光纤布拉格光栅传感器黄土隧道原位监测和安全评估

文摘

与电子应变仪相比,光纤布喇格光栅(FBG)传感技术是一个相对新颖的隧道结构健康监测的方法,它有许多优点包括高精度、多路复用、电磁干扰阻力,和良好的重复性。为了研究隧道的内力班轮和检测潜在的安全隐患,黄土隧道的一系列应变监测测试,考虑到复杂的应力、应变变化的黄土隧道期间,进行了采用串联线性光纤光栅传感器阵列由波分复用(WDM)技术控制。混凝土应变具有明显的线性特征随着时间的推移,在早期阶段,然后逐渐趋于一个稳定值。此外,必要的温度补偿后,黄土隧道结构安全评估通过分析实时衬混凝土的变形和内力,光纤光栅监测数据和安全评价结果表明,安全因素各种衬垫部分需求,满足所有代码,验证隧道衬结构的安全与稳定。光纤光栅传感器原位监测技术可以应用于黄土隧道结构安全评估。

1。介绍

岩土结构,如大坝、边坡、地基,隧道,经常遭受地震和建筑载荷动态载荷实例,这可能导致结构恶化或失败。施工测量在隧道安全评估中扮演着重要的角色,它提供了不仅现场施工安全信息,也有价值的数据为理论与实践研究(1- - - - - -3]。在过去的几十年里,各种监测仪器开发了隧道,如激光位移传感器(像),线性可变差动变压器(线性),千分表,基于视觉的系统(4- - - - - -6]。常规监测传感器,主要是基于电阻式、电感式、振动线类型(7),要么是不适合远程实时监控或太笨重的或复杂的大规模应用的结构健康监测(SHM)隧道结构(8- - - - - -10]。光纤光栅传感器在岩土工程结构的安全评估开始,这档节目的特点就是体积小,重量轻,nonconductivity,快速响应,抗腐蚀,更高的温度功能,免疫电磁噪声和射频干扰11- - - - - -15]。1990年,门德斯et al。16)首先采用光纤光栅传感器为钢筋混凝土结构的安全评估,,从那时起,使用光纤光栅传感器监测技术已迅速发展。此外,光纤光栅传感器是由波长编码,使光纤光栅免疫的信号功率波动沿着光路,已证明能测量准确的地方和定向菌株相比传统应变仪和伸长计17,18]。如今,光纤光栅传感器已经吸引了更多的兴趣和他们被用在许多应用程序中,尤其是在隧道施工监测和桥梁健康评估(19,20.]。太阳et al。21)认为,目前智能传感技术现在和回顾了智能材料的应用程序/土木工程结构的传感器为单孔位微吹气扰动。你们et al。22,23]提出的总结各种光纤传感器的基本原理,传感、创新和计算方法。赖et al。24)建立了一个无线传感器网络(WSN)监控blast-induced振动对结构的影响现有的隧道。Tondini et al。25]研究了光纤光栅传感器的功能监测的非弹性响应新的圆形混凝土隧道衬垫,遭受地震事件。为了比较热电偶与光纤光栅传感器的读数,读数Lonnermark et al。26表现在模型比例尺隧道火灾实验,表明,光纤光栅传感器的温度测量更接近“真实”天然气的温度比任何的这些测试中使用的热电偶。根据隧道结构应变和温度分布的特点,李et al。27)开发了一种金属槽裸光纤光栅的封装技术测量表面应变的测试结构。Roveri et al。28]给出了现场试验的结果与光纤光栅传感器阵列系统为铁路交通的实时监控和单孔位微吹气扰动的铁轨和火车轮子。翁et al。29日- - - - - -31日)开发了一种FBG-based传感器网络监控路面结构中的应变分布,轴向应力的隧道锚,和基础沉降;此外,离心模型试验与改进进行了包装和quasi-distributed传感器系统的安装方法。针对上述研究中,通过安装原位监测的传感器是一种广泛使用的方法调查隧道的力学性能和应变变化衬有更好的准确性和可靠性32]。

黄土,这是来自松散材料,滑动润湿和敏感被分解由于其亚稳结构。黄土具有重要角色随机开放和宽松的粒子具有高孔隙度(34]。当大跨度隧道或地下空间在黄土地面构造,它不可避免地扰乱原地应力场,然后导致地面大位移。一般来说,黄土是一个多相多孔介质和发展复杂的应力、应变变化在执行一个隧道项目。和隧道衬管的稳定性直接影响施工安全(35]。因此,通过原位监测典型的横截面,衬混凝土应变的实时数据可以获得在隧道(36]。选择一个合适的传感器的应变监测隧道班轮在黄土地层是重要的安全隧道的建设和运营。光纤光栅传感技术结合远程传输和自动数据处理提供了新的方法原位监测和安全评估的复杂地质条件下的隧道。然而,光纤光栅传感器的应用黄土隧道是很少报道。在这项研究中,基于在中国西北黄土隧道,一系列的原位监测应变和应力进行了典型的横截面采用quasi-distributed光纤光栅传感器;隧道衬结构的安全评估。原位监测和安全评估提出的黄土地层隧道衬结构有可能被广泛应用于评价与地下挖掘相关的风险。

2。光纤光栅传感器的原则

1978年,希尔et al。37)首次报道在锗硅酸盐纤维折射率光栅的形成干涉图样的持续曝光的核心在相反的传播模式,提出了光纤的光敏性特征。采用全息干技术,Meltz et al。38)获得第一个光栅的谐振波长820 nm 1989年。在光折变光栅形成锗硅酸盐纤维被暴露在一个连贯的双光束紫外干扰模式,它提供了一种新的方式进行quasi-distributed测量温度和应变的监测传感地区的布喇格波长的变化,每个单独调整到不同的波长。折射率的变化强烈的紫外线照射后的纤维芯是显而易见的(39]。所有事件灯,只能反映特定波长的光和返回的光纤光栅。图1显示了光纤光栅传感器的组成和测量的主要系统。布喇格光栅中心波长具有良好的应对外部温度,压力,等等40- - - - - -42),如图所示 在哪里是波长的位移,布喇格波长,纤维芯的有效反射指数,thermooptic系数的纤维,是温度增量,是纤维的热膨胀系数,是光栅周期,是有效elastooptical系数,和分别是轴向应变和应变增量。

结合监测项目的要求和特点,光纤光栅传感器可以放置在组件的表面或埋在结构监测的光纤光栅波长变化和获得的应力和应变。光纤光栅传感器的波长变化是受压力和温度的影响。和应变和温度交叉敏感的影响直接关系到测量结果的准确性。避免温度变化的影响过程中应变测量、温度补偿通常是由使用光纤光栅温度传感器在相同的环境中。因此,温度感应波长偏移可以排除在数据处理、和波长变化引起的温度补偿可以表示如下(42]: 在哪里和单模光纤的elastooptical系数,υ纤维材料的泊松比,是纤维芯的有效折射率。

3所示。光纤光栅的选择和阵列设计Quasi-Distributed光纤光栅传感器

3.1。光纤光栅传感器和数据采集系统

监控系统主要由四个部分组成,光纤光栅传感器、信号传输、采集系统和数据处理系统。在光纤光栅传感器数据采集系统,sm125 - 500光学传感审问者由美国莫伊(光学微米,Inc .)与全谱显示[四通道法布里-珀罗滤波器33),如图2,适合在恶劣环境长期监测。波长是1510 - 1590海里。波长的稳定性和准确性是下午1点。工作温度是0 ~ 50°C。询问机可以显示1 - 2 GHz的光学特性与带宽/ 3 dB。动态范围是50 dB和扫描频率是1 Hz。询问详细的参数表1。SMF28纤维与丙烯酸酯涂层,解决纤维海里,弯曲半径是25毫米。布喇格光栅的温度灵敏度系数是10.9点/°C。为了减少爆炸的影响和铸造衬混凝土的纤维在隧道中,中间粘结层和毛细管钢套管用于保护。

3.2。光纤光栅传感器温度校准

由于光纤光栅传感器的温度变化敏感衬混凝土、温度校准传感器是必需的。四个光纤光栅应变传感器具有不同中心波长选择,和水银温度计精度为0.05°C被选为温度测量。然后使用水浴温度校准是由方法。四个传感器,分别放置在两个校准水渠道的调整温度场16-38°C。温度和收集相应的光纤光栅波长,和他们的典型的响应曲线如图3。

结果(cf图3)表明,光纤光栅波长温度的线性关系。基于回归分析,响应波长的关系()温度()方法如下:

回归公式的相关系数是99.99%。四个光纤光栅传感器实验表明,波长的平均增加10.8点的温度上升1°C;也就是说,光纤光栅传感器的温度灵敏度系数是10.8点/°C。

3.3。光纤光栅传感器的应变标定

压力校准之前需要光纤光栅传感器的安装。首先,安装方便,成活率高,一轮裸光纤固定在冷拔钢丝直径0.9毫米,后的钢丝是放置在混凝土测试模具尺寸为150毫米150毫米150毫米。光纤光栅传感器是位于中间的测试模具,和纤维的方向平行于模具。纤维的一端伸出从侧面钢丝,然后甜混凝土倒。移除模具应该执行混凝土初凝后(约8小时)。最后,这些样本被放置在万能试验机压缩实验。基于回归分析,strain-wavelength可以获得的响应表达式(4),回归曲线在图可见4。相关系数是99.99%,和应变灵敏度系数−0.003 nm /με:

3.4。光纤光栅传感器布局Dayoushan隧道

3.4.1。项目概述

Dayoushan隧道,如图5,是西宁过境公路的关键控制工程(Dandong-Lhasa),这是位于中国的西北黄土高原地区。Dayoushan隧道是密集twin-tunnels,对隧道的长度是2535米数量股份的k2 + 655 ~ k5 + 190和左隧道的长度是2560米的股份数量k2 + 655 ~ k5 + 215。地面(在60米)通常由三种类型的高压缩土壤,包括晚更新世黄土,风成黄土、人工充满崩溃10 ~ 20米的深度。主要是周围的岩体隧道湿陷性黄土的岩体年级V。

3.4.2。光纤光栅传感器阵列的安装方案

考虑到施工进度和疾病情况的Dyoushan隧道,8代表测试部分对隧道选择安装嵌入式光纤光栅传感器,如图6。典型的分,包括拱顶、拱肩和在隧道拱腰,选择监测的变化衬混凝土的变形和内力。此外,光纤光栅温度补偿传感器安装在各个部分的穹窿监控衬结构的温度变化。quasi-distributed的光纤光栅应变传感器监测网络布局如图7。

纤维的长度以及光纤光栅传感器的安装位置是根据隧道横截面的大小决定的。对于每一个测试区,两个布局方法可以采用:只使用一个独立的纤维的连接和信号传输,或使用两个独立的纤维根据隧道的左右横截面。此外,采用波分复用技术,编码与不同波长级联光纤光栅传感器,每个纤维。然后每个测试部分构成了1 ~ 2个独立的线性数组。在实际安装过程中,四种纤维对称放置在测试区;也就是说,两边各有一个纤维铺设的测试部分。此外,修复纤维,两个普通的圆棒直径12毫米竖立在隧道二衬背后的内外两侧电车,和内部和外部之间的空间是38厘米(内部侧隧道间隙的方向;外侧岩体的方向)。纤维加强和沿钢筋采用绑扎用铁丝固定(cf图8)。光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器被安装在钢筋垫层;因此合作变形的光纤光栅应变传感器和混凝土应变可以达到。此外,为了保证设备的正常运转的光纤光栅传感器,应采取必要的防护措施的过程中浇注混凝土。为了避免施工造成的损失,两个木箱被固定在两边的电车。纤维包膜后放入木箱的软管。纤维是放在每个数据收集后的保护。重要的是要注意,光纤光栅的完整性应给予整体嵌入前检验,以确保试样的可靠性。

4所示。衬套结构的内力分析和安全评估

先前的研究已经表明,绝热热值达到的最大混凝土浇筑后2 ~ 4 d (43]。一般来说,水化引起的升温值指数相关的具体年龄。降低水泥水化热的交叉影响光纤光栅,光纤光栅横截面检验数据收集每天早上和下午混凝土浇注后5天。反射光谱收集和分析的初步使用远程软件SM125光学传感审问者(33]。具体来说,考虑到重要的水泥水化的影响,反射光谱的两个渠道第11天图9。与强信号反射的光谱是连续的,旁瓣是短波方向未见异常。一般来说,这些光纤光栅传感器具有很强的反射信号在正常操作状态。

4.1。颞衬混凝土的应变特征

环境温度的变化会引起布拉格波长转移,直接影响应变监测结果的准确性。一般来说,光纤光栅传感器的温度灵敏度约10倍的应变敏感性。因此,应考虑温度变化的影响光纤光栅传感器的应变监测。为了检测温差的影响在隧道内的布喇格波长的变化,每个测试部分已经持续监控24小时(1 ~ 2 h)的平均时间间隔。图10显示了光纤光栅温度传感器的波长变化与不同测量时间在八个测试部分。可以看出,波长变化的范围主要是−40 ~一天10点。随着温度的降低,波长改变相应降低,而波长变化与温度增加逐渐增加。

通过比较分析,选择了典型的测试区K3 + 900调查内力性格和衬套结构的安全评估。光纤光栅温度传感器,考虑到水泥水化热引起的,衬结构温度大大增加在最初的阶段(大约15天内)。结构温度逐渐降低,然后往往是常数时,水泥水化热,如图11。后来,结构温度随环境温度而发生变化。因为在隧道环境温度相对稳定,结构温度随时间略有增加。光纤光栅应变传感器,测量衬混凝土内部应变显著改变在初始阶段,主要是由于水泥的水化热。考虑的温度补偿测量波长位移进行了光纤光栅应变传感器,然后可以计算相应的应变。在测试部分,通过必要的温度补偿,颞染色特性曲线(cf图12)在内外两侧衬混凝土可以提出。

从近5个月的监测数据,时间染色特性曲线逐渐趋于稳定,和光纤光栅传感器中心波长的变化是稳定的,没有大的离散转变,这表明光纤光栅传感器的性能稳定。具体来说,光纤光栅温度传感器的波长变化很大在混凝土浇注,然后设置混凝土后稳定。稳定的温度是18.2°C,这可以被看作是岩体的温度。相同的部分,具体安装了光纤光栅传感器也有类似的时间应变变化特征。结果还表明,在衬混凝土压应力随时间具有明显的线性特征的早期监测。更具体地说,混凝土应变的变化是显著的第六天监测和混凝土应变率变化监测的13天开始下降;那么混凝土应变变化大的特点之间的第15天,监测的第80天。最后,混凝土应变的变化越来越小,逐渐趋于一定值后第90天。此外,应变曲线的外侧面衬混凝土陡峭的内在方面,表明混凝土应变的变化率的外侧衬混凝土相对较大。一般来说,外衬的混凝土受岩体的压力; therefore the strain change will be large with the disturbance of the rock mass. For the inner side of the liner concrete, the force will be shared, transferred, and dissipated because of the stress characteristics of the arch structure; that is, the strain-energy will be dissipated in the liner structure [44]。

4.2。横向二衬混凝土应变的分布特征

基于光纤光栅传感器的监测数据,监测截面的内力分布(见图13)。同时,进一步的调查衬结构的力学性能,如轴力、剪力、弯矩、横向分布,进行了,可全面衬结构的应力状态,判断衬管参数的合理性,为设计提供理论依据修订隧道班轮和支持结构。

轴向力和弯矩图13(对称截面的弯矩和轴力是括号中的值),可以看出衬混凝土处于压力状态和监控的压力点不超过混凝土的容许应力。具体来说,弯矩和轴向力的左拱肩(FBG3 / FBG8)−34.33 kN·m和−4322.65 kN,分别。因此,左拱肩承受最大轴向力。弯矩和轴向力的左库(FBG1 / FBG6) 74.46 kN·m和−3437.43 kN,分别;它是最小轴向力的位置。最大弯矩是113.12 kN·m,这是位于监视点FBG5 / FBG10−3664.58 kN的轴向力。最小弯矩−34.33 kN·米,位于拱肩。根据计算结果,二次班轮内力是对称分布,左边的内力衬结构是相对较大的一半。

4.3。衬套结构的安全评估

为了评估安全的班轮在隧道结构,偏心距可以确定各个部分按照有关规定(45,46),然后衬结构的安全系数可以计算。当(是部分高度),即截面偏心距大于控制截面偏心距离,计算部分是大偏心受压构件。部分承载力是由抗拉强度(47]。相反,计算部分是轴向和小偏心受压构件截面承载力是由抗压强度控制。基于内力分布,考虑到内力左边的班轮基本上是比右边的班轮,左边的安全评估的衬管进行了研究。和各个部分的安全系数计算如表所示2。

的基础上计算结果列在表中2计算部分的偏心距离都小于0.08 m,表明部分承载力由抗压强度控制。此外,计算结果显示各个部分的值不小于2.0的综合影响下基本变量加载和恒载,这表明衬结构的测试区是安全的,可靠和稳定。所有的部分,考虑到安全因素离开穹窿(FBG1 / FBG6)价值是最大的,虽然值左拱肩(FBG3 / FBG8)是最低的。因此,左拱肩控制部分和应被视为关键监测对象在未来几年。

5。结论

在这项研究中,衬管混凝土的应力监测采用光纤光栅传感器在黄土隧道。衬混凝土的颞染色特性和应力行为包括轴向力和弯矩衬结构进行调查。基于这些分析,在黄土地层隧道衬结构的安全评估。(1)通过光纤光栅传感器的校准、温度和应变能的相关系数高达0.999后的线性拟合。环境温度的变化引起布拉格波长偏移,这直接影响应变监测结果的准确性。随着温度的降低,波长改变相应降低,而波长变化与温度增加逐渐增加。应该执行必要的温度补偿。(2)衬管混凝土的压应力随时间具有明显的线性特征的早期监测、和混凝土应变的变化越来越小,逐渐趋于一定值后第90天。混凝土应变的变化率的外侧衬混凝土相对较大。衬混凝土处于压力状态和监控的压力点不超过混凝土的容许应力。最大弯矩是113.12 kN·m,位于隧道的侧壁。(3)光纤光栅监测数据和安全评估结果表明,安全因素各种衬垫部分所有满足要求的代码。和离开了地下室的最大价值,而左拱肩价值最低。此外,光纤光栅传感器原位监测随后也可以验证隧道衬结构的安全与稳定。(4)光纤光栅传感器原位监测的内力黄土隧道结构的环境适应性和性能稳定。然而,考虑不确定因素的交叉影响,如黄土的特殊工程性质,水泥水化热、混凝土收缩和徐变,通过光纤光栅传感器收集到的应变是受综合因素的影响。衬混凝土的应力和应变的独立行动下各种因素无法分析准确地通过使用当前的方法。因此,有必要开展相关研究来解决交叉效应问题。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的经济头脑风暴项目社会发展陕西省科学技术厅(没有。sf - 412), 2016年工业研究陕西省科学技术厅项目(没有。2015 gy185),基础科学研究的特别基金中央大学长安大学(没有。310821165011),应用基础研究项目(主体)的中华人民共和国交通运输部(没有。2015 319 812 140),陕西(没有的合作创新项目。2015 xt-33)。作者想表达感谢审稿人的宝贵意见和建议,帮助提高论文的质量。

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