专利名称：定位和测量土木工程工作中的变形的方法
技术领域：
本发明涉及用于定位和测量土木工程结构中的变形的方法。
背景技术：
在建造高速公路或铁路路线的过程中，要进行大量的土木工程工作来支持公路或铁路的基础设施。但某些地带有未经确认的天然或人工洞穴。在此情况下，建造新公路或轨道时可能会出现意想不到的下陷，或者在其后的运作中，会因这类薄弱区域的超载、水的渗透、干旱和振动而引发严重事故。
为了避免这类事故，在进行土木工程工作之前必须先对地带进行系统探测。事实上，要对通常容易下陷的土地进行这类探测。
然而，有些本不易发生自然坍坡(岩崩)的地带以前曾被不为人所知的地下军事设施占用。
系统探测非常昂贵，此外，必须在指定的公路或轨道下面以及附近、彼此非常严密地进行系统探测，这样才能保证绝对的安全。
另外，即使某地段并不存在洞穴，在连续的潮湿期和干旱之后土壤仍可能在公路或铁轨的某些路段下会有不均匀的下沉，这种下沉可能导致地面下陷，下陷的幅度固然有限，但在用于高速列车的轨道的情况下尤其会对安全造成影响。
为了降低填实(路基)下陷的危险，人们通常会在土壤上和填实中铺设机织或非机织土工合成织物薄层(盖板)或带，以在土壤下陷的情况下加固填实。在此情况下，土工合成织物的线(纱线)承受着相当大的力，这会导致线伸长变形并导致线断裂，从而使填实发生坍塌。
为了检测预定义临界值下土木工程结构中的变形，FR 2 72 78 677提议在土工合成织物中并入平行线，所述平行线能够传输信号，并且被校准成在断裂值下预定义的伸长率。通过在线上发送信号并检测对所述信号是否存在响应，来测量所得到的变形临界值。
所述线可以是电线，也可以是光纤。可都通过线或不通过线来进行所述测量，并且只有将两组平行线彼此垂直放置才能对预定义临界值下的变形进行定位。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法，其使用一种带有单组线(优选铺设成与结构的长度平行)的土工合成织物，一方面能够对变形进行定位，另一方面能够在线断裂之前测量发生变形的线的伸长率。
本发明通过以下事实来实现其目的将至少一个装备有复数个能够传输信号的平行光纤的土工合成织物应用在结构中或结构下，其中所述光纤包括布拉格光栅(Bragggrating)，其均匀相隔并且分布在波长相同的一系列N1个连续光栅中，所述系列铺设在相同组中，每组具有波长不同的N2个连续系列；以及在至少两个光纤中，以使得传输到每个所述光纤的入射光的波长与布拉格光栅所反射的光的波长之间的差值测量一方面能够定位结构的变形，另一方面能够测量发生变形的所述光纤的伸长率的方式来确定一系列中的光栅数目N1与一组中的系列数目N2。
因此，本发明利用应变计中所用的、特别是WO 86/01303中所说明的布拉格光栅的已知特性。
在所有光纤中将布拉格光栅彼此成相等距离放置，但在至少一对光纤中系列或组的长度不同，从而允许通过确定相对于入射光的相应波长已发生扭曲的反射光的波长来对结构性变形进行简单的定位，其中所述变形的幅度表示相关位置中光纤的伸长幅度。
有利的是，在至少两个光纤中，一系列的光栅数目N1相等，且一组中的系列数目N2互为质数。
因此，举例而言，假设两个布拉格光栅之间的距离为1米，数目N1为10，则光栅系列延伸10米以上。再假设第一光纤中每组含有七个系列，并因此处理七个不同频率，而第二光纤中每组含有十个系列，数字10与7互为质数。因此，第一光纤组延伸70米，而第二光纤组延伸100米长。这两个光纤使我们能够精确地定位一总长度为700米的结构。如果土工合成织物进而含有第三光纤，其中布拉格光栅相隔1米且10个连续布拉格光栅成一系列，并且每组含有三个系列，数字3与7和10互成质数，则这三个光纤使我们能够精确地定位长度为2100米的结构中的变形。所述变形最近定位到10米，这对应于10个布拉格光栅为一系列的长度。这一精确程度完全适合于监视土木工程结构。
显然，两个光纤上的布拉格光栅的分布原则可以与以上所举的例子不同。
因此，举例而言，根据另一分布原则，在至少一个光纤中，一系列中的光栅数目N1与另一光纤中的一组的光栅数目相等。
举例而言，第一光纤含有由10个系列构成的一组，且每一系列含有100个相同的相隔1米的布拉格光栅。第二光纤含有若干个由10个系列构成的组，且每一系列含有10个相隔1米的布拉格光栅。这两个光纤能提供对1千米长的结构中的变形的准确定位。
本发明还涉及一种用于应用所述方法的土工合成织物。
根据本发明，这一土工合成织物的特征在于，其含有复数个平行光纤，所述光纤含有以若干个由对应于相同波长的N1个连续光栅构成的系列均匀间隔的布拉格光栅，所述各系列本身分布在由对应于不同波长的N2个连续系列构成的相同组中。
有利的是，在生产土工合成织物期间插入所述光纤。其应当优选地铺设在薄层或盖板的主要方向上，但必要时也可交叉铺设。
有利的是，所述光纤包含一个护套，用于保护其免受由于土壤中的侵害性媒介而引起的剪切破坏，并且保护其免受PH值较高的水(接触混凝土)及其他腐蚀性媒介的影响。
有利的是，将光纤铺设在所述土工合成织物的长度方向上。
通过阅读以下以实例方式且参照附图进行的说明，将明了本发明的其他优点和特征，其中图1是具有含布拉格光栅的光纤的土工合成织物的透视图；图2显示两个光纤中由不同系列构成的相同组中的布拉格光栅的第一分布形式；及图3显示两个光纤中不同组的相同组中的布拉格光栅的第二分布形式。
具体实施例方式
图1是土工合成织物1的透视图，其中土工合成织物1具有含低反射率布拉格光栅3的光纤2a至2e并且经设计用以加固土木工程结构(例如高速公路或铁路线的填实)。
布拉格光栅3(例如)以1m的距离沿光纤2a至2b均匀相隔，并且分布在包含数目为N1个相同光栅3的系列4中；换句话说，能够反射在缺乏应力的情况下具有明确确定的波长、并具有根据纵向施加在相应光纤上的应力而改变值的反射光的波长的那部分入射光。在图1所示的实例中，五个光纤2a至2b的系列4包含相同数目的N1个光栅3，并因此延伸相同长度。
对应于不同波长的若干连续的系列4构成光栅组5，并且沿光纤的整个长度重复。
土工合成织物1中至少有两个光纤包含具有数目为N2的不同组的组5，且我们甚至可以生产出一种土工合成织物1，其中所有光纤2a至2e均包含具有数目为N2的不同组的布拉格光栅组5。
数目N2优选互为质数，以提供对土工合成织物1的可能变形进行精确定位。
光纤2a及2b应当优选铺设在卷绕于卷盘上以供运输的土工合成织物1的长度方向上。
举例而言，使光纤2a至2e彼此成1米距离进行铺设。一旦土工合成织物1在土壤上铺平，光栅3便形成正方形网格。但在不超出本发明的范畴的情况下，所述网格不一定是正方形。但是，所述网格不应过宽，以允许在水平面中横截面较小的下层洞穴顶的偶然下陷上方检测到变形。
土工合成织物1通常约5.5米宽，如果要加固的土木工程结构的宽度大于土工合成织物1的宽度，那么要并排铺设若干土工合成织物带。这些带也可添加到要加固的结构中。
为了避免光纤2a至2b出现剪切破坏(例如土壤中的侵蚀剂所导致的破坏)，并且保护其免受水、高PH值和其他腐蚀剂的影响，将光纤2a至2e放置在适当的保护护套中。
光纤2a至2b在土工合成织物的一端连接到控制系统10，所述控制系统10包含用以在光纤2a至2e的核心中传输光的构件，用以测量由布拉格光栅3反射的光的频率的构件，用以测量在运作期间所反射的光的波长与在不存在应力时(即建造所述结构期间)所反射的光的波长的差值的构件，用以指示可能变形的位置与由于结构性变形而引起的光纤伸长率的计算构件，用以存储数据的构件，用以显示结果的构件，以及(必要时)用以发出报警的报警构件。
在图2及3中，用参考标记B、V、R、J和M来表示对应于预定的不同波长的光栅系列4。
在图2中，光纤2a含有若干个组5，其中组5含有参考标记为B、V、R、J和M的五个系列，且光纤2b含有若干个组5，其中组5含有参考标记为B、V、R、J的四个系列。
应注意，在对应于光栅3的二十个系列4的土工合成织物长度上，控制系统10应通过以下事实来识别出一个系列(例如左起第14个系列)中的变形光纤2a上标记为J的波长已发生偏移，且光纤2b上标记为V的波长已发生偏移，且两个波长的每个组合对应于一精确的系列位置。
在图3中，光纤2b中每组含有参考标记为B、V、R、J和M的五个系列，且光纤2a含有(例如)参考标记为B、V、R、J和M的五个系列，但光纤2a的每个系列的长度均等于光纤2b的一组的长度。
同样，在对应于光纤2b的二十五个系列和光纤2a的一组的土工合成织物长度上，通过对应于光纤2b上的每一系列的波长以及光纤2a上的相邻系列的波长，来精确地识别光纤2b的这一系列的每个位置(从图3中左起)。
控制系统10通过直接读取0与3％或4％之间的变形范围中由布拉格光栅3反射的光的波长，来定位和测量结构运作期间其中的任何变形所带来的光纤2a至2c经受的局部应力，并用来定位3％或4％与光纤断裂(根据所使用的光纤，其在约8％或更高的变形水平下断裂)之间的范围中的变形水平。
在铺设土工合成织物1并建造了结构或底层结构之后，进行初始测量来界定系统的基准状态。通过识别在土工合成织物1宽度方向上对准的所有光纤2a和2b的光栅3的波长，来找出光纤的每个光栅的位置。
在建造之后发生变形的情况下，在发生变形处布修改拉格光栅3所反射的光的波长，而其他布拉格光栅的波长保持不变。因此，我们可获得变形的位置和测量。
权利要求
1.一种用于定位和测量一土木工程结构中的变形的方法，其特征在于将含有复数个平行且能够传输信号的光纤(2a至2e)的至少一个土工合成织物(1)应用在所述结构中或所述结构下，所述光纤含有以若干个由对应于相同波长的N1个连续光栅构成的系列(4)均匀相隔的布拉格光栅(3)，所述系列本身分布在相同组中，每组含有对应于不同波长的N2个连续系列，且在至少两个光纤中，以使得在所述光纤的每一者中传输的入射光的波长与所述布拉格光栅所反射的光的波长之间的差值测量一方面能够定位所述结构所经受的变形，另一方面能够测量发生变形处的所述光纤的伸长率的方式，来确定一系列中的光栅的数目N1与一组(5)中的系列(4)的数目N2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在至少两个光纤中，一个系列(4)中的光栅的数目N1相等，且一组(5)中的系列(4)的数目N2互为质数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在至少一个光纤中，一个系列中的光栅的数目N1等于另一光纤中的一组中的光栅的数目。
4.一种应用根据权利要求1至3中任一权利要求所述的方法的土工合成织物，其特征在于其含有复数个平行光纤(2a至2e)，所述光纤含有以若干个由对应于相同波长的N1个连续光栅构成的系列(4)均匀相隔的布拉格光栅(3)，所述各系列(4)本身分布在由对应于不同波长的N2个连续系列构成的相同组(5)中。
5.根据权利要求4所述的土工合成织物，其特征在于所述光纤(2a至2e)包含一护套，用以保护其免受由于土壤中的侵害性媒介而引起的剪切破坏并免受腐蚀。
6.根据权利要求4或5中任一权利要求所述的土工合成织物，其特征在于所述光纤(2a至2e)铺设在所述土工合成织物的长度方向上。
7.根据权利要求4至6中任一权利要求所述的土工合成织物，其特征在于所述光纤是在所述土工合成织物的制造期间插入所述土工合成织物中的。
全文摘要
本发明涉及一种用于定位和测量土木工程结构中的变形的方法，所述方法的特征在于将含有复数个平行且能够传输信号的光纤(2a至2e)的至少一个土工合成织物(1)应用在所述结构中或所述结构下；所述光纤含有以若干个由对应于相同波长的N1个连续光栅构成的系列(4)均匀相隔的布拉格光栅(3)，所述各系列本身分布在相同组中，每组含有对应于不同波长的N2个连续系列；且特征在于在至少两个光纤中，以使得在所述光纤中的每一者中传输的入射光的波长与所述布拉格光栅所反射的光的波长之间的差值测量一方面能够定位所述结构所经受的变形，另一方面能够测量发生变形处的所述光纤的伸长率的方式，来确定一系列中的光栅的数目N1与一组(5)中的系列(4)的数目N2。
文档编号E02D33/00GK1938559SQ200480042528
公开日2007年3月28日 申请日期2004年3月24日 优先权日2004年3月24日
发明者菲利普·戴尔马, 阿兰·南希, 马克·富特, 约翰·弗莱肯, 埃尔斯·斯库布斯 申请人:法国昙卡土合成材料公司, 纤维光学感应器及感应系统公司