基于BOTDA的砂土地基预应力管桩抗拔静载试验研究

针对砂土地基抗拔桩受力性能与荷载传递机理研究不足问题,将布里渊光时域分析(BOTDA)光纤传感技术应用于长江下游地区厚层砂土地基预应力管桩原位抗拔静载试验研究,采用特殊设计的桩身刻槽钻孔、光纤粘贴保护、接桩过程连续植纤等技术工艺,实现了预应力管桩在拉拔过程中桩身受力变形状态的分布式测量与数据精确定位。研究结果表明:在上拔荷载作用下,试验桩桩身轴力沿桩身方向逐渐减小;桩侧摩阻力在下桩发挥效果较好,上桩侧摩阻力较小,全桩长侧摩阻力最大值在桩底;抗拔桩随上拔荷载的增加,轴力逐渐向下传递,向下传递的轴力主要由预制管桩侧摩阻力承担;分布式光纤应变传感技术能较好地监测预应力管桩桩身贯入施工因素对抗拔承载特性的影响。研究结果可在其他类型抗拔桩受力特性监测项目中推广应用。

基于高空间分辨率BOTDA的土体沉降监测研究

地面沉降因其不易被察觉、成灾后果严重,一直都是当今危害较大的一种地质灾害问题.为了能够对地面沉降灾害做出有效预防,地面发生沉降时对土体进行位移监测尤为重要.分布式光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式监测而成为获取土体沉降位移信息的手段之一.在充分考虑直埋式应变传感光纤和周围土体沉降协调的基础上,运用厘米级高空间分辨率布里渊光时域分析(Brillouin optical time domain analysis,BOTDA)技术测量土体发生沉降时实验段光纤的应变分布,根据应变-位移计算模型将应变测值转换成位移信息,从而实现对土体沉降位移的测量,并与土体实际沉降位移进行了对比分析.实验结果表明,在光纤与土体耦合良好的阶段,沉降位移的实验测量结果与土体实际沉降位移之间符合较好;在光纤上布设地锚可以提高光纤与土体的耦合性能,进而获得更好的沉降监测效果;实验得到的纤-土沉降耦合变形程度划分标准可以用于定量评价沉降过程中光纤与土体的耦合程度.

基于BOTDA的混凝土结构裂缝识别试验研究及工程应用

为了研究BOTDA光纤传感技术用于混凝土结构裂缝监测的可行性,进行了高强钢筋活性粉末混凝土梁加载试验和公路隧道衬砌裂缝现场监测试验。通过在高强钢筋活性粉末混凝土梁的表面和内部同时布设分布式光纤,使用千斤顶施加多级荷载,获得了多级荷载作用下混凝土梁表面和内部的应变分布。通过对应变数据的分析,了解了混凝土梁从没有裂缝到出现裂缝以及裂缝发展全过程的应变变化规律。混凝土梁加载试验结果说明:基于BOTDA的光纤传感技术可以精准定位混凝土结构裂缝,而且光纤传感技术可以监测混凝土结构裂缝产生,发展全过程,满足全时全域的监测要求。在宜巴高速某隧道现场搭建BOTDA分布式光纤隧道衬砌裂缝监测系统,分析监测数据和现场实地勘察结果也验证了该系统用于监测裂缝产生,发展全过程的可行性。结果表明:裂缝产生的地方应变变化较大,应变差可达到800με以上,而且产生裂缝区域的应变差与没有产生裂缝区域的应变差相差较大,从应变差分布图中可以很明显地识别,建议后期将要建设的隧道衬砌的裂缝监测系统报警阈值设定为800με,若应变差超过800με,监测系统应进行报警,养护人员需要到现场进行查看并判断是否需要进行养护。

基于BOTDA技术感测的保护层开采下伏煤岩卸压效果试验研究

对保护层的开采过程进行卸压效果的动态监测是现场技术方案设计的关键技术支撑,本文以葫芦素煤矿21104工作面为工程背景,提出利用分布式光纤感测技术对卸压效果进行监测,分析工作面强矿压显现的类型及主要影响因素,从而设计出BOTDA技术感测系统及方案,研究采动过程中光感数据变化状态,揭示保护层开采下伏煤岩卸压动态效果,为BOTDA技术应用于保护层开采卸压效果监测提供可靠依据。

基于BOTDA光纤传感技术的SMW工法桩分布式测量研究

利用BOTDA分布式光纤传感技术,将普通H型钢改造成为具有自感知能力的桩体,使之能够在基坑开挖过程中自动获取H型钢翼缘应变、桩身弯矩、挠度等受力变形数据;通过对H型钢受力结构的分析,提出了不需要确定中性面位置的桩身弯矩连续计算方法,实现了桩身测量的温度自补偿。该技术在某基坑工程中的成功应用表明,它具有良好的现场适应性,可以对基坑安全进行远程实时监测,并具有分布式测量、温度自补偿等优点,可作为一种新型的基坑围护结构加以推广应用。

基于BOTDA光纤传感技术的盾构隧道变形感知方法

盾构隧道横断面收敛变形是评价隧道结构性态的重要指标。由预制管片拼装而成的盾构隧道,接头刚度显著低于管片刚度,因此,其横断面变形主要集中在接头张开及管片转动部位。针对盾构隧道横断面变形特点,提出考虑分布式光纤传感技术空间分辨率的点式固定方法,测量相邻管片接头两侧的相对位移。运用几何学原理,对管片接头张开、管片转动及隧道变形进行分析。通过2组不同轴力下的盾构隧道接头室内原型试验验证该方法,结果表明该方法可以有效感知盾构隧道横断面变形。采用该方法长距离布设光纤,可形成盾构隧道变形感知神经网络,提高监测密度,实现长距离、高密度、高精度、低成本的盾构隧道变形健康监测,从而保证地铁隧道的运营安全。

基于BOTDA的地下连续墙分布式变形监测技术研究

介绍了一种利用BOTDA分布式光纤传感技术,监测地下连续墙在基坑开挖过程中受力变形过程的方法。通过在地下连续墙钢筋和H型钢上布设分布式光纤传感器,使之能够在基坑开挖过程中自动获取桩身的应变、弯矩、挠度等数据;采用双线的测量方法,具有温度自补偿的能力。

FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究

管桩施工过程中常出现桩身裂缝、爆桩等病害。将具有实时动态监测功能的布拉格光纤光栅(FBG)准分布式光纤传感监测技术和具有分布式监测功能的布里渊散射光时域分析技术(BOTDA)联合应用到管桩打入过程中的监测,提出了分布式光纤传感技术数据处理方法,设计了管桩打入过程的模型试验。试验结果表明,FBG传感技术能够较好地动态监测打入过程中桩身应变变化特征,反映桩身不同部位随不同深度应变变化规律;BOTDA分布式光纤传感技术能够较好地监测管桩在打入过程中暂停(接管)状态下桩身应变变化特征;根据应变变化分析管桩受偏心荷载程度,分析管桩是否出现裂缝、破坏等病害,研究管桩打入过程中桩土作用规律。试验结果还表明,FBG联合BOTDA光纤监测技术在管桩打入过程中监测管桩质量具有广阔的技术优势和应用前景。

基于BOTDA的钢桥面铺装裂缝疲劳扩展研究

采用分布式光纤传感技术BOTDA研究钢桥面环氧沥青混凝土铺装层裂缝的疲劳扩展规律。通过由铺装层和钢板组成的带切口复合梁的室内三点弯曲疲劳试验,采用BOTDA监测铺装层裂缝疲劳扩展过程,得到铺装层启裂、裂缝扩展直至破坏的各级疲劳荷载作用次数以及埋设于各层的光纤应变值,给出以光纤应变ε为变量的铺装层裂缝扩展模型公式和铺装层裂缝的疲劳扩展规律,本研究成果为钢桥面环氧沥青混凝土铺装层的抗裂设计和抗疲劳设计提供理论基础。

基于BOTDA的温度和应变测试探讨

基于布里渊散射的分布式光纤传感系统同时具有远距离测量和高精度测量的特点,因此在土木工程监测领域中的运用越来越广泛。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系,可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率差,从而得到温度和应变信息,实现分布式测量。基于BOTDA的分布式光纤测量系统可以同时测量温度和应变,大大提高了光纤测量的效率。研究发现,在温度测试中光纤的保护层厚度制约了光纤测温的精度,对光纤保护层改进可以提高测温的准确性。在应变测试中,基于BOTDA的分布式光纤测量系统对应变测试可以很简便地进行温度补偿,简化了传统应变片测量中的温度补偿,提高了应变测量的准确性,具有很高的性价比。

BOTDA光纤传感技术在电力电缆测温中的应用探讨

分析并比较了现有电力电缆温度监测技术,针对现有技术存在的问题提出了利用BOTDA技术对电力电缆进行温度监测的方法。简单介绍了BOTDA传感原理,设计了基于BOTDA技术的电力电缆温度在线监测系统和变电站间电力电缆测温方案。探讨了传感光缆的布放和电力电缆在线测温系统的组网方式。

基于BOTDA的土工格栅加筋膨胀土湿胀干缩特性试验

为了研究土工格栅加筋膨胀土湿胀干缩特性,制作了玄武岩纤维土工格栅加筋膨胀土和素膨胀土矩形槽试样,将传感光纤布设在土工格栅上和土层中,进行了湿胀干缩试验,利用布里渊光时域分析仪(BOTDA),得到素膨胀土和土工格栅加筋膨胀土试样在湿胀干缩过程中的光栅应变,对比分析两种土样应变分布特征。试验结果表明:在膨胀土湿胀干缩过程中,随着含水率的变化,加筋膨胀土平均应变变化量和变形小于未加筋膨胀土,反映了土工格栅对膨胀土体变形的约束作用和抑制裂隙发展的效果。

基于BOTDA的ADSS光缆监测技术研究

分析了ADSS光缆的常见故障,针对传统的ADSS光缆监测方法存在测量距离短、精度低、难以实现在线监测等问题,提出了利用BOTDA技术对ADSS光缆进行在线监测的方法,设计了基于BOTDA的ADSS光缆监测系统,探讨了基于电力通信网的ADSS光缆监测网的组网方案。

基于BOTDA的光纤传感技术在边坡变形监测中的应用研究

BOTDA光纤传感技术在温度、应变测量上具有优于其他传感技术的测量精度、测量范围和空间分辨率。为了使该技术能成功地应用于地质灾害监测,本文一方面借助光纤传感技术应用研究基础探讨了该技术应用于边坡变形监测的若干技术问题,另一方面结合实际边坡变形监测工程,通过监测系统建设、监测效果分析和数据对比初步研究和证明了该技术在边坡变形监测中的可行性和有效性,同时对采用该技术在边坡变形监测过程中出现的问题进行了分析并提出了相应的解决方法。

基于FBG-BOTDA联合感测的岩层运动试验研究

为研究采场上覆岩层运动过程中的应力应变,将准分布式布拉格光纤光栅技术(FBG)和基于脉冲预泵浦布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术(PPP-BOTDA)联合应用于相似材料模型试验的测试中。在2 m平面应力模型内埋设2根分布式传感光纤和2个光纤光栅应变传感器,模型尺寸2 000 mm×180 mm×1 700 mm,几何相似比1∶250,测试主关键层由弯曲下沉发育至断裂的变形运动过程。试果表明,2煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了岩层的连续变形下沉,曲线中间位置出现应力集中;3煤开采过程中分布式传感光纤应变曲线体现了发生断裂的岩层运动,断裂后的岩层应力得到释放;连续变形下沉的岩层FBG传感器应变曲线呈宽缓峰状,应变值达到4 367.48με;断裂的岩层曲线呈尖峰状,最大应变值达到4 892.82με.实现了模型试验中主关键层由连续体转变为半连续体过程的实时监测。

基于BOTDA的光纤传感技术在抗滑桩变形监测中的应用

针对BOTDA光纤传感技术的特点和工作原理,结合目前滑坡监测的问题和要求,本文首次提出将BOTDA光纤传感技术应用到滑坡抗滑桩的内力监测中,通过在抗滑桩桩体内布置光纤传感器,监测抗滑桩在滑坡推力和混凝土收缩共同作用下的连续变形特征,并结合实例,探讨了光纤监测系统在人工挖孔桩中的建设方式,验证了BOTDA光纤传感技术在抗滑桩变形监测中的可行性和有效性,同时指出该技术在抗滑桩变形监测中应注意的问题。该原位监测手段克服了传统原位桩体内力、应变监测手段精度低、耐久性差、操作繁琐等缺点,具有广泛的应用前景。

风速对基于BOTDA架空导线覆冰监测有效性的影响

为了获得架空导线温度在不同气象条件下的变化特征和风速对基于分布式光纤传感技术的架空导线覆冰监测有效性的影响,文中建立了光纤复合相线覆冰的温度场三维模型,并采用了有限元方法进行求解,分析获得了光纤温度在不同的环境温度、风速和覆冰厚度下的变化规律特征。文中指出了覆冰段与未覆冰段光纤的温差与环境温度初始值大小无关,提供了单独考虑环境温度变化速率或覆冰厚度情况下的临界风速表达式,给出了常见范围内环境温度变化速率以及覆冰厚度下的临界风速值,基于风速值和插值方法可得到常见范围环境温度变化速率以及覆冰厚度下比较准确的临界风速。文中对研究覆冰架空导线在不同气象条件下的温度变化特征以及风速对基于分布式光纤传感的架空导线覆冰监测有效性的影响方面有着一定的参考价值。

BOTDA光纤传感技术在光纤环圈质量评估中的应用

在分析光纤环对陀螺整体性能影响的基础上,提出将BOTDA光纤传感技术用于光纤环质量检测。通过对光纤环的在线检测、热应力检测和骨架性能影响测试,能及时发现并消除光纤绕制中的应力尖峰及换层现象,消除由骨架、热应力引起的光纤应力曲线反转现象。

基于BOTDA的海缆监测系统振动信号降噪方法研究

搭建了基于布里渊光时域分析(BOTDA)的海底电缆(海缆)振动信号监测模拟实验系统,通过实验获得了锚砸、冲刷、摩擦3种工况下的海缆振动信号。针对振动信号含有大量噪声,提出TSA-VMD-MPE降噪方法。利用被囊群算法(Tunicate Swarm Algorithm,TSA)优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD),获取VMD分解层数与惩罚因子的最优值,对振动信号分解获得本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)分量;利用IMF与原始信号的相关性及IMF的方差贡献率联合来确定IMF的多尺度排列熵(Multi-Scale Permutation Entropy,MPE)阈值,对振动实验信号进行降噪。实验结果表明:所提降噪算法使3种海缆振动信号信噪比平均提高了12.0296d B;将提出的MPE阈值方法应用于EEMD与CEEMD算法也获得了良好的降噪效果。

基于BOTDA的OPPC温度和应力监测研究与应用

介绍了光纤布里渊光时域分析仪(BOTDA)的测量原理,设计了一种适合同时获取光纤分布式温度和应力应变的OPPC结构,提出了采用BOTDA在线监测该结构运行状态的技术方案。通过将该方案应用于110kV输电线路中,验证了方案性能,并分析了测量结果。