基于BOFDA的地面塌陷变形分布式监测模型试验研究

地面塌陷变形作为一种分布广泛的地质灾害已成为目前城市发展中亟待解决的一个问题。文章使用布里渊光频域分析(BOFDA)技术对地面塌陷变形进行分布式监测模型实验研究。利用自制的地面塌陷物理模型,对不同类型、不同厚度土体在塌陷过程中的变形进行分布式光纤监测,并对其试验结果进行对比分析。结果表明:基于BOFDA分布式光纤传感技术可有效捕捉到地面塌陷变形的发生和发展过程,并较为准确地反映出地面的塌陷变形规律。研究结果为该技术在地面塌陷变形监测的推广应用提供一定的参考依据。

基于BOFDA的砂—黏土互层垂向变形物理模型试验研究

地面沉降作为一种常见地质灾害对城市发展造成巨大威胁,有效监测土层的垂向变形过程是地面沉降防治的一项重要工作。文章采用布里渊光频域分析(BOFDA)技术,利用室内地面沉降模型,对砂黏土互层土体在排灌水循环中的垂向变形进行分布式监测,并结合固结压缩试验对土体的垂向变形进行分析。结果表明:黏土层为地面沉降的主要变形层;在排灌水循环中,土体也会经历地面沉降作为一种常见地质灾害对城市发展造成巨大威胁,有效监测土层的垂向变形过程是地面沉降防治的一项重要工作。文章采用布里渊光频域分析(BOFDA)技术,利用室内地面沉降模型,对砂—黏土互层土体在排灌水循环中的垂向变形进行分布式监测,并结合固结压缩试验对土体的垂向变形进行分析。结果表明:黏土层为地面沉降的主要变形层;在排灌水循环中,土体也会经历压缩—回弹的循环。此外,BOFDA分布式监测技术可以有效地捕捉砂—黏土互层土体在排灌水状态下的垂向变形情况,实现对地面沉降发育过程中土体垂向变形的实时监测。研究结果可为实现地面沉降的有效防治措施提供一定的参考依据。压缩回弹的循环。此外,BOFDA分布式监测技术可以有效地捕捉砂黏土互层土体在排灌水状态下的垂向变形情况,实现对地面沉降发育过程中土体垂向变形的实时监测。研究结果可为实现地面沉降的有效防治措施提供一定的参考依据。

BOFDA技术综述及用于岩土工程监测的可行性研究

布里渊散射光频域分析技术(BOFDA),是一套通过测量连续泵浦光和连续探测光相互作用后产生的布里渊散射光所确定的基带函数的脉冲响应,运用相关计算方法确定传感光纤上物理信息的综合系统。与其它分布式光纤传感器相比,BOFDA可在窄基带下操作,具有分布式、高信噪比、高空间分辨率、低成本、多频信号平行测量和处理、信号动态范围大等优点。本文对BOFDA用于测量应变和温度的基本原理进行了介绍,并对前人做的室内、现场试验进行了概括和总结。

海上超长PHC管桩BOFDA内力测试

布里渊光频域分析技术(Brillouin Optical Frequency Domain Analysis,BOFDA)是全分布式光纤感测技术中的一种,具有独特的测试与监测优势.将BOFDA应用于海上超长PHC(Prestressed High Strength Concrete)管桩内力测试,并在超长PHC管桩成桩过程中,就将传感光缆植入桩身中,可明显提高传感光缆的成活率和测试精度.现场测桩试验结果表明:在超长PHC管桩成桩过程中传感光缆的植入工艺是十分成功的,桩身轴力和侧摩阻力测试结果能够很好地反映桩身内力的分布变化规律,成效显著,为PHC管桩,特别是海上超长PHC管桩的内力测试提供了一种新的内力测试方法,值得推广.

土木与岩土工程监测新技术——BOFDA的性能与特点

在实验的基础上对新型分布式光纤监测技术——布里渊频域分析技术(BOFDA)的感测性能进行了测试与分析,其空间分辨率可达20cm,测试精度可达±2με,测试重复性为±4με;通过与布里渊光时域分析技术(BOTDA)测试性能的比较,对BOFDA的测试性能进行了评价,分析了应变过渡区产生的原因;通过BOFDA等强度梁实验,并与电阻应变片测试结果和理论计算值比较,证明了BOFDA优异的测试性能。最后,对BOFDA在各类工程防灾减灾监测中可能遇到传感光缆的保护及温度补偿问题进行了分析,并提出相应解决方案。

基于BOFDA的地下连续墙变形监测技术研究

为解决传统的位移监测技术多为点式,易出现漏检等问题,基于布里渊光频域分析(BOFDA)技术,进行地下连续墙变形现场监测的方法与技术研究,给出依据分布式光纤监测的应变数据换算地下连续墙变形的计算方法,并采用传感光缆直埋入地连墙的布设方式对墙体进行分布式、精细化的监测。将该技术和施工方法应用于软土地区某基坑工程进行验证,结果表明:BOFDA技术能够很好地反映墙体变形的发展过程,开挖深度大,地连墙最大应变位置发生下移,应变数据经过计算后将得到地连墙分布式的位移数据。

基于BOFDA和FEM的管道收敛变形模型试验

近年来,布里渊频域分析技术(Brillouin Optical Frequency Domain Analyzer, BOFDA)已被成功地应用到岩土体、地质及建(构)筑物结构的温度和应变监测中。介绍了BOFDA技术的原理,设计了管道模型的环向收敛变形模型试验,并将BOFDA技术成功应用到管道的环向收敛变形监测中。通过设计不同的感测光缆的布设工艺,对比不同的传感元件和布设工艺之间的性能差异。实验获取了不同围压下管道的收敛变形值以及管道的环向应变,建立了同比例Finite Element Modeling(FEM)模型,模拟各实验情况下管道的各项性能指标,并将数值计算结果与实测结果相对比。对比分析表明,基于BOFDA技术的分布式光纤传感器测得管道外表面为压应变,内表面为拉应变,其监测数值及规律与FEM模拟分析结果表现一致。据此得出:BOFDA技术可有效地应用于管道的环向收敛变形监测,可定性的定位管道应力集中位置及定量的获取应力应变数值。实际工程中,该技术可在管道及隧道的受力变形监测领域推广应用。

基于BOFDA的感测光纤温度系数影响因素研究

在使用感测光纤对被测物应变进行监测时,由于光纤中的布里渊散射光对温度和应变同时敏感,所以当温度影响需要剔除时,通过探究光纤温度系数影响因素来进行合理的温度补偿就显得尤为重要。基于布里渊光频域分析技术(BOFDA),针对8种不同光纤的护套、涂覆层、附着基质等因素,研究了分布式光纤的温度系数影响因素。结果表明,涂覆层对光纤温度系数的影响可忽略不计,护套热膨胀会带动裸纤的变形使其温度系数增大,Hytrel、聚氨酯两种护套材料会在45℃软化失去对裸纤的影响;光纤附着基质为非金属材料时,光纤温度系数由裸纤、护套、基质三者共同决定;当基质为金属材料时,光纤温度系数仅由裸纤和基质决定;据此提出了一种对感测光纤整体进行温度补偿的新思路,即当温度变化ΔT时,可用温度系数来表示实际计算时需要剔除的布里渊频移量。

基于BOFDA的覆岩采动“两带”变形表征研究

为研究荫营矿150313工作面两带高度的光纤应变表征方法,分析了BOFDA的应变监测原理,建立了光纤应变表征冒落带和裂隙带岩层变形的力学分析模型,详细分析和讨论了两带范围内岩块位移变形时水平光纤、垂直光纤的应变变化特征,得出光纤应变变化和岩层破断垮落强度、垂直位移量成正相关关系;光纤应变突变点表征了岩块的破断垮落位置,光纤应变突变点之间的范围表征了岩层变形的范围。并进行了基于BOFDA技术的平面模型相似模拟试验,试验结果表明,两带发育规律和BOFDA光纤应变曲线有明显的对应关系:垂直光纤应变不仅表征了采动两带在采场横三区横向演化过程的变形特征,还表征了岩层垮落的高度和垮落强度;水平光纤应变曲线不仅表征了两带范围内岩层的垮落范围和垮落强度,其多级凸台曲线同样表征了采场横三区岩层破断垮落的不均衡性。相似模拟试验得到该工作面的实际冒落带高度和裂隙带高度,与理论计算数值吻合,符合该矿实际情况。研究结果为BOFDA技术在上覆岩层变形的物理模型试验中应用提供了可靠依据。

分布埋入式光纤与隧道衬砌耦合性能试验及应用

为探究埋入式光纤与隧道衬砌的耦合性能,分别从理论与试验两个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤、中间体和基体结构力学分析模型,进行光纤应变传递机制理论分析,计算了光纤应变传递效率;使用钢筋混凝土梁模拟隧道衬砌,进行了2组不同加载速率的试验。其中,在同一根梁内(同一工况)设计6种光纤的布设方式,以位移控制的方式在梁跨中部位进行单点多级加载,使用BOFDA(布里渊散射光频域分析)技术分别对6条光纤进行监测。试验结果表明:6条光纤均可以有效监测梁从开始加载至钢筋开始屈服阶段,光纤与梁耦合性最好;钢筋开始屈服直至梁破坏阶段,光纤应变不再增加甚至减小或呈现出光纤断裂的状态,此过程光纤与梁耦合性较差;除开槽埋入式光纤的有效监测应变差为3000×10-6外,其余布设方式光纤有效监测应变差为2000×10-6;光纤在长距离(>>146 mm)埋入式布设情况下可认为其应变传递效率接近100%,2组不同试验结果呈现相似规律。在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间进行了工程应用研究,监测结果表明分布埋入式光纤布设工艺是可行的,可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供有价值的参考。

定点式布设光纤在隧道结构健康监测中的预拉应变损失研究

基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布式光纤监测技术已在岩土工程领域得到初步应用。应变监测结果显示:将光纤进行预拉布设后,随着时间的推移,光纤预拉段会产生一定的应变损失。应变损失的产生主要是由光纤的疲劳特性所造成的。显然,光纤因疲劳产生的应变损失对于工程监测是极其不利的,在实际监测中需要将其剔除。针对分布式光纤监测技术,选取HY料新型紧套应变光纤、聚氨酯紧套光纤2种应变光纤,在实验室进行了点固定式预拉布设(10 000×10-6),并进行了8个月的应变损失监测。对比分析2种光纤的预拉应变损失的差异,获得了光纤应变损失随时间的变化规律,以及预拉状态下的光纤在温度和湿度升高状态下应变损失的速率变化。研究了运用分布式光纤监测技术进行隧道变形监测的点固定式预拉布设方法,可为工程应用提供理论基础和施工指导。

植入式光纤传感器在隧道结构中的边界效应研究

为探究植入式光纤传感器与隧道衬砌的应变传递的边界效应,分别从理论、试验和现场应用3个方面进行研究,并在实际工程中进行了验证。构建了光纤在混凝土衬砌中的应变传递模型,进行光纤应变传递机制分析,计算了光纤应变传递效率,并与数值计算结果对比,验证了力学计算模型的准确性。使用钢筋混凝土梁模拟隧道的混凝土衬砌,在其表面植入分布式光纤,进行了2组试验。对试验梁进行分级加载并使用BOFDA技术对光纤进行测试。试验结果表明:植入式光纤传感器存在边界效应,结构两端为光纤的低效率应变传递区,不能完全传递试验梁的应变;试验梁中部为光纤的高效率应变传递区,能够完全传递试验梁的应变。基于以上研究成果,在北京市新机场线地铁暗挖隧道CRD工法区间,采用植入式工艺在隧道衬砌内布设了分布式光纤传感器,进行了工程应用研究。监测结果表明,边界效应对工程监测结果影响很小,分布埋入式光纤布设工艺是可行的。该研究可为分布式光纤技术在地下工程结构监测中的应用提供参考。

一种海上风电大直径超长钢管桩的内力测试方法

桩身内力是静载试桩研究中一项重要的测试参数,对工程设计的优化、施工工艺的选择起到至关重要的作用,关系到工程成本、工程安全。对于复杂的海上风电大直径超长钢管桩的内力测试,传统的方法存在传感器成活率低、测试间断、精度差等缺陷,因此引入了基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术--BOFDA法。通过实例验证,该方法测试数据连续、测试距离长、抗干扰能力强,分析得到的侧摩阻力可作为优化桩长的重要依据,为相关测试研究提供参考与指导。

基于布里渊散射的分布式光纤传感器的发展

介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前的进展及趋势。给出了基于布里渊散射的分 布式光纤传感器的原理,介绍了基于光纤光时域反射的BOTDR、BOTDA和BOFDA的分布式光纤传感器,以 及基于受激布里渊散射能同时测试应变和温度的分布式光纤传感器,并指出了遇到的问题。使读者详细 了解基于布里渊散射的分布式光纤传感器当前的进展及发展趋势。

布里渊分布式光纤传感技术进展及展望

布里渊分布式光纤传感技术是目前国际上传感器研究最活跃的热点课题之一。介绍了其传感机理,综述了多年来基于布里渊散射信号的分布式传感技术的研究动态和新进展,分别分析了布里渊时域反射计、布里渊时域分析技术、布里渊相关时域分析技术以及布里渊频域分析技术的基本原理和研究进展,介绍了目前该领域的最新研究成果。简述了需进一步开展的工作及研究方向,并对其未来发展方向进行了展望。

基于分布式光纤传感技术的地铁基坑支撑的力学性能研究

开展围护结构和支撑体系的监测对于控制基坑开挖变形、保证结构安全具有十分重要的意义。传统传感器监测多为点式测量,其自动化程度低、测量值与实际值误差大、难以发挥传感器工程预警的作用。基于布里渊散射光频域分析技术(Brillion Optical Frequency Domain Analysis,BOFDA)的光纤传感器具有空间分辨率高、精度高、信噪比高的优势。通过在4根原有传统钢筋计支撑上布设分布式光纤传感器,文章对布里渊散射光频域分析技术(BOFDA)与传统监测手段进行了对比,分析了支撑体系全断面受力特性,探讨了分布式光纤感测技术在基坑工程监测中的优势。研究结果表明:分布式光纤传感器可反映不同开挖工况下支撑轴力变化规律以及支撑通长方向轴力的不均匀性,实现支撑体系的全断面受力分析以及基坑开挖过程的安全预警。

布里渊散射分布式光纤传感器研究现状与展望

布里渊散射分布式光纤传感器在结构健康监测领域具有广阔的应用前景。阐述了布里渊散射分布式光纤传感器的原理,分析了基于布里渊光时域反射、布里渊光时域分析和布里渊光频域分析的分布式光纤传感技术的研究现状,提出了布里渊散射分布式光纤传感器的研究热点及存在的问题,并对其发展趋势进行了展望。

Case studies of high-sensitivity monitoring of natural and engineered slopes

High-sensitivity monitoring solutions are crucial for early warning systems of earth structures. In this paper, we discuss the design and implementation of such systems for natural and engineered slopes using two case studies. At the Gradenbach Observatory, one key element of the monitoring system is a large fiber optic strain rosette embedded in the slope. We demonstrate that the strain rosette can depict landslide deformations much earlier than geodetic sensors like GPS or total stations and is therefore well suitable for an early warning system. In a second application we report the construction of a reinforced earth structure using geogrids. A distributed fiber optic measurement system was installed to measure the current operating grade of the geogrids within the earth structure. About 2 km of Brillouin sensing cables were installed in the project area. It is demonstrated that the developed monitoring system is well suited for assessing the current state of health of reinforced earth structures.

分布式光纤感测技术在成都地区旋挖成孔灌注桩桩身内力测试中的应用

采用布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术(BOFDA)在单桩竖向静载荷试验的同时对旋挖成孔灌注桩进行桩身内力测试,通过测试得到桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布及桩端阻力的大小及分布规律,为优化基桩设计和指导基桩施工提供技术依据和建议。文章的研究成果表明,成都地区软岩中旋挖成孔灌注桩按嵌岩桩设计严重低估了侧摩阻力的作用,有很大的优化空间。

基于光纤传感的盾构输水隧洞内压加载原位试验研究

高水压作用下水工隧洞衬砌结构的承载特性及破坏机理复杂,借助现有的监测技术难以准确评价其工作状态.针对珠江三角洲水资源配置工程,开展了以“外衬管片-自密实混凝土-内衬钢管”叠合衬砌结构为研究对象的现场原位试验.采用分布式光纤感测技术对内压加载过程中叠合衬砌结构力学性能特征进行了深入探究.试验结果表明:在内压逐步增加的条件下,隧洞衬砌的应变发展呈现非连续阶跃的特征;内衬钢管环向应变起伏变化均匀、平缓,整体基本处于弹性工作状态;衬砌结构中的自密实混凝土在内压作用下由弹性变形进入弹塑性变形状态,且在管片拼接缝位置处出现裂缝;外衬管片在均布内压作用下呈现非均匀性的膨胀变形,且管片接缝张开显著区域主要分布于隧洞拱顶位置.研究结果从应变演化的角度揭示了叠合衬砌结构承载特性及破坏机理,充分验证了分布式光纤感测技术在输水隧洞结构健康监测中的巨大应用潜力.