基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测设备与方法与流程

1.本发明涉及道路健康监测及防护领域，具体涉及一种基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测设备与方法。


背景技术：

2.在人类工程活动和环境气候转暖的双重背景下，多年冻土地区出现冻土地温升高、活动层厚度增加、冻土面积减少，进而导致热融变形等工程灾害逐年增加，特别是对于公路工程而言，由于黑色路面的强吸热作用，对路基下伏多年冻土层的扰动更为剧烈，路基病害更为严重。多年冻土地区公路的变形病害主要是由于多年冻土的冻融变化所引起，大体表现为局部变形变位大、纵向形态变化急剧、病害分布范围广，以往的监测方法存在方案不具体、手段落后、介入时机过晚等突出问题，且传统的点式监测传感只能监控部分关键部位，无法兼顾到其余需要测试部位，进而导致监测内容不能完全反映出路基灾变分布范围广的实际演化过程以及灾害大变形的发展程度。
3.针对以上问题，围绕冻土路基变形场监测这一关键技术，开展面向区域化、韧性化、自动化的灾害监测方法设计，基于光纤监测技术具有重量轻、抗恶劣环境、抗电磁干扰、在传感点无需用电的优点，设计一种基于布拉格光栅光纤监测技术的大量程、高精度、高韧性光栅光纤阵列位移传感器，根据克里金空间插值方法，提出传感器优化布置方法，确定最优传感器布设间距，给出冻土路基变形场的长期动态监测与解译方法，提出冻土路基变形场的自动化组网监测体系。
4.目前，单点位移计、光纤光栅静力水准仪等传统的单点式监测技术广泛应用于路基沉降变形监测，新型监测方法如三维激光扫描以及卫星雷达干涉技术也逐步得到应用，点式监测手段对于传感器的布设间距和布设形式均根据工程经验提出，难以对路基场变量进行监测，新型监测手段受限于成本，难以对路基场变量进行长持时的观测，并且仅能开展路基表面形变监测，针对路基三维变形场的长持时、自动化、低成本监测方法仍处于探索阶段。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测设备与方法，适用于冻土路基变形场的长期稳定监测，形成适应大变形的高精度、高韧性光栅光纤阵列传感器，形成传感阵列组网自动化监测方法，可为冻土路基的稳定性和安全性评价提供数据支撑。
6.本发明所采用的技术方案为：
7.基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测设备，其特征在于：
8.所述设备包括高压液压管、高精度光栅光纤压力传感器、铠装连接光纤、基准传感器和光纤解调仪；
9.高压液压管横向埋置于道路路基中并分节段布置，高精度光栅光纤压力传感器通
过卡箍式三通设置在各节段的高压液压管之间令高压液压管形成密封管体，高压液压管中充注有防冻液；
10.基准传感器和光纤解调仪设置于道路路基外侧，基准传感器设置在高压液压管终止端，高精度光栅光纤压力传感器和基准传感器通过铠装连接光纤依次连接并接入光纤解调仪。
11.高压液压管的起始端设置有塞头，基准传感器通过卡箍式三通在终止端与高压液压管连接，卡箍式三通另一端设置有塞头。
12.高精度光栅光纤压力传感器连同其位置处的高压液压管和铠装连接光纤均封装于沉降盒中。
13.沉降盒内设置有用于固定高精度光栅光纤压力传感器和高压液压管的半环形卡扣，高压液压管的上下两侧设置有小滚轮；
14.沉降盒两侧设置有高压液压管和铠装连接光纤的穿孔，沉降盒内设置有沉降盒内部加肋。
15.沉降盒以外部分的高压液压管和铠装连接光纤外设置有pvc管，多余的高压液压管盘放于液压管盘槽内。
16.高压液压管在路基中横向设置多道，各高压液压管均汇总接入一个终止端并配置一个基准传感器；
17.各高压液压管上的高精度光栅光纤压力传感器通过铠装连接光纤和fc/apc接头接入同一个光纤解调仪。
18.高精度光栅光纤压力传感器横向布设间距为2m，纵向布设间距为4～6m。
19.基准传感器设置在道路路基外侧的砼基础之上。
20.通过所述的设备实施的基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测方法，其特征在于：
21.所述方法包括以下步骤：
22.步骤一：将设备中高压液压管起始端用塞头进行密闭封堵，在终止端注入防冻液后进行管体打压测试后用塞头进行密闭封堵；
23.步骤二：将铠装连接光纤的一个端头通过fc/apc接头接入光纤解调仪，测量光栅光纤埋设后的初始波长值，计算出高精度光栅光纤压力传感器埋设位置处的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感器的液位差，即为路基此时的相对沉降变形；
24.步骤三：提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译形成测量标高位置处的路基沉降变形场。
25.设备的布置过程为：
26.步骤一：道路路基施工至监控量测标高后沿横断面放线测量，确定路基横纵向光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设的具体位置；
27.步骤二：通过机械开挖出传感设备布设沟位，开挖深度30cm，将沟槽底部整平后垫5cm细砂，依次布设每个横向断面的传感设备；
28.步骤三：在传感设备布设完成后，对铠装连接光纤的完好程度进行检测，确保传感器全部存活；
29.步骤四：将铠装连接光纤和高压液压管汇总于节点位置，节点位置处布设基准传
感器，于天然地面位置处浇筑砼基础，将基准传感器固定于砼基础上，再次对所有铠装连接光纤的完好程度进行检测；
30.步骤五：将路基开槽位置回填，采用机械整平，完成光栅阵列式路基沉降监测传感设备铺设。
31.本发明具有以下优点：
32.(1)本发明提出的光栅光纤阵列传感器可以实现高精度、可变大量程、高耐久的沉降变形监测，传感器组件可以适应外部大变形而不致破损，从而有效地监测冻土路基的不均匀变形场。
33.(2)本发明基于普通克里金空间插值模型进行传感器布局优化和冻土路基变形场监测，在兼顾监测成本时，可以实现基于有限传感布设的冻土路基变形场监测。
34.(3)基于传感器优化布设的冻土路基变形场监测方法可以给出合理预测精度、预测误差的冻土路基变形场解译方法。
35.(4)本发明构建的传感阵列一体化监测方法，可以实现可扩充、可复制的传感组网监测。
36.(5)本发明提出的光栅光纤阵列传感器组网监测系统丰富了冻土路基变形场监测方法及路基病害检测方法。
37.(6)本发明的所有系统安装便捷、操作简单、设备体积小，易于在工程现场开展工作且可以在短时间内掌握。
附图说明
38.图1为光栅光纤位移阵列传感设计图；
39.图2为冻土路基变形场监测横向布设方案；
40.图3为冻土路基变形场监测纵向布设方案；
41.图4为沉降盒内部构造剖面图；
42.图5为液压管盘内部构造剖面图；
43.图6为横向传感器优化布设计算结果；
44.图7为纵向传感器优化布设计算结果。
45.图中，1—高压液压管，2—高精度光栅光纤压力传感器，3—卡箍式三通，4—沉降盒，5—pvc管，6—液压管盘槽，7—铠装连接光纤，8—塞头，9—基准传感器，10—砼基础，11—道路路基，12—天然地面，13—光纤解调仪，14—盘槽底部高压液压管，15—盘槽顶部高压液压管，16—环形弹簧，17—环形抱箍，18—限位槽，19—小滚轮，20—半环形卡扣，21—沉降盒内部加肋。
具体实施方式
46.下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。
47.本发明涉及一种基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测设备，所述设备包括高压液压管1、高精度光栅光纤压力传感器2、铠装连接光纤7、基准传感器9和光纤解调仪13；高压液压管1横向埋置于道路路基11中并分节段布置，高精度光栅光纤压力传感器2通过卡箍式三通3设置在各节段的高压液压管1之间令高压液压管1形成密封管体，高压液压管1中
充注有防冻液；基准传感器9和光纤解调仪13设置于道路路基11外侧，基准传感器9设置在高压液压管1终止端，高精度光栅光纤压力传感器2和基准传感器9通过铠装连接光纤7依次连接并接入光纤解调仪13。
48.高压液压管1的起始端设置有塞头8，基准传感器9通过卡箍式三通3在终止端与高压液压管1连接，卡箍式三通3另一端设置有塞头8。
49.高精度光栅光纤压力传感器2连同其位置处的高压液压管1和铠装连接光纤7均封装于沉降盒4中。沉降盒4内设置有用于固定高精度光栅光纤压力传感器2和高压液压管1的半环形卡扣10，高压液压管1的上下两侧设置有小滚轮19；沉降盒4两侧设置有高压液压管1和铠装连接光纤7的穿孔，沉降盒4内设置有沉降盒内部加肋21。
50.沉降盒4以外部分的高压液压管1和铠装连接光纤7外设置有pvc管5，多余的高压液压管1盘放于液压管盘槽6内。
51.高压液压管1在路基中横向设置多道，各高压液压管1均汇总接入一个终止端并配置一个基准传感器9；各高压液压管1上的高精度光栅光纤压力传感器2通过铠装连接光纤7和fc/apc接头接入同一个光纤解调仪13。高精度光栅光纤压力传感器2横向布设间距为2m，纵向布设间距为4～6m。基准传感器9设置在道路路基11外侧的砼基础10之上。
52.通过上述设备实施的基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测方法，包括以下步骤：
53.步骤一：将设备中高压液压管1起始端用塞头8进行密闭封堵，在终止端注入防冻液后进行管体打压测试后用塞头8进行密闭封堵；
54.步骤二：将铠装连接光纤7的一个端头通过fc/apc接头接入光纤解调仪13，测量光栅光纤埋设后的初始波长值，计算出高精度光栅光纤压力传感器2埋设位置处的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感器9的液位差，即为路基此时的相对沉降变形；
55.步骤三：提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译形成测量标高位置处的路基沉降变形场。
56.其中，设备的布置过程为：
57.步骤一：道路路基11施工至监控量测标高后沿横断面放线测量，确定路基横纵向光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设的具体位置；
58.步骤二：通过机械开挖出传感设备布设沟位，开挖深度30cm，将沟槽底部整平后垫5cm细砂，依次布设每个横向断面的传感设备；
59.步骤三：在传感设备布设完成后，对铠装连接光纤7的完好程度进行检测，确保传感器全部存活；
60.步骤四：将铠装连接光纤7和高压液压管1汇总于节点位置，节点位置处布设基准传感器9，于天然地面12位置处浇筑砼基础10，将基准传感器9固定于砼基础10上，再次对所有铠装连接光纤7的完好程度进行检测；
61.步骤五：将路基开槽位置回填，采用机械整平，完成光栅阵列式路基沉降监测传感设备铺设。
62.本发明的工作机理为：
63.利用高精度光栅光纤压力传感器与高压液压管组成的传感器实现冻土路基变形场的测量与解译，即以高压液压管中的液位压差作为间接测量变量，将高精度光栅光纤压
力传感器封装于沉降盒内，当土体与沉降盒发生，沉降盒所在位置处高压液压管液压发生相对变化，通过该位置与基准位置之间的液位压差反算出相对高差的变化，得到相对沉降变形。本发明基于克里金空间插值模型进行高精度光栅光纤压力传感器空间优化布设，提出以横向间距l1＝2m、纵向间距l2＝4～6m的冻土路基变形场一体化监测布设原则，能在合理预测精确度与有限成本范围，能实现高精度、大范围、大变形的冻土路基变形场实时监测与解译，改善了传统冻土路基监测方法“应测而未测，测而不全面”的现状，形成面向区域化、韧性化、自动化的冻土路基变形场监测技术，提出的光栅阵列式路基沉降监测传感设备系统安装便捷、操作简单、设备体积小，易于在工程现场开展工作且可以在短时间内掌握。
64.参见附图对本发明进行进一步详细的说明：
65.所述设备包括：21mm高压液压管1、高精度光栅光纤压力传感器2、卡箍式三通3、250mm
×
250mm
×
50mm沉降盒4，50mmpvc管5，液压管盘槽6，铠装连接光纤7。
66.21mm高压液压管1通过固定间距l1布设的若干个卡箍式三通3连接为不泄漏的整段管体，在顶部卡箍式三通3顶端接口布设高精度光栅光纤压力传感器2，各个高精度光栅光纤压力传感器2通过铠装连接光纤7连接。
67.各个卡箍式三通3之间预留足够冗余长度的21mm高压液压管1，将多余21mm高压液压管1盘放于液压管盘槽6内，其余段落21mm高压液压管1外套50mmpvc管5，随后将高精度光栅光纤压力传感器2封装于250mm
×
250mm
×
50mm沉降盒4中，重复上述过程，组装形成光栅阵列式路基沉降监测传感设备。
68.监测时：
69.道路路基11施工至监控量测标高后沿横断面放线测量，确定路基横纵向光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设的具体位置，通过机械开挖出传感设备布设沟位，开挖深度30cm，将沟槽底部整平后垫5cm细砂，依次布设每个横向断面的传感设备，在传感设备布设完成后，对铠装连接光纤7的完好程度进行检测，确保传感器全部存活，将铠装连接光纤7和21mm高压液压管1汇总与节点位置，节点位置处布设基准传感器9，于天然地面12位置处浇筑砼基础10，将基准传感器9固定于砼基础10上，再次对所有铠装连接光纤7的完好程度进行检测。最后，将路基开槽位置回填，采用机械整平，完成光栅阵列式路基沉降监测传感设备铺设。
70.将光栅阵列式路基沉降监测传感设备中21mm高压液压管1起始端头用塞头8进行密闭封堵，在21mm高压液压管1终止端头注入防冻液后进行管体打压测试后用塞头8进行密闭封堵。将铠装连接光纤7的一个端头通过fc/apc接头接入光纤解调仪13，测量光栅光纤埋设后的初始波长值，计算出高精度光栅光纤压力传感器2埋设位置处的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感器9的液位差，即为路基此时的相对沉降变形。提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译形成测量标高位置处的路基沉降变形场。
71.本发明设备组成可分为以下两个系统：
72.1、光栅阵列式路基沉降监测传感设备系统
73.光栅阵列式路基沉降监测传感设备由21mm高压液压管、高精度光栅光纤压力传感器、卡箍式三通、250mm
×
250mm
×
50mm沉降盒，50mmpvc管，液压管盘槽，铠装连接光纤组成。
74.根据冻土路基结构形式确定光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设标高，对传感器横向布设间距和纵向布设间距进行普通克里金空间插值优化分析，以最小估计均方差、
平均预测精确度作为变形场预测的评估准则，结合监测成本测算，确定最优传感器布设参数。相关计算结果如附图6
‑
7所示，建议横向布设间距取2m，纵向布设间距取4～6m。按道路宽度7m，纵向长度100m的路基监测场为例，共计布设光栅阵列传感68～104个。
75.取横向间距l1＝2m，根据待测路基宽度确定横断面高精度光栅光纤压力传感器布设数量，高精度光栅光纤压力传感器设计测量范围为0～50kpa、测量精度
±
0.5％f.s.、测量分辨率＜0.02％f.s.。每个压力传感器均以卡箍式三通连接于21mm高压液压管上，卡箍式三通之间预留2m长的21mm高压液压管，即相邻传感之间可产生2m的相对沉降，冗余长度的21mm高压液压管盘放于液压管盘槽，每个压力传感器通过铠装连接光纤串联成阵列，将每个压力传感器均封装于250mm
×
250mm
×
50mm的沉降盒，组装形成光栅阵列式路基沉降监测传感设备。
76.取纵向间距l2＝4～6m，依次完成每个横断面光栅阵列式路基沉降监测传感设备的布设，各回路传感设备集中汇总后接入设定的基准传感器，再从基准传感器接入数据采集系统进行测试。
77.2、数据采集与变形场解译系统
78.光纤光栅解调仪波长范围1527～1568nm、波长分辨率1pm，动态范围45db，解调仪与光栅阵列式路基沉降监测传感设备通过fc/apc接头连接。
79.传感器埋设后测量初始初始波长值，后续监测获取测量波长值，计算各测点位置的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感位置处的液压差，即为该测点路基此时的相对沉降变形。重复以上计算过程，计算出监测场内各个位置处的相对沉降变形。
80.液位压力计算过程如下：
81.dλ
b
＝(1
‑
p
e
)λ
b
p/e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0082][0083]
式中，λ
b
为光栅光纤的中心波长，n
eff
为纤芯的有限折射率，e为光纤光栅压力传感探头的杨氏模量，p
e
为光纤材料的有效弹光系数，ν为光纤材料的泊松比，p
11
和p
12
为光纤材料的各向弹光系数，p为测试压力。
[0084]
相对沉降变形值计算过程如下：
[0085][0086]
式中，
△
h为测点基准测点a与任一测点b之间的液位差，μ
a
、μ
b
分别为测点a、b处的液位测试压力，γ
w
为防冻液的容重(冰点60℃时为10.92kn/m3)。
[0087]
路基沉降变形场计算解译方法如下：
[0088]
提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译，计算过程表示为：
[0089][0090]
式中，z*(x0)为路基沉降变量在x0处的值估计值，m为路基沉降变量在搜寻邻域内
的期望值，z(x
i
)为路基沉降变量在搜寻邻域内的真实值，λ
i
为搜寻邻域内的加权值，m(x
i
)为在每一个评估位置的重新估计期望值。
[0091]
以无偏性和估计方差最小作为选取λ
i
的标准，即当满足以下条件时λ
i
最优：
[0092][0093]
式中，e[]表示求取路基沉降变量变量期望值，var[]表示求取路基沉降变量变量方差。求解式(5)关于权重因子λ
i
的线性方程组，得到路基沉降变量插值的最小估计方差，再根据式(4)预测未知点的路基沉降变量值，解译得出路基沉降变形场区域变量值。
[0094]
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。