FBG传感器在边坡工程中的结构安全监测研究

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目前,应变传感技术的发展已经非常成熟,因为应变是相对容易检测出的物理量。应变也是在边坡安全防护监测中的一个重要物理量。随着公路边坡工程数量的增加和建设速度的加快,边坡的防护要求越来越高,边坡的安全监测的要求也就越来越高。边坡的变形、滑坡等是边坡破坏的显著特征,因此针对边坡应变监测的研究有着重要意义。目前,国内已建和在建的大部分公路边坡都存在不同程度的质量问题。因此,及时有效的监测公路边坡的安全信息,并对公路边坡可能发生的质量问题进行及时准确的预测,可以保证边坡的安全运营,节省边坡病害成本,具有重大的经济效益和社会效益。光纤Bragg光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、测量范围广、传输损耗小、精度高以及实时性强等特点,特别适合需要实时监控的多参量(应变,温度,振动)的大型建筑如大坝、边坡、桥梁、公路。传统的检测技术可探明公路边坡内部的应力分布状态及边坡的地质情况,但难以实现对边坡内部性能劣化过程监测及病害预报,同时监测过程中对交通造成明显干扰。因此将光纤Bragg光栅传感器埋入监测孔内部,不仅可得到详细的结构应力场,同时可以得到边坡内部性能变化的过程,并对未来情况进行预报,从而可以保证监测系统的长期稳定性和准确性。本文基于澜沧某二级公路小澜边坡质量监测项目背景,开展了光纤Bragg光栅传感技术在边坡滑坡监测中的应用研究。主要包括以下几方面工作:1.研究分析了FBG温度传感器、埋入式FBG应变传感器的传感结构、传感模型和传感原理,利用FBG传感器易于组成传感网络的特性,将这几种FBG传感器组成传感网络,实现对公路边坡施工运行情况的长期监测,并对可能出现的病害进行预测报警2.研究分析了边坡现场变形、滑坡情况。通过采用强度折减系数法对边坡进行ANYSY仿真,理论上得出边坡结构应变的大体位置,将边坡内部结构的运动方向以及受力大小通过ANSYS进行仿真,从而确定传感器安放位置。对边坡整体的地质情况和内部应力分布情况进行了分析研究,研究表明,在边坡每个监测孔的不同位置安装应变传感器,可以实现对公路边坡内部应力分布情况和边坡整体性能变化情况的长期过程监测,保证边坡运行的稳定性和安全性。同时,研究分析了边坡环境温度的变化特点,在每个监测孔内2米、19.39米、29.45米的位置安装温度传感器进行温度补偿,降低了温度对FBG传感器检测精度的影响。3.针对边坡现场量测到的大量实时数据,利用与之相关的数学模型将FBG传感器反馈回来的波长值转换成待测参量值,如应变等,并以直观的曲线图展示待测参量的变化过程,为判断边坡的稳定安全情况提供依据。4.采用非线性回归分析的方法对监测数据进行拟合分析,首先,分别用对数函数、指数函数和双曲函数对光纤监测数据进行拟合,通过分析比较,对数函数的拟合效果最好,能够很好地反映其发展的变化趋势,为边坡结构稳定性判断提供依据。通过对数函数模型对边坡的各个断面进行拟合分析,实践表明,该方法可以对边坡的结构变化趋势进行判断,并对边坡可能发生的移位、滑坡等信息和破坏规律进行预测预警。
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