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各种分布式光纤传感技术,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。论文紧紧围绕如何将这项技术应用到复杂的工程土体监测中,开展了一系列的研究工作,并取得了一些成果和创新:
1.本文首先从工程土体变形监测的目的、方法和意义出发,介绍了相关领域的最新研究进展,指出了现在监测技术中存在的主要问题,提出了将分布式光纤传感技术用于土体变形监测中设想,分析了难点问题的所在,给出了论文的主要研究内容和技术路线。
2.介绍了几种在地质和岩土工程监测领域里研究较多、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,对准分布式和分布式光纤传感器的各自优势进行了分析,针对如何将这两种技术集成到土体变形监测系统中来提高监测效率,进行了初步的实验研究,论证了其可行性,指出了存在的问题。
3.围绕传感光纤与土体变形的一致性,土体大变形和定向变形监测和光纤的布设工艺等关键技术问题展开了研究,设计了基于准分布式FBG光纤传感技术的土体沉降变形传感器及系统;研发可以直埋于土体进行变形监测的低弹模传感光纤;改进了土体水平位移测试装置,实现了对水平位移方向的判断和位移分解;利用螺旋布纤和弹簧转能装置实现了土体大变形向光纤小应变转换,可对土体大变形进行定向测试;光纤封装在锚杆(索)、土工布、土工格栅等土工加固体中,再埋设到土体中,加固土体的同时也成为土体变形传感器;介绍了光纤的布设到土体中的三种植入工艺方法,并分析了各自特点。
4.针对光纤对温度和应变交叉敏感的问题,对大量的光纤和光缆进行了温度标定,探讨了外层护套、封装材料、温度循环、附着介质、受力状态及布设工艺等因素对光纤温度传感特性的影响,并对裸纤和不同护套的光纤进行了长达两年多的定荷载疲劳实验,探讨了气温波动条件下的长期护套效应的变化规律;介绍了多种温度补偿方法,比选出适合土体变形监测的温度补偿方法;研发出能埋设到土中的高空间分解度的分布式光纤温度测试装置;
5.设计了土体工程分布式变形监测系统框架,说明了各个组成部分功能和实现方法,针对如何用分布式变形监测数据进行反演的问题,提出了一套可行的构思。
6.结合黄土地基的湿陷性监测实例,设计了一套系统的黄土地基遇水的变形监测方案,在国内首次将光纤直埋到土体中监测土体的变形,实现了对黄土地基浸水后的湿陷的分布式监测,并据此分析了黄土遇水变形及改性对其中结构物的影响。