一种长距离路基连续变形监测装置及监测方法与流程

本发明属于土木工程监测技术领域，涉及一种长距离路基连续变形监测装置及监测方法。

背景技术：

随着经济和科学技术的快速发展，我国公路和铁路建设事业取得了令人瞩目的成绩，同时我国“一带一路”战略的实施及亚洲基础设投资银行的成立，为我国先进高铁技术推向世界注入了强大活力。截止2015年底，我国公路总里程超过450万公里，铁路营业里程超过12万公里，分别居世界第一和第二位，对我国的经济发展起到了重要的纽带与动脉作用。此外，我国已经在俄罗斯和非洲等地开展铁路建设，高铁技术输出已经成为我国对外科技展现的一个名片。公路、铁路运营状态与路基的工作密切相关，路基沉降会导致列车运营的不平顺性，过大的沉降量会导致列车脱轨等灾难性事故的发生。路基工程在服役过程中，受复杂自然条件、长期车辆荷载以及人为因素等长期耦合作用，路基会发生劣化甚至破坏，其中路基工后沉降过大或岩溶路基塌陷尤为重要。为确定各种荷载作用下，路基的空间状态和时间特征，开展路基变形监测对提升列车安全运营具有十分重要的意义。结合变形监测，一方面可掌握路基的稳定性，为安全运行诊断提供必要的信息，以便及时发现问题并采取措施；另一方面可深入理解变形的机理，提高工程设计的理论，进行反馈设计以及建立有效的路基变形预报模型。

通常采用的变形监测方式包括人工监测和自动监测两种。其中人工监测技术主要有沉降板法、水准测量法，这些方法普遍具有施工干扰大、监测费用高、消耗人力成本多等缺点；自动监测能够实现全天候、实时、自动化监测，主要包括点测式和分布式，点测式一般针对重点对象，不能实现长距离连续性监测，容易出现漏报等问题，因此分布式光纤监测技术正逐渐引起广泛关注。分布式光纤采用的光纤既作为传感器，又作为传输载体，能够实现长距离、大范围监测，而且能够准确地测出光纤任意点处应变信息，极具工程应用价值。但分布式光纤监测的直接物理量是传感光纤各位置的轴向应变，不能直观给出路基结构沉降位移，因此需要结合特定监测方法和安装方式实现连续变形监测。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种长距离路基连续变形监测装置，以能够有效实时、自动化监测长距离路基连续变形，且更为经济合理。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明的一种长距离路基连续变形监测装置，其特征是：它包括设置于待监测长距离路基内的分布式传感光纤、固定基准支座和约束构件，固定基准支座沿路基延伸方向间隔设置，其下端锚固于路基下方稳定地层内，约束构件沿待监测长距离路基延伸方向间隔设置于相邻两固定基准支座之间，分布式传感光纤沿待监测长距离路基延伸方向延伸且固定连接各固定基准支座上，且受约束构件作用保持紧绷状态；所述分布式传感光纤通过信号传输光纤与分布式光纤解调仪、计算机和变形计算模块连接。

本发明所要解决的另一技术问题是提供一种用上述一种长距离路基连续变形监测装置的监测方法，该方法包括如下步骤：通过有限元分析得到分布式传感光纤各点所受的纵向应变和垂直位移，选取两个临近约束构件、临近约束构件和固定基准支座之间中间点、四分之一点位置的纵向应变和垂向位移建立应变-位移关系，确定应变到位移的变形协调系数；开展原位标定试验，并依据原位标定试验和有限元分析获取的应变-位移变形协调系数，确定差异系数；按往、返方向分别依次计算临近两处固定基准支座之间变形；修正变形计算结果，输出变形信息。

本发明的有益效果是，以分布式传感光纤结合相应的安装方式，能实现长距离路基连续变形监测，以简易光约束构件为主的安装方式与固定基准支座相结合可灵活调整监测精度，且成本低、施工快，更为经济合理。

附图说明

本说明书包括如下附图：

图1是本发明一种长距离路基连续变形监测装置的示意图；

图2是本发明一种长距离路基连续变形监测装置的横断面示意图；

图3是本发明一种长距离路基连续变形监测装置的横断面示意图；

图4是本发明一种长距离路基连续变形监测装置在铁路双线无砟轨道典型路堤上的监测横断面示意图；

图中示出零部件、部位名称及所对应的标记：基床表层1、基床底层2、路堤本体3、地基基础4、分布式光纤解调仪10、分布式传感光纤11、固定基准支座20、约束构件30、信号传输光纤40、计算机和变形计算模块50、待监测长距离路基60。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参照图1和图2、图3，本发明一种长距离路基连续变形监测装置它包括设置于待监测长距离路基60内的分布式传感光纤11、固定基准支座20和约束构件30，固定基准支座20沿路基延伸方向间隔设置，其下端锚固于路基下方稳定地层内。约束构件30沿待监测长距离路基60延伸方向间隔设置于相邻两固定基准支座20之间，分布式传感光纤11沿待监测长距离路基60延伸方向延伸且固定连接各固定基准支座20上，且受约束构件30作用保持紧绷状态。所述分布式传感光纤11通过信号传输光纤40与分布式光纤解调仪10、计算机和变形计算模块50连接。

分布式传感光纤11的作用是作为应变传感器，探测沿光纤被固定基准支座20或光约束构件30分割的各区段路基纵向应变量。固定基准支座20为长距离连续变形监测提供参照基准点，并作为监测数据处理及评估关键点，约束构件构30为提高监测精度提供校准点，通过固定基准支座20及约束构件30结合使用提供满足设计变形精度要求的监测区段布设方案。信号传输光纤40用于传输分布式传感光纤11的光信号，分布式光纤解调仪10将光信号变化解调为应变量，计算机和变形计算模块50用于监测数据处理及显示。

为提高监测精度和对待监测长距离路基60进行全断面监测，所述固定基准支座20沿待监测长距离路基60横向间隔设置至少两组，所述待监测长距离路基60内对应于各组固定基准支座20纵向间隔设置至少两根分布式传感光纤11。

参照图2和图3，固定基准支座20为刚度较大的不锈钢钢管，钢管下部嵌入到不动点(基岩等位置)，钢管上部与分布式传感光纤11固定，确保整个变形监测过程中，固定基准支座纵横向位移始终处于0变形状态。约束构件30为刚度较大的不锈钢钢管，根据路基现场土体材料性质，确定约束构件构30下部的固定位置，并根据路基变形监测精度确定光约束构件30纵向间隔位置。固定基准支座20与邻近约束构件30、邻近两处光约束构件30之间分布式传感光纤11保持一定受力下的紧绷状态，约束构件30通过粘接、锚固、支架等方式实现固定基准支座20与邻近约束构件30、邻近两处光约束构件30之间分布式传感光纤11与岩土体或人工构筑物的协同变形。

图4是本发明一种长距离路基连续变形监测装置在铁路双线无砟轨道典型路堤上的监测横断面示意图，为实现提前预警，除了在基床表层1底面沿线路方向布设3条分布式传感光纤11外，在路堤本体3底面也依次布设3条分布式传感光纤11；可根据工程需求在基床底层2底面及地基基础4中增设分布式传感光纤11，提高监测预警准确性。

本发明长距离路基连续变形监测方法，包括如下步骤：

1)通过有限元分析得到分布式传感光纤11各点所受的纵向应变和垂直位移，选取两个临近约束构件30、临近约束构件30和固定基准支座20之间中间点、四分之一点位置的纵向应变和垂向位移建立应变-位移关系，确定应变到位移的变形协调系数；

2)开展原位标定试验，并依据原位标定试验和有限元分析获取的应变-位移变形协调系数，确定差异系数；

3)按往、返方向分别依次计算临近两处固定基准支座20之间变形；

4)修正变形计算结果，输出变形信息。

具体方法为在固定基准支座20，临近约束构件30及分布式传感光纤11位置确定的情况下，根据分布式传感光纤11材质的弹性模量、岩土材质以及受力特点，通过有限元分析得到分布式传感光纤11各点所受的纵向应变(εi，i＝1,...,n)和垂直位移(ρi，i＝1,...,n)，n为分布式传感器光纤11上的应变点数目，选取两个临近光约束构件30、临近约束结构30和固定基准支座20之间中间点、四分之一点位置的纵向应变和垂向位移建立应变-位移关系(ρi＝f(εi)＝aj+bj×εi+cj×εi²)确定应变到位移的变形协调系数aj＝(aj,bj,cj)，j表示某种工况。考虑到路基岩土的离散性，基于有限元分析建立m种岩土材质下的应变到位移的变形协调系数λ＝{a1，...，aj，...，am}。

考虑到现场实际情况材料性质的离散性以及与有限元分析的差异性，开展原位标定试验，具体为利用分布式光纤解调仪10解调分布式传感光纤11各点的应变值，同时利用现场全站仪观测两个临近光约束构件30、临近约束结构30和固定基准支座20之间中间点、四分之一点位置的垂直位移，基于监测数据，建立应变-位移关系ρ1i＝f(ε1i)＝a1j+b1j×ε1i+c1j×ε1i²，确定应变到位移的变形协调系数bj＝(a1j,b1j,c1j)。根据原位试验工况，建立多组原位标定试验，获取相应的应变和位移变形协调系数集δ＝{b1，...，bj，...，bm}，依据原位标定试验和有限元分析获取的应变-位移变形协调系数，确定差异系数γ＝λ/δ，差异系数主要是用于获取多种岩土材质下的应变-位移变形协调系数。

最后按往、返方向分别依次计算临近约束结构30和固定基准支座20、临近两处固定基准支座20之间变形，进一步修正变形计算结果，提高应变到变形的转换精度，并输出最终变形监测信息。

以上所述只是用图解说明本发明的一些原理,并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。