解析光纤传感器在岩土工程中的运用
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摘要:本文主要叙述了岩土工程很多都处于繁杂的地质条件及非常坏的作业环境中,其构造建筑物及其施工过程中的安全问题也相对突出。利用传感器监测整个过程是保证岩土工程安全性的重要手段。
中图分类号：K826.16文献标识码：A 文章编号：
0引言
现如今在我国很多构造建筑物都遭遇到了自然灾害和工程事故,不但造成了重大的人员伤亡和财产损失,也使大量在役基础工程设施出现了不同程度的损伤,提前进入了维修期或老化期,这引起了人们对岩土工程安全问题的极大关注。如何开展岩土工程的安全监测、灾害风险的科学评估,正确预测预报灾害过程的发生和发展,已经成为了岩土工程的首要解决问题。
1传感器
传感器的作用是将被测对象的状态变化信息变换成可处理的信号并能送出。
传感监测是岩土工程监测的重要组成部分。光纤作为传感与传输双重功能的特殊介质,具有良好的抗干扰、长距离、可植入性、实时性及长期稳定性强和可全分布式量测等显著优势,使光纤传感技术在岩土工程监测工作中得到了广泛的应用,为工程建设提供了大量精确可靠的基础性量测数据。
2岩土工程量测与光纤传感技术应用
2.1岩土工程量测
对岩土性状、周围环境及地质条件、相邻结构和设施等因素(位移、压力、应力、应变、温度、振动等参量)的工程量测是岩土工程监测的主要内容。在岩土工程施工和运营期间,通常需要布置监测获取这些参量的变化,通过分析岩土体受力状态及其变形等要素评价其稳定性,进而评估可能遭遇到的工程风险,预测预报可能发生的工程灾害。因此,借助专门仪器或专用测试元件获取上述参量的定量数据,为岩土工程的设计和施工提供翔实完整、科学可靠的依据是岩土工程量测的主要目的。
2.2现场量测的基本原则和技术要求
岩土工程量测是保障岩土工程安全施工、保护周围环境的一项十分重要的技术环节和措施。因此首先必须将岩土工程量测纳入工程施工管理;其工作内容和选用的技术依据必须满足相关的标准、规范和规定;科学合理地设计量测点及施测方式;配置和选用技术可靠、经济合理的量测仪器和元件,且由专业技术人员施测;施测过程中应遵循以使用专门仪器或专用测试元件获取定量数据的测量为主,以现场目测检查为辅的基本要求;量测的周期与频率必须满足相关标准、规范和规定以及现场施工进程的要求;量测数据必须完整翔实、准确可靠,信息反馈务求实时性强,以满足工程现场需要;保证施测质量和人身设备安全等。
2.3边坡变形量测
2.3.1边坡变形位移量测点的布设原则
位移是斜坡变形最为直接的外在表现,也是边坡变形量测和评价边坡失稳破坏的最为重要的参数。根据边坡失稳理论,当边坡变形位移量或位移速率达到一定程度时,边坡就可能失稳破坏。
对边坡变形位移量测应遵循地面量测先行,而后深部量测的原则。因此,在选择和布设位移量测点时,应根据前期的地勘资料,分析和确定出边坡变形位移的敏感部位和关键部位,优先布设量测点,以便及时获得滑坡变形信息,并尽量使量测点能覆盖整个边坡,以便建立有效的观测网。
根据边坡变形破坏机制,通常情况下,牵引式滑坡变形位移的敏感部位在其前缘;推动式滑坡变形位移的敏感部位在其后缘。这些部位是滑坡变形位移量测点优先布设的部位(图1、图2)。滑坡浅表位移量测的光纤延长方向应与岩土体滑动的方向基本一致,一端须固定在滑体上,另一端须开放式地安置在滑坡体外用于连接量测装置;对于深部位移量测,钻孔方向应尽量垂直于滑动面,光纤一端固定在孔底,另一端也须开放式地安置在地面上用于连接量测装置。所有引出地面的光纤须预留足够的长度,并预先计量所用光纤的单根总长度,以便后期校核误差。
2.3.2岩土体变形光纤位移传感器
滑坡变形的总位移通常都较大。在岩土体变形的初期,变形位移一般较小,但随变形位移过程的持续,变形位移量与位移速率可能会迅速增大。因此,为避免岩土移对光纤可能造成的损伤,须将光纤事先安置在套管(可以是波纹管或塑料管)内,埋置在预先开挖出的沟槽内或插入事先打好的钻孔内并灌注原土泥浆。
为了对岩土体的小变形(总变形量≤10 mm)更加敏感,根据微弯测量原理,可事先将套管加工成蛇形状(图3),光纤与套管间的缝隙采用胶质材料或沥青灌注。当套管弯曲不是制作在同一个平面而是按一定角度旋转制作时,即可实现对岩土体各向变形位移量的量测。对于大变形(总变形量>10 mm)量测,需要光纤在套管内滑动。因此,光纤与套管间的缝隙不需灌注(图4)。
蛇形光纤位移传感器的套管不但可以保护光纤不受破坏,而且增大了光纤与岩土体的接触面积和长度,形成的微弯变形提高了对岩土体变形的灵敏度和测量精度。蛇形光纤传感器既可以用于微变形监测,也可以用于宏观变形监测。由于套管安装的不平整,光纤可形成多个微弯点,当岩土体的变形位移对传感器构成了影响,这些微弯点就成了非常敏感的微弯传感器,其变形位移测量精度可达±0.01 mm,对岩土体的初始变形甚至其损伤均可实现量测。当岩土体破坏和出现大滑移时,光纤即形成宏弯弯曲,可对岩土体的滑动过程进行量测。
除蛇形光纤传感器须按预先设计进行制作外,在埋置前必须逐个对其进行标定,完成初始状态的设定。同时在埋设时,也要尽量使弯曲方向与岩土体滑移方向保持一致。采用旋型弯曲传感器时,还要记录各弯曲点对应的方位。
4结语
光纤测量技术的进步对岩土工程检测和监测技术产生了革命性的影响,国内外在岩土工程量测中运用光纤测量技术已有不少成功案例。尽管在其工程应用中还存在着不少问题,影响了其在岩土工程量测中的推广应用,但可以相信随着我国科技水平的不断进步和经济实力的日益强大,高性能、低成本的光纤传感系统将会越来越多地运用于工程实际,必将极大地推动我国岩土工程量测技术领域的快速发展。
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