光纤测量技术在深部土体侧向变形监测中的应用与研究

摘要

在基坑开挖和支护过程中深部土体的水平位移监测是一项十分重要的工作。本研究主要目的是发展光纤光栅传感系统应用于土体变形监测的技术，以光纤光栅传感器结合测斜导管在土体变形长期监测上的应用，发展出一种分辨率高、稳定性好的自动化土木监测系统。 传统深部土体侧向变形监测是利用测斜仪，测量方式是借由测斜仪的测头在测斜管内移动量测不同深度的倾斜度，累积可得土体横向位移，但自动化所需成本较高。光纤传感器有别于传统电磁元件，其优点在于单线光纤同时作为讯号传输与传感器、量测数点至数十点的应变；以光波为传输信号，监测结果不受环境干扰，可针对电磁场强度高的地方如高压电塔、铁道等高危险建筑物进行安全监测，在地下水面以下的区域，无须担心线路短路发生，十分适合自动化监测系统。 本文设计了一种新型的基于光纤布拉格光栅（FBG）技术的土体变形测量方法。该方法结合测斜管，在其表面沿轴向安装了准分布式的光纤布拉格光栅。将该测斜管埋入土中，当测斜管受到土压力作用产生变形时，该测斜管类似于一根一端固定并同时受轴向拉、压和横向弯曲的弹性梁。根据材料力学相关原理，由光纤布拉格光栅测得的应变结果可反算出土体沿水平的位移分布。本论文将阐述该测量方法的原理与初步试验的成果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 本文的研究背景与意义

1.1.1 土体变形监测的目的与意义

1.1.2 常规的监测手段及其主要问题

1.1.3 基于光纤传感技术的变形监测新技术

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外光纤传感技术的研究现状

1.2.2 国内光纤传感技术的研究现状

1.3 研究目的和技术路线

第二章 光纤与光纤光栅传感器

2.1 光纤的结构与分类

2.1.1 光纤的基本结构

2.1.2 光纤的分类

2.2 光纤光栅技术的发展历程

2.3 光纤光栅传感器

2.3.1 光纤光栅的基本原理

2.3.2 光纤光栅的分类

2.4 Bragg光纤光栅的光学性质

2.5 Bragg光纤光栅的优点

第三章 光纤Bragg光栅传感机理

3.1 应变传感模型

3.1.1 光纤光栅应变传感模型分析的前提假设

3.1.2 各向同性介质中Hooke定律的一般形式

3.1.3 均匀轴向应力作用下光纤光栅的传感模型

3.1.4 均匀径向应力作用下光纤光栅的传感模型

3.2 温度传感模型

3.2.1 光纤光栅温度传感模型分析的前提假设

3.3.2 光纤光栅温度传感模型分析

3.3 应变—温度耦合模型

3.3.1 应变—温度耦合模型分析

3.3.2 应变—温度耦合程度分析

第四章 光纤光栅应变传感模型与影响分析

4.1 光纤光栅界面应变传递关系

4.1.1 光纤光栅传感器的结构模型与位移关系

4.1.2 光纤光栅应变传递计算分析

4.1.2 光纤传感器的平均应变传递率

4.1.3 多层光纤光栅应变传递计算分析

4.1.4 光纤光栅传感器有效粘贴长度

4.2 护套和粘贴剂对光纤光栅应变传递率的影响分析

第五章 基于光栅技术的位移计算原理

5.1 利用光纤测量土体变形的设计思路

5.2 位移计算原理

5.2.1 梁的挠度、曲率的关系

5.2.2 区段分析

5.2.3 结构分析

5.2.4 基于奇异值分解的最小二乘解

5.3 数值模拟分析

5.3.1 悬臂梁受自由端集中荷载

5.3.2 悬臂梁受多点集中荷载

5.3.3 悬臂梁受均布荷载

5.3.4 悬臂梁受三角形荷载

第六章 光纤温度与变形试验研究

6.1 试验准备

6.1.1 试验主要设备

6.1.2 光纤光栅的黏贴与保护

6.2 温度效应试验

6.3 标定与变形模拟试验

第七章 总结与展望

7.1 主要研究成果

7.2 建议与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文