要的理论意义和工程实用价值。     

基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究

隧道沉降是评估隧道结构安全性和稳定性的重要指标,通过分布式光纤监测技术,可以获得被测部位的应变分布情况,但不能直观地反映出隧道各个部位的沉降量大小。提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型,将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来,并通过理论推导、数值模拟、室内试验,验证了模型的可行性。通过北京轨道交通新机场线07标暗挖区间分布式光纤监测项目,对隧道临时支护的破除阶段进行了监测,获得了不同工况下隧道拱顶处的应变曲线,并借助提出的隧道沉降反演模型,对隧道拱顶沉降进行了计算,计算结果和现场实测结果能够较好的吻合,其误差可以满足工程需要。研究结果可以为分布式光纤传感技术应用于隧道沉降监测提供理论与试验基础。     

用于巷道沉降变形监测的光纤锯齿状布设技术与原理

矿山巷道、交通隧道等工程的顶板沉降变形监测是不可缺少的安全保障手段之一,现有的直线分布式光纤布设技术监测巷道沉降变形存在灵敏度较低的问题。将光纤沿巷道顶板的纵向铅垂平面布设成锯齿形状,构建相应的计算模型,给出具体的布设参数,获得了基于AV6419型号的光纤应变测试仪的监测精度和量测范围。试验结果表明,将光纤由直线式布设改变为锯齿状布设时不仅满足分布式光纤传感技术对于提取大范围测量场分布式信息能力的要求,而且通过巷道纵向分布式光纤的布设实现了监测巷道径向变形(如顶板沉降)的目的。计算模型监测的灵敏度相比于直线式有大幅度提高,为基于BOTDR技术的分布式光纤传感技术的应用与推广提供了新的方法和思路。     

模型相似材料内部应变光纤量测应变传递

应用光纤传感技术测量模型相似材料内部应变,必须解决光纤与相似材料耦合的问题。传统的研究中普遍存在应变传递理论分析结果无法通过试验检验的问题。设计实现了一种基于光纤-胶体-相似材料3层应变传递结构的光纤Bragg光栅（FBG）相似材料一维传感器。通过对该传感器应变传递特性和标定方法的研究探索解决光纤与相似材料耦合性的问题。该传感器采用无涂覆层的光纤Bragg光栅作为传感元件,将光纤埋入相似材料应变试件内部直接测量轴向中心应变。通过应变传递理论分析、数值模拟以及全新设计的标定试验研究3种方法研究了该相似材料光栅传感器的应变传递特性。平均应变传递率结果显示3种方法所得到的数值非常接近,表明该传感器的光纤、胶体、相似材料具有良好的耦合性以及应变测量的准确性。该方法为解决模型相似材料内部三维应变测量提供了可行方案。     

基于光栅传感的模型测量系统应用研究

模型试验作为解决复杂工程问题的一种有效手段已越来越受到重视。然而,与目前发展较快的模型试验系统和较为成熟的相似理论相比,测试技术相对滞后的问题依然存在。测量的精度与稳定性不能满足模型试验的需求。基于光纤/光栅传感技术的高精密性、稳定性和机光电一体的特性,结合模型试验的特殊测量要求,通过改进数据接收算法,研制了基于光学传感技术的模型位移/应变测量系统,包括光栅传感模型位移和光纤传感模型应变测试系统。该系统稳定、精度高、抗干扰,并能监测不连续位移。将该系统应用于注采气压变化条件下盐岩地下储气库变形特征地质力学模型试验中,测得了气压变化条件下围岩位移收敛和径向应变蠕变规律,测得在不同稳压阶段和不同注采气速率条件下围岩变形的不同特征。试验数据为合理确定盐岩储气库运营气压和注采气速率提供帮助,对盐岩储气库的安全稳定运营有重要意义。     

地质力学模型实验中变形量测方法的应用研究

地质力学模型实验作为一种便捷高效、成本低廉的研究方法,不仅可以将工程的破坏过程直观地呈现出来,而且可以作为了解工程整体力学特征、破坏模式和稳定情况的重要研究手段,在各类岩土工程问题的研究中有着广泛应用。由于地质力学模型材料的变形模量较低,同等应力条件下应变极其敏感,因此模型实验中变形测量显得至关重要。为了提升地质力学模型实验中变形量测的便捷性和准确性,对目前地质力学模型中对变形测量的主要方法进行总结分析。结果表明：目前对于模型变形量测的方法主要分为电测式测量方法、光学测量方法和机械式测量方法,其中电测式测量方法主要包括电阻式应变片法和位移计法,光学测量方法主要包括光纤类传感器法、数字图像相关法、光弹性贴片法和云纹干涉法,机械式测量方法主要包括百分表测量法和经纬仪观测法。通过对各种方法工作原理、主要应用案例及优缺点的阐述对比,得出不同方法的主要区别是测量范围和适用范围的差异,其中百分表法适用于测量小区域变形;测量内部变形可选择电阻应变片法及光纤传感器法;较大区域的变形可选择位移计法及光纤传感器法;指定点位移可选择经纬仪观测法;全场观测可选择数字图像相关法、云纹干涉法以及光弹贴片法。该成果可为相关地质力学模型实验的变形测量提供实验参考。     

黏性土体干缩变形分布式光纤监测试验研究

土体变形监测是岩土工程监测中的一项重要工作,具有规模大、工程环境差异性大、实时动态监测等特点,因此,常规的一些点式监测手段已不能满足要求。布里渊散射光时域反射测量技术（BOTDR）是一项新型光电传感监测技术,它利用布里渊散射光的光谱和光时域测量技术,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。应用这一技术对土体干缩变形进行了监测,并对土体干缩变形规律进行了分析,验证了该技术应用于土体变形监测中的可行性。     

基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究

面向地震综合观测需要,自主研制了窄线宽光纤光栅谐振腔,并将其作为核心传感元件,发展了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波和温度多参量同步测量新方法。采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调,研制出了光纤地壳形变、地震与温度多参量探头,并开展了多参量地震综合观测实验。实验结果表明,所研制的光纤多参量传感系统应变与温度测量分辨率分别达到4.7×10^-10和6×10^-5℃,能够同时记录到清晰的固体潮汐信号、地震波信号以及环境温度扰动,有望为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。     

地质力学模型实验中变形量测方法的应用研究

地质力学模型实验作为一种便捷高效、成本低廉的研究方法,不仅可以将工程的破坏过程直观地呈现出来,而且可以作为了解工程整体力学特征、破坏模式和稳定情况的重要研究手段,在各类岩土工程问题的研究中有着广泛应用。由于地质力学模型材料的变形模量较低,同等应力条件下应变极其敏感,因此模型实验中变形测量显得至关重要。为了提升地质力学模型实验中变形量测的便捷性和准确性,对目前地质力学模型中对变形测量的主要方法进行总结分析。结果表明：目前对于模型变形量测的方法主要分为电测式测量方法、光学测量方法和机械式测量方法,其中电测式测量方法主要包括电阻式应变片法和位移计法,光学测量方法主要包括光纤类传感器法、数字图像相关法、光弹性贴片法和云纹干涉法,机械式测量方法主要包括百分表测量法和经纬仪观测法。通过对各种方法工作原理、主要应用案例及优缺点的阐述对比,得出不同方法的主要区别是测量范围和适用范围的差异,其中百分表测量法适用于测量小区域变形;测量内部变形可选择电阻式应变片法及光纤类传感器法;较大区域的变形可选择位移计法及光纤类传感器法;指定点位移可选择经纬仪观测法;全场观测可选择数字图像相关法、云纹干涉法以及光弹性贴片法。该成果可为相关地质力学模型实验的变形测量提供实验参考。     

Study on Multi-Parameter Seismic Observation Technique Based on Optic Fiber Sensing

”Deep well, wide band, multi-component comprehensive observation” is the development direction of seismic observation. In order to promote the application and development of underground integrated observation system, key technologies, such as high temperature resistance sensor, interference isolation of sensor unit and miniaturization of instrument, need to be developed. Optic fiber sensors have the advantages of small size, passive nature, resistance to electromagnetic interference, being easy to long distance transmission and multi-parametric network observation, which are expected to provide new technology for the comprehensive observation of multi-parameter earthquakes in deep wells. This paper proposed a comprehensive observation technique of seismic wave, crustal deformation and temperature. An integrated borehole seismic sensor based on fiber Bragg grating resonators was designed for measuring three-component earthquake, three-component crustal deformation and temperature signal. A new technique for simultaneous measurement of multi-parameters of temperature and strain of fiber based on effective cavity length was presented. The technique of high precision optical fiber signal demodulation based on single side band sweep laser and the design of multi-parameter integrated optical fiber probe were introduced. The resolution of strain and temperature measurement of the fiber multi-parameter sensor system reached 4.7 \times 10^-10 and 6×10^-5 ℃ , respectively. A comprehensive multi-parameter earthquake observation experiment was carried out at the seismic station. The results show that the integrated optical fiber multi-parameter seismic observation system can simultaneously record the earth tide signal, seismic wave signal and environmental temperature disturbance, and has good anti-environmental interference ability and long-term stability, which is expected to provide a new technique for crustal deformation observation.     

基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究

在基坑开挖和支护过程中深部土体的水平位移监测是一项十分重要的工作。布里渊光时域反射计（BOTDR）是近年来国际上研发成功的一项新型的分布式光电传感技术。通过该技术,将传感光纤按照一定的工艺粘贴在埋置于土体中的测斜管上,由传感光纤实测的应变分布,可以实现深部土体水平位移的在线监测。通过室内的模型模拟试验,由实测的光纤应变可以准确地得到测斜管上任意一点的水平位移。结合南京市某深基坑进行的现场试验,探讨了基于BOTDR的分布式光纤传感器应用于基坑深部土体水平位移监测的具体施工工艺,验证了该技术在实际工程中应用的可行性。     

FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究

管桩施工过程中常出现桩身裂缝、爆桩等病害。将具有实时动态监测功能的布拉格光纤光栅（FBG）准分布式光纤传感监测技术和具有分布式监测功能的布里渊散射光时域分析技术（BOTDA）联合应用到管桩打入过程中的监测,提出了分布式光纤传感技术数据处理方法,设计了管桩打入过程的模型试验。试验结果表明,FBG传感技术能够较好地动态监测打入过程中桩身应变变化特征,反映桩身不同部位随不同深度应变变化规律;BOTDA分布式光纤传感技术能够较好地监测管桩在打入过程中暂停（接管）状态下桩身应变变化特征;根据应变变化分析管桩受偏心荷载程度,分析管桩是否出现裂缝、破坏等病害,研究管桩打入过程中桩土作用规律。试验结果还表明,FBG联合BOTDA光纤监测技术在管桩打入过程中监测管桩质量具有广阔的技术优势和应用前景。