基于光纤感测技术的受力杆件压缩和拉伸变形的监测方法与流程

本发明属于自动化监测技术领域，具体涉及一种基于光纤感测技术的受力杆件压缩和拉伸变形的监测方法。

背景技术：

目前基坑施工中，基坑边坡失稳造成的坍塌可能引发基坑及周边建筑设施的重大安全风险或事故。目前对基坑施工过程中的监测，多采用人工现场测量，通过全转仪、水准仪、读数仪等仪器，对施工现场进行监测，该方式往往需要花费技术人员大量的时间，导致无法快速获取数据，采用人工监测，其往往监测覆盖密度较小，无法满足预警的要求，并且无法保证测量人员的人身安全。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于光纤感测技术的受力杆件压缩和拉伸变形的监测方法，该监测方法通过在支撑杆件上布置准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆进行监测，从而监测判定支撑杆件是发生压缩还是拉伸变形。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于光纤感测技术的受力杆件压缩和拉伸变形的监测方法，其特征在于所述监测方法包括以下步骤：

（1）确定基坑围护结构中的待测区域；

（2）根据所述待测区域中的支撑杆件类型选择不同的安装方式：若所述支撑杆件为混凝土支撑，则沿所述混凝土支撑轴向布置准分布式钢筋应力感测光缆；若所述支撑杆件为钢支撑，则沿所述钢支撑轴向布置准分布式光纤光栅应变感测光缆；所述准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆的光纤引线与fbg解调仪相连接；

（3）所述fbg解调仪发出宽带光信号传输到所述准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆上并反射出一组不同波长的窄带光；

（4）当所述准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆随所述支撑杆件变化时，导致所述准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆的谐振波长漂移，经过所述fbg解调仪对反射的所述窄带光的波长进行识别，监测出所述窄带光的波长变化，以获得所述支撑杆件的应力变化；

（5）当所述准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆上的应力数值变大时，则说明所述支撑杆件上的对应位置发生拉伸变形；当所述准分布式钢筋应力感测光缆和/或所述准分布式光纤光栅应变感测光缆上的应力数值变小时，则说明所述支撑杆件上的对应位置发生压缩变形。

所述准分布式钢筋应力感测光缆包括若干沿所述混凝土支撑轴向间隔分布的钢筋应力计，各所述钢筋应力计经光纤串联；所述fbg解调仪对反射的所述窄带光的波长进行识别时，确定反射的所述窄带光所对应的所述钢筋应力计位置。

所述准分布式钢筋应变感测光缆布置于所述混凝土支撑内两根对称设置的主筋上，并在两根所述主筋上呈u型去回路分布。

所述准分布式光纤光栅应变感测光缆包括若干沿所述钢支撑轴向间隔分布的应变监测单元，各所述应变监测单元经光纤串联；所述fbg解调仪对反射的所述窄带光的波长进行识别时，确定反射的所述窄带光所对应的所述应变监测单元的位置。

所述应变监测单元在所述钢支撑上沿轴向间隔分布，每个所述应变监测单元包括至少四个光纤光栅应变计，所述光纤光栅应变计分布在所述钢支撑横截面的上、下、左、右四个位置，相邻所述光纤光栅应变计之间经光纤串联。

所述光纤光栅应变计焊接固定于所述钢支撑表面，包括封装于金属片或金属壳体中的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器。

本发明的优点是：

（1）相比于传统的点式监测法，利用光纤传感技术实现了准分布式监测，测量的方便度、灵敏度与精度得到了大幅提升，并且可以确定渗漏点，应用前景较大；

（2）检测光纤具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性，极易置入到待测物的表面或内部，实现对物体的高精度、无干扰测量；

（3）实现了对支护结构的实时监测，可以掌握受力杆件力变与形变的内在关系；为支护体系设计人员提供有效的量化参考数据，科学、合理地设计基坑支护体系打下了坚实基础。

附图说明

图1为本发明中在基坑围护结构内的监测结构布置示意图；

图2为本发明中准分布式光纤光栅应变感测光缆在钢支撑上的布置示意图；

图3为本发明中应变监测单元在钢支撑上的布置示意图；

图4为本发明中准分布式钢筋应力感测光缆在混凝土支撑上的布置示意图；

图5为本发明中所测得的支撑杆件轴力用于指导支撑杆件复加轴力的计算流程。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5，图中标记1-7分别为：基坑围护结构1、钢支撑2、准分布式光纤光栅应变感测光缆3、光纤光栅应变计31、光纤32、应变监测单元33、混凝土支撑4、准分布式钢筋应力感测光缆5、钢筋应力计51、光纤52、fbg解调仪6、处理系统7。

实施例：如图1-4所示，本实施例具体涉及一种基于光纤感测技术的受力杆件压缩和拉伸变形的监测方法，具体包括以下步骤：

（1）根据工程需要，确定基坑围护结构1中待测支撑杆件的区域，并根据需要确定各个固定环之间的间距；

（2）针对不同的支撑杆件类型，选用不同的安装方式：

若支撑杆件为混凝土支撑4，则沿混凝土支撑4的轴向布置准分布式钢筋应力感测光缆5，准分布式钢筋应力感测光缆5具体捆扎布置在混凝土支撑4内对称设置的两根主筋上，并构成u型去回路；准分布式钢筋应力感测光缆5包括若干间隔布置在主筋上的钢筋应力计51，相邻的钢筋应力计51经光纤52串联成串，且准分布式钢筋应力感测光缆5经光纤引线与fbg解调仪6（即光纤布拉格光栅解调仪）进行连接，而fbg解调仪6则经数据线与处理系统7相连接；

若支撑杆件为钢支撑2，则沿钢支撑2的轴向布置准分布式光纤光栅应变感测光缆3，准分布式光纤光栅应变感测光缆3包括若干沿钢支撑2轴向间隔分布的应变监测单元33，相邻的应变监测单元33之间经光纤32串联成串；需要说明的是，为了避免钢支撑2因偏载导致测的轴力不准确，每个应变监测单元33包括在钢支撑2横截面上环向（上、下、左、右）敷设的至少四个光纤光栅应变计31，通过在同一横截面上布置多个光纤光栅应变计31取平均值从而避免因偏载导致的轴力不准确；与此同时，光纤光栅应变计31焊接于钢支撑2上，具体包括封装于金属片或金属壳体中的光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器，通过增设光纤光栅温度传感器从而消除温变对于监测数据的影响；准分布式光纤光栅应变感测光缆3经光纤引线与fbg解调仪6（即光纤布拉格光栅解调仪）进行连接，而fbg解调仪6则经数据线与处理系统7相连接；

（3）在完成准分布式钢筋应力感测光缆5和/或准分布式光纤光栅应变感测光缆3在支撑杆件上的安装之后，利用fbg解调仪6发出宽带光信号传输到准分布式钢筋应力感测光缆5的各钢筋应力计51中和/或准分布式光纤光栅应变感测光缆3的各应变监测单元33中，折射率分布的周期性结构导致某一特定波长光的反射，经过这些检测光纤的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射；fbg解调仪6可接受反射回的窄带光并获知所对应的钢筋应力计51或应变监测单元33的位置；

（4）当支撑杆件发生应力变化时，位于其上的准分布式钢筋应力感测光缆5和/或准分布式光纤光栅应变感测光缆3也会相应的发生变化，导致谐振波长漂移，经过fbg解调仪6对反射回的窄带光的波长进行识别，监测出波长的变化，也即应力变化；

（5）根据监测到的应力变化数据，进行支撑杆件压缩和拉伸变形的判定；当检测到某组或多组钢筋应力计51或应变监测单元33的应力数值变大时，则说明支撑杆件上的该处发生了拉伸变形；当检测到某组或多组钢筋应力计51或应变监测单元33的应力数值变小时，则说明支撑杆件上的该处发生了压缩变形。

需要说明的是，如图5所示为本实施例中所测得的支撑杆件轴力用于指导支撑杆件复加轴力的计算流程，首先完成基坑围护结构1的施工，之后进行第一道支撑杆件的架设，在支撑杆件上布置准分布式钢筋应力感测光缆5和/或准分布式光纤光栅应变感测光缆3，监测获得该支撑杆件的应力变化以及轴力；之后开挖、架设第二道支撑杆件，根据监测获得的第一道支撑杆件的轴力将其复加至第二道支撑杆件的支撑计算轴力上；如此往复，直至开挖到基坑底部。

本实施例的有益效果在于：（1）基于光纤感测技术对于基坑工程，随着基坑开挖深度的变化监测支撑杆件受力变化后的拉伸、压缩量的数据变化，结合对支撑轴力变化的监测数据，可以为围护设计人员提供基坑围护设计人员提供支撑杆件力变与形变的相互关系；量化参考指标，从而优化基坑支护设计，确保基坑工程的安全。该监测项目是常规监测无法实施的新型监测技术；（2）相比于传统的点式监测法，利用光纤传感技术实现了准分布式监测，测量的灵敏度与精度得到了大幅提升，并且可以确定渗漏点，应用前景较大；（3）检测光纤具有体积小、精度高、重量轻、高灵敏度、高可靠性，极易置入到待测物的表面或内部，实现对物体的高精度、无干扰测量；（4）实现了对支护结构的实时监测，可以掌握受力杆件力变与形变的内在关系；为支护体系设计人员提供有效的量化参考数据，科学、合理地设计基坑支护体系打下了坚实基础。