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。     

光纤光栅传感器在细石混凝土结构中的应用研究

光纤光栅传感器以其抗电磁干扰、质轻、耐腐蚀、信噪比高、易组成传感网络等优良的传感特性,成为近年来迅速发展的一种新型智能传感器,在结构试验与工程监测领域中有广阔的应用前景.本文首先介绍了光纤布拉格光栅应变传感器的测试原理以及光纤光栅传感技术在检测细石混凝土结构时采用的埋入工艺,并在上海旗忠网球中心整体静力试验中埋入了光纤光栅传感器,用于对细石混凝土模型受力全过程的应变测试.试验结果表明,光纤光栅传感器测试精度高,稳定性好,便于修复,完全能适用于细石混凝土的结构测试.     

松散层沉降光纤光栅监测的应变传递及其工程应用

 为了研究深部厚松散层失水沉降变形特征,建立光纤光栅–胶结层–封装材料及传感器封装材料–钻孔封孔材料–松散层的应变传递计算模型。通过对光纤光栅应变与松散层应变的传递分析,指出前人应变传递理论中所推导的公式不适用于松散层监测的应变计算,由此给出钻孔植入光纤光栅传感器的松散层应变传递计算模型,并分析影响松散层应变传递的因素,指出封孔材料弹性模量在8～15 GPa范围内时可以得到较高应变传递率。针对某矿松散层12个层位安装的24个光纤光栅传感器,采用该模型得出92.40～148.69 m范围内松散层变形沉降的应变监测结果。工程实践表明,该煤矿松散层埋深97.56～104.33,141.94～144.88 m处为最易出现压应力集中的区域,这与煤矿的实际情况、采用相关方法监测的结果基本一致。光纤光栅应变传递理论研究对推动光纤传感技术发展及其工程应用具有重要实践意义。     

大坝模型试验的光纤传感变形监测

考虑到大坝模型试验中内部变形难以监测的现状,研制了一种新型的基于光纤布拉格光栅(FBG)技术的光纤传感器.这种传感器为圆棒式结构,其表面沿轴向安装了准分布式的光纤布拉格光栅.对于大坝物理模型,该传感器可预埋入坝体和坝基的内部.当大坝受到油压千斤顶荷载产生变形时,该传感器类似于一根一端固定并同时受轴向拉、压和横向弯曲的弹性梁.根据弯梁原理,由光纤布拉格光栅测得的应变结果可反算出大坝沿水平向和竖向的位移分布.室内标定试验结果表明,该传感器测得的变形量与其他常规传感器的读数一致.在一个二维混凝土重力坝物理模型的超载破坏试验中,采用预埋于坝体、坝基内部的光纤传感器以及表面安装式位移计、电阻应变花对该模型进行实时的变形监测.试验结果验证了该光纤传感器在大坝模型内部变形监测中的有效性,同时也揭示了大坝在超载作用下的变形机制和破坏形态.     

受力模式对沥青混合料动态模量的影响

采用不同受力模式对3种沥青混合料进行动态模量试验,分析了受力模式、围压、应变水平等因素对沥青混合料动态模量主曲线的影响,通过Fillers-Moonan-Tschoegl模型和改进Sigmoidal模型建立了沥青混合料移位因子-围压和动态模量围压之间的函数关系式.结果表明:二次拟合可以消除沥青混合料动态模量主曲线上动态模量极值对移位因子计算模式的依赖;在相同换算频率时,沥青混合料单轴压缩、间接拉伸和四点弯曲动态模量有差别,在低温高频段更明显,但三者之间存在较好的线性关系;在高温低频段,围压对沥青混合料三轴压缩动态模量的影响较显著;沥青混合料四点弯曲动态模量对应变水平变化较为敏感.     

温度场与荷载对沥青路面车辙的影响及解决方案研究

研究温度场与交通荷载作用对沥青路面车辙变形的影响。通过实地测试沥青路面结构层内温度场分布,运用WITCZAK模型计算分析沥青路面结构层内混合料动态模量波动规律,并采用Bisar 3.0软件模拟计算不同荷载下路面结构层内的应力应变分布。研究结果表明,沥青混合料动态模量随路面温度场波动变化,高温下衰减量可达70%～90%。在温度场和荷载作用下,沥青路面上、下面层内应力应变明显。在路表向下温度递减的温度场下,路面上面层剪应变和竖向压应变等形变较大;在路表向下温度递增的温度场下,路面下面层剪应变和竖向压应变等形变较大。高温与重载的耦合作用易在上面层产生车辙变形;低温下长期荷载作用易在下面层产生车辙变形。在道路中下面层采用硬质沥青,并加强道路管理养护,可有效提升沥青路面的抗车辙性能。     

基于光纤传感的盾构隧道收敛变形监测研究

基于光纤光栅应变传感技术,建立了盾构隧道收敛变形的监测方法,提出了长标距光纤传感器的封装结构,建立了应变反演收敛变形的理论方法,通过室内足尺盾构模型试验,验证了所提方法的有效性,指出光纤传感在稳定性、耐久性等方面具有一定优势,应用前景广阔。     

光纤光栅传感器监测混凝土固化收缩实验研究

介绍了光纤光栅应变传感器的基本原理及优点,开发了基于光纤光栅技术的温度传感器与应变传感器,并对它们的工作特性进行了分析;应用裸光纤光栅和自制封装的光纤光栅传感器,监测了混凝土梁固化过程(2~16 h)中混凝土内部的温度变化,以及混凝土内部和钢筋表面的收缩应变.实验结果表明:在使用光纤光栅对混凝土固化期收缩应变监测时必须考虑温度的影响,要进行温度补偿,该监测方法是混凝土养护期恶劣环境条件下收缩应变监测的理想方法,可用于任意尺寸的大体积混凝土固化期温度应变的监测.     

应用光纤布拉格光栅监测悬臂梁的变形

提出应用光纤布拉格光栅传感器来测量悬臂梁在弯曲时的应变的新方法,将得到的实验数据和应变片检测的结果以及理论计算的结果进行比较,证明了光纤布拉格光栅传感器测量应变的精确性。     

光纤光栅传感器在混凝土变形及裂缝监测中的应用

介绍了一种自行研制的光纤光栅应变传感器及其工作原理,并对封装后的传感器进行拉伸标定试验,验证其准确性.而后利用这种光纤光栅传感器对常州客运中心地下工程混凝土板的内部变形及表面裂缝进行监测,进而研究掺入不同纤维的混凝土的体积稳定性及相关性能.试验结果表明,这种光纤光栅传感器的测量精度高、稳定性好,可用于地下工程混凝土板变形和裂缝的测量.     

光纤布拉格光栅应变测量在天津奥体中心工程中的应用

基于光纤布拉格光栅的应变测试原理,在天津奥体中心体育场的钢屋盖结构中,运用光纤布拉格光栅进行吊装和撤撑的长期应变测试,并详细介绍了等强度悬臂梁的测试和长期荷载试验,以及在天津奥体工程中的测试部位布置和传感器安装的过程.结果表明,用光纤布拉格光栅系统测试钢结构的拉应力是切实可行的.同时,使用光纤布拉格光栅对大型钢结构进行长期健康监测具有良好的发展前景.     

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。     

基于FBG的某客站轨道层混凝土施工监控

FBG(光纤光栅)传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等诸多其他传感器所不具备的优点,非常适合埋入混凝土结构进行温度及应变监测。采用埋入式光纤光栅应变传感器对大体积混凝土内部应变变化进行监测,可以直观、及时准确地获知结构状态,及时采取措施可以预防大体积混凝土结构的开裂。本文结合哈尔滨西客站P-Q-R轨道层大体积混凝土结构工程实例介绍了光纤光栅应变传感器在大体积混凝土施工阶段的应变监测中的应用。     

温度自补偿光纤光栅应变传感器研制及其在索力测量中的应用

光纤光栅应变传感器在测量过程中存在温度和应变交叉影响的问题,且温度对应力测量结果影响较大。为获得精确的应力测量结果,必须大幅度减少或消除温度的影响。目前参考光栅法或温度测量系数修正法,难获得理想的结果。文中提出以截面对称的悬臂梁结构作为敏感元件,利用其上下表面拉压异号等应变和温度变化同应变的原理,通过在悬臂梁上下表面对称粘贴两根光纤光栅,利用结果差来消除温度影响,并提高测量灵敏度。文中对此种温度自补偿新型光纤光栅应变传感器的传感性能进行了研究,并将此类传感器安装在拉索的锚具上进行索力测量。研究结果表明:研制的光纤光栅应变传感器,能大幅度降低温度的影响,达到温度自补偿的目的;将此类传感器用于索力测量,具有较高的精度及灵敏度,能满足工程应用的实际需要。     

光纤光栅传感器的无胶化封装及蠕变规律研究

为了进一步提高光纤光栅传感器在沥青混凝土路面结构监测应用的长期有效性,以沥青混凝土作为封装材料,在封装过程中以缠绕固定代替高分子粘结剂,使得传感器无胶化,并对光纤光栅传感器蠕变规律进行试验研究,得出光纤光栅传感器蠕变随时间变化规律,提出了避免蠕变现象对监测结果不利影响的建议。     

黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术

对光纤光栅波长变化与应变的关系进行了理论分析,并通过材料试验和等强度梁试验加以验证;研究了光纤光栅的布设工艺,并在黑龙江省呼兰河大桥预应力箱形梁的施工过程中成功地布设了12个光纤光栅应变传感器与3个温度传感器;布设的传感器监测了预应力箱形梁张拉过程的钢筋应变历程,以及箱形梁静载试验的钢筋应变增量与分布;大桥建成后,利用布设的光纤光栅应变和温度传感器对呼兰河大桥进行了阶段性运营监测,监测了车辆荷载下的应变历程和大桥温度变化过程。监测结果表明埋入的光纤光栅可以方便地监测汽车的流量及其可能的疲劳损伤,为桥梁结构的健康诊断提供依据。一年多的考验表明,光纤光栅的稳定性与耐久性满足钢筋混凝土桥梁结构长期健康监测的要求,性能明显优于传统的电阻应变片。     

基于离散元法的应变传感器与沥青混合料交互影响研究

为了提高传感器应变响应监测的可靠性和工作寿命,从细观力学角度开展了应变传感器与沥青混合料交互影响研究。基于离散元法,采用三维颗粒流程序,构建了内置应变传感器的沥青混合料试件模型,通过四点弯曲仿真试验分析了应变传感器与沥青混合料协同受力下,结构内部应力传递、力链分布和细观裂纹发展演化的规律。研究结果表明,通过监测配位数验证了PFC模型具有较高的可靠性和仿真度;埋置应变传感器降低了2.7%的基体结构强度,使最大拉应力由跨中梁底转移至应变传感器法兰位置处,并在应变传感器周边形成了应力集中效应,造成沥青混合料力学性能降低;应变传感器与沥青混合料协同受力下,结构内部拉伸裂纹表现出“快速增加、先增加后降低”的变化特征,拉伸裂纹占总裂纹的72.9%;“拉伸为主、拉-剪共存”是结构损伤破坏的发展形式。     

一种新型光纤光栅局部位移计在小应变测量中的应用

小应变下的土体模量的变化对基坑周围既有建筑物的变形和路基沉降分析具有重要意义。土体模量会随土体的应变呈非线性变化,特别是应变范围为10~(-5)~10~(-3),土体模量随应变的增加显著降低。由于土体应变的变化范围广,传统的单一测量仪器无法连续量测土体从微小应变到小应变的模量变化情况。通常测量土体小应变模量的方法有弯曲元和局部位移计方法。弯曲元方法能有效测量土体微小应变的模量,但不能得到土体模量在小应变情况下变化规律,因为弯曲元方法无法得到和控制土体的应变。设计了基于布拉格光纤光栅传感技术的局部位移计。通过设计和标定试验,成功将布拉格光纤光栅局部位移计应用于改装的三轴试验仪器中。为进一步的对比分析,在改进的三轴试验装置中安装了弯曲元试验系统。基于改装的三轴试验仪器,进行了不同围压下的固结不排水试验,得到了土体从微小应变到小应变下模量的变化曲线。试验结果验证了光纤光栅局部位移计能有效的测量土体在小应变情况下的模量非线性变化特征。     

沥青混合料剪胀行为研究

采用UTM 25多功能材料测试系统以及特制的径向应变测试装置进行沥青混合料的单轴等应变率压缩试验,分析了30,40,50,60℃下沥青混合料应力（轴向）、应变（轴向、径向、体应变）、加载时间之间的相互关系,研究了沥青混合料的剪胀机理.结果表明：沥青混合料剪胀性与温度相关.在沥青混合料体应变随加载时间变化过程中,当温度为30～50℃（低于沥青软化点）时,受荷沥青混合料初期表现为剪缩,随着加载时间的增大,很快表现为剪胀;当温度为60℃（高于沥青软化点）时,受荷沥青混合料一直发生剪胀,未出现剪缩.沥青混合料各向异性、沥青混合料颗粒单元体咬合松弛以及沥青对混合料的润滑作用（尤其当温度超过软化点时）,都导致了沥青混合料剪胀的产生.     

GTM方法设计沥青混合料低温性能研究

分别采用GTM方法和马歇尔方法对AC-13上、中、下限和AC-16中值等4种级配的沥青混合料进行了配合比设计,确定了最佳沥青用量。在室内测试了4种混合料在最佳沥青用量时的低温抗弯拉强度、低温应变和应变能等指标。试验结果表明:采用GTM方法设计的沥青混合料具有良好的低温路用性能。