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布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,简称BOTDR)是一种基于自发布里渊背向散射原理的分布式光纤应变传感技术,它突破了传统的点式传感的概念,可实现对被测对象的连续分布式监测,能够捕捉到被测对象的整体应变性状。因此,目前它已成为国际上岩土工程监测的研究热点。论文紧紧围绕这一技术,开展了一系列的研究工作,并取得了如下成果和创新:
1.本文首先从边坡工程监测的研究目的、方法和意义出发,介绍了相关领域的最新研究进展,指出了边坡工程监测中存在的主要问题,提出了本论文研究的主要研究内容和技术路线。
2.重点介绍了商业化和产业化水平较高、在地质和岩土工程监测领域中研究较多、应用前景较广的几种光纤传感器的测量原理、研究和应用进展,主要包括迈克尔逊干涉型光纤传感器、法布里—珀罗干涉传感器、布拉格光栅传感器(FBG)和分布式光纤传感器。对各种光纤传感器的性能和特点进行了比较,分析了点式、准分布式和分布式光纤传感器在地质和岩土工程监测仪应用中的优缺点。
3.对BOTDR分布式监测若干关键技术进行了研究,包括应变测量的温度补偿方法、传感光纤的封装和保护。根据BOTDR光纤应变的测量特点,结合边坡工程监测应用的实际需要,分别设计了土体深层沉降仪、多点位移计等多种岩土工程监测特殊传感器。
4.开展了一系列基于BOTDR的边坡工程监测试验研究。为掌握玻璃纤维增强塑料(GFRP)锚杆的变形特性,对GFRP锚杆进行了室内拉伸试验研究,并采用BOTDR对锚杆通体的轴向应变进行监测,分析了GFRP锚杆的变形特性和分布式光纤应变传感性能;提出了用于检测锚杆应力应变状态的传感光纤布设方案、施工工艺及保护措施,进行了基于BOTDR的锚杆拉拔试验研究,对锚杆在岩土介质中的荷载传递机理进行了理论分析和试验研究,验证了分布式光纤传感技术在锚杆应力、应变分布监测应用中的可行性;采用基于FLAC3D软件的数值仿真方法,对全长粘结式锚杆荷载传递机理进行了研究,显示出锚杆轴向应力分布同锚杆拉拔试验实测结果十分吻合,从而进一步验证了基于BOTDR的锚杆应变分布监测的可行性;开展了基于BOTDR的边坡分布式测斜的试验研究,由实测的光纤应变可以准确地得到测斜管上任意一点的水平位移,验证了该技术应用于边坡工程分布式测斜应用中的可行性。
5.围绕分布式光纤传感技术在边坡工程中的应用,设计了传感光纤在边坡表面、格构梁、锚杆、抗滑桩、挡土墙及测斜管上的布设工艺、传感光纤的保护和温度补偿方法,提出了抗滑桩变形时挠度的计算方法,构建了基于BOTDR的边坡加固工程分布式光纤应变远程监测系统的框架。
6.结合粤赣高速公路路堑高边坡监测项目,设计了基于分布式光纤传感技术的边坡工程监测方案,在国内首次应用BOTDR技术对边坡工程锚杆的应变分布进行了长期监测,并采用BOTDR边坡固定式测斜技术对边坡深部土体位移变化进行了监测,对边坡工程在施工和项目运营阶段的稳定情况进行了评价,取得了一批重要成果。