[发明专利]一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统及方法，主要用于测量岩土工程建筑物如地基、路面、隧道等发生的沉降，属于工程结构健康监测技术领域。

背景技术

沉降控制对于一些较大尺寸的岩土工程结构如隧道、地基基础以及铁路线路等等尤为重要。常规的沉降传感器(如液位沉降测量系统)可以用于测量不同类型建筑结构的沉降，目前现有的技术方法也较多。

对于基于光纤传感器的测量沉降，现有技术中已有一些基本的技术方法，如专利号CN103362114A公开的基于布拉格光纤传光栅传感技术测量填土不同层深的沉降，该类型传感器结构简单，可以测量不同深度以及不同点位的沉降量；专利号CN103968804A公开的基于低相干干涉技术的沉降测量系统，该系统利用扫描光程的变化反映地面沉降，可以大范围的布设于隧道、铁路路基、大型的地基等等；专利号202119406U公开的专利将光纤光栅传感器密封在悬臂梁表面，然后将此悬臂梁密封在一个小型的盒状体内部，并将其埋入土体内部以感知沉降大小。专利号CN20187656U与专利号CN103175508A公开的结合光纤光栅传感技术测量应变、位移以及压力等参数，将这些参数综合成一套预警系统。

上述现有技术的主要问题在于，因布拉格光纤光栅传感器是准分布的传感器，一般都是测量不同点位的沉降，所以不便于进行大范围连续的沉降监测。低相干干涉技术需要特制传感器线路，传感器成本较高，且布设中需要小心，防止传感器受损。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何基于光纤传感器进行大范围连续的沉降监测，同时降低监测成本，提高监测质量。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，其特征在于，包括：

测量模块，基于光纤传感技术测量埋设于地基以下的监测梁上下表面应变分布，利用有限差分的方法根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布；

信号模块，采集所述应变分布数据及地基的沉降分布数据，与预设的预警值比较，当所采集的数据超过相应的预警值时，发送预警信息给接收模块；

接收模块，接收信号模块传来的预警信息。

优选地，所述测量模块包括埋设于地基以下的监测梁，光纤波长不同的两种光纤传感器分别布设于监测梁的上、下表面，监测梁的上、下表面还设有预拉的裸光纤，光纤传感器及裸光纤通过室外用铠装光缆连接数据采集仪。

优选地，所述监测梁为正方形截面空心聚氯乙烯梁。

优选地，所述光纤传感器在监测梁的上、下表面等间距封装。

优选地，所述监测梁的上、下表面等间距设有用于布设所述光纤传感器的槽，所述光纤传感器设于该槽内且通过涂抹均匀的环氧树脂封装。

优选地，多个所述监测梁以并列的方式串联到一起，成阵列埋设于地基以下。

优选地，所述监测梁的上、下表面垂直于沉降发生的方向。

本发明还提供了一种基于光纤传感技术的地基沉降测量方法，其特征在于，采用上述的基于光纤传感技术的地基沉降测量系统，步骤为：

步骤1：布设监测系统

将多个安装有光纤传感器的监测梁以并列的方式串联到一起，埋设于地基以下；且各监测梁上的光纤传感器的波长不能重复；

步骤2：监测系统测试

利用光纤光栅解调仪对光纤传感器的波长进行扫描测试，保证所有光纤传感器工作良好；

步骤3：沉降分布计算

根据光纤传感器的波长测量值，计算监测梁上、下表面应变分布，利用有限差分的方法，根据所述应变分布计算监测梁的挠度分布，即获得地基的沉降分布。

优选地，所述步骤3中，利用有限差分的方法，根据监测梁上、下表面应变分布计算地基的沉降分布的具体方法为：

利用光纤传感器将监测梁划分成n个长度为h的小单元，假定f(x-h)，f(x)，以及f(x+h)分别为在监测梁上x-h，x和x+h位置的沉降，f′(x)和f′(x-h)为在监测梁的位置x和x-h处的左一阶偏导数，则有：

用相同的方法可以计算沉降的二阶导数如下：

公式(3)是二阶常微分方程，同时对于纯弯梁，在小变形的情况下，沉降或挠度的二阶导数与梁的曲率k相等，即k～d²f/dx²＝f″，而曲率k又可由下式表示：

同时考虑到以下的应变与弯矩以及梁的刚度的关系：