一種基于連續(xù)纖維復(fù)合型材的沉降分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及了一種用于土建交通結(jié)構(gòu)中健康檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的技術(shù)，尤其涉及了 一種適合鐵路、公路、隧道等長(zhǎng)距離線型結(jié)構(gòu)的大范圍沉降分布的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 沉降監(jiān)測(cè)是鐵路、公路和隧道等工程中的重要檢測(cè)和監(jiān)測(cè)內(nèi)容，關(guān)系到正常交通 運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)營(yíng)和管理。此外，為了評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)沉降的危害和發(fā)展過(guò)程，需要掌握沿交通線上各 個(gè)路線的路基中各段土層沉降變化。目前，路基中多層沉降監(jiān)測(cè)一般采用分段布設(shè)單點(diǎn)沉 降計(jì)，將單點(diǎn)沉降計(jì)固定在待測(cè)土體深度范圍內(nèi)，人工或者自動(dòng)采集壓縮層的沉降數(shù)據(jù)，通 過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步整合獲得待測(cè)深度土體的沉降值。對(duì)于長(zhǎng)距離線型結(jié)構(gòu)覆蓋范圍大，現(xiàn)有 的監(jiān)測(cè)方法不適合于多點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)。為了解決多點(diǎn)沉降的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，工程上常采用一種基 于懸臂梁原理，通過(guò)測(cè)量懸臂梁應(yīng)變變化計(jì)算撓度變化獲得沉降。由于懸臂梁原理的計(jì)算 方法簡(jiǎn)單、思路清晰，適合用于遠(yuǎn)距離沉降的計(jì)算。但該方法中，當(dāng)作為傳力構(gòu)件的懸臂發(fā) 生大變形后，局部容易出現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性變形，因此影響到長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。此 外由于懸臂長(zhǎng)期處于受彎變作用下，對(duì)材料本身具有很高的抗蠕變等長(zhǎng)期性能要求。目前 在對(duì)于工程中常用的復(fù)合纖維材料的長(zhǎng)期性能的研究中發(fā)現(xiàn)，碳纖維其蠕變破斷強(qiáng)度可以 保持在0. 75-0. 8,玄武巖是0. 55-0. 65,玻璃為0. 25-0. 35。為了保證測(cè)量結(jié)果的長(zhǎng)期準(zhǔn)確 性，須采用如碳纖維和玄武巖等無(wú)塑性變形、具有足夠彎曲剛度、優(yōu)越抗蠕變性能的復(fù)合纖 維材料。
[0003]目前，光纖等應(yīng)變傳感技術(shù)越來(lái)越多的作為傳感元件，應(yīng)用于沉降監(jiān)測(cè)工程。但光 纖傳感器存在的諸如，易脆斷、滑移、耐久性差等問(wèn)題，這些問(wèn)題在實(shí)際應(yīng)用影響到應(yīng)變測(cè) 量的精度、靈敏度、長(zhǎng)期性能等關(guān)鍵指標(biāo)。專利CN1858548 A公開(kāi)了一種利用等強(qiáng)度懸臂梁 上、下表面的差動(dòng)式光纖Bragg光柵，來(lái)測(cè)量地表的沉降量。等強(qiáng)度懸臂梁的設(shè)計(jì)需要隨 著彎矩的大小相應(yīng)地改變截面尺寸，在遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)中需要有足夠端部寬度以保證測(cè)量的精 度，加之傳力過(guò)程懸臂兩端容易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)問(wèn)題，因此難以實(shí)際應(yīng)用于長(zhǎng)距離線型結(jié)構(gòu)的大 范圍沉降監(jiān)測(cè)。此外光纖光柵等點(diǎn)式傳感元件只適合反應(yīng)傳力構(gòu)件局部的應(yīng)變變化，在長(zhǎng) 期監(jiān)測(cè)中不均質(zhì)材料以及外界環(huán)的影響造成的誤差，會(huì)在計(jì)算過(guò)程放大，導(dǎo)致沉降計(jì)算準(zhǔn) 確性降低的問(wèn)題。另外由于光纖等微小直徑的應(yīng)變傳感元件只適合測(cè)量張拉應(yīng)變，壓縮測(cè) 量時(shí)需預(yù)先提供足夠預(yù)張量。對(duì)于點(diǎn)式光纖傳感元件難以保證壓縮變形的測(cè)量精度。另外 一方面，一種新穎的長(zhǎng)標(biāo)距傳感器開(kāi)始應(yīng)用于大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感技術(shù)中。長(zhǎng)標(biāo)距傳感器 是指測(cè)量標(biāo)距長(zhǎng)且測(cè)量結(jié)果能夠反映被測(cè)體一定特征區(qū)域被測(cè)物理量的傳感器，其中的標(biāo) 距長(zhǎng)度（指?jìng)鞲衅髂軌蜻M(jìn)行有效測(cè)量部分的長(zhǎng)度。相對(duì)于傳感標(biāo)距短且測(cè)量結(jié)果只能反映 被測(cè)體局部某點(diǎn)被測(cè)物理量的點(diǎn)式傳感元件，長(zhǎng)標(biāo)距傳感器能夠反映被測(cè)結(jié)構(gòu)一定區(qū)域或 特征尺度范圍內(nèi)的物理量變化，適宜大型橋隧工程結(jié)構(gòu)，特別是混凝土工程結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)標(biāo)距傳 感器可以根據(jù)端部剛度設(shè)計(jì)、耐久性設(shè)計(jì)和增敏設(shè)計(jì)，滿足不同條件的測(cè)量要求。最近有研 究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于布里淵散射光技術(shù)和碳纖維傳感技術(shù)，由于通過(guò)封裝實(shí)現(xiàn)標(biāo)距（或測(cè)量空間 分解能）內(nèi)傳感元件的應(yīng)變均勻，長(zhǎng)標(biāo)距傳感器適合于降低測(cè)量誤差、實(shí)現(xiàn)高精度動(dòng)靜態(tài) 測(cè)量的目的。長(zhǎng)標(biāo)距傳感器可按照適當(dāng)密度分布布設(shè)在結(jié)構(gòu)的一定區(qū)域，從而達(dá)到對(duì)各類 橋隧工程結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)距離大范圍區(qū)域的動(dòng)靜態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0004] 綜上所述，為了鐵路、公路、隧道等長(zhǎng)距離線型結(jié)構(gòu)的大范圍沉降分布的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程 監(jiān)測(cè)，可以通過(guò)結(jié)合懸臂梁傳力原理和長(zhǎng)標(biāo)距應(yīng)變傳感技術(shù)，開(kāi)發(fā)一種計(jì)算方便、且具有長(zhǎng) 期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)能力的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型的提供一種基于連續(xù)纖維復(fù)合型材的沉降分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)叉狀錨 固端和連桿將地基內(nèi)沉降量傳遞到土表，此時(shí)固定在兩個(gè)連桿之間的水平傳感桿會(huì)出現(xiàn)應(yīng) 變變化；通過(guò)鉸接和固接的水平傳感桿上的應(yīng)變關(guān)系，實(shí)現(xiàn)該觀測(cè)點(diǎn)沉降判斷并計(jì)算沉降 量；再通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)連接各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)成子觀測(cè)站，并進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)建成觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
[0006] -種基于連續(xù)纖維復(fù)合型材的沉降分布監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于：包括子區(qū)域測(cè)量 站，沉降計(jì)算模塊和監(jiān)測(cè)控制中心，所述子區(qū)域測(cè)量站由在沿交通線路分布的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn) 位置打設(shè)的縱向定位桿以及連接在相鄰兩縱向定位桿之間的水平傳感桿組成；所述縱向定 位桿由埋設(shè)入土體內(nèi)錨固段、和土體外水平傳感桿連接的接合部以及和土表錨固片組成； 在所述接合部的兩側(cè)分別通過(guò)鉸接和固接與所述水平傳感桿連接，在每個(gè)所述水平傳感桿 沿軸向植入有一個(gè)應(yīng)變傳感單元；所述各個(gè)子區(qū)域測(cè)量站通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線連接至所述沉降 計(jì)算模塊和監(jiān)測(cè)控制中心。
[0007] 所述土體內(nèi)錨固段為自分叉狀錨固端，該自分叉狀錨固端為由帶預(yù)留孔的剛性外 壁結(jié)構(gòu)和柔性分叉芯線組成，所述預(yù)留孔沿所述剛性外壁結(jié)構(gòu)外壁傾斜向下設(shè)置，所述柔 性分叉芯線上端鉸接在所述縱向定位桿的下端，所述柔性分叉芯線下端在所述縱向定位桿 向下移動(dòng)時(shí)插入所述預(yù)留孔。
[0008] 所述水平傳感桿的截面為方形、圓形或工字形纖維復(fù)合材料桿件。
[0009] 所述應(yīng)變傳感單元設(shè)置在所述水平傳感桿偏離形心位置，每個(gè)應(yīng)變傳感單元在接 合部近旁包含一組或多組應(yīng)變傳感器件。
[0010] 所述應(yīng)變傳感器件是光纖光柵、基于布里淵散射技術(shù)或連續(xù)碳纖維傳感技術(shù)的長(zhǎng) 標(biāo)距應(yīng)變傳感器。
[0011] 一種沉降分布監(jiān)測(cè)方法，其當(dāng)沉降發(fā)生時(shí)，土體內(nèi)錨固段與土體一起變形，通過(guò)縱 向定位桿帶動(dòng)水平傳感桿的一端下沉，以致應(yīng)變傳感單元應(yīng)變數(shù)值變化；根據(jù)所述子區(qū)域 測(cè)量站內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平傳感桿之間的張拉或壓縮應(yīng)變關(guān)系，通過(guò)沉降計(jì)算模塊， 整合獲得該子區(qū)域測(cè)量站內(nèi)沉降分布。
[0012] 所述沉降計(jì)算模塊通過(guò)以下步驟獲得沉降分布：
[0013] 步驟一：對(duì)各個(gè)子區(qū)域測(cè)量站內(nèi)，從配置的基巖水準(zhǔn)點(diǎn)近旁的觀測(cè)點(diǎn)開(kāi)始，依次獲 得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平傳感桿的鉸接側(cè)和固接側(cè)的2組應(yīng)變傳感單元的應(yīng)變值，其中鉸接和 固接的兩個(gè)水平傳感桿的應(yīng)變值分別定義為eil和ei2 ;
[0014] 步驟二：根據(jù)eil和ei2的張拉和壓縮的分布關(guān)系，進(jìn)行沉降分布判斷原則，并 計(jì)算沉降量。
[0015] 沉降分布判斷原則包括：
[0016] 變形判斷原則：如水平傳感桿的應(yīng)變呈現(xiàn)增加趨勢(shì)時(shí)，該桿定義為受拉；如水平 傳感桿的應(yīng)變呈現(xiàn)減少趨勢(shì)時(shí)，該桿定義為受壓；當(dāng)水平傳感桿的無(wú)應(yīng)變變化時(shí)，該桿定義 為無(wú)變形；
[0017] 沉降位置判斷原則：從配置的基巖水準(zhǔn)點(diǎn)近旁的觀測(cè)點(diǎn)開(kāi)始，當(dāng)出現(xiàn)首個(gè)發(fā)生受 拉變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)i時(shí)，則判定該點(diǎn)出現(xiàn)沉降；如監(jiān)測(cè)點(diǎn)i+1的ei2為受壓，且數(shù)值與ei2 一致，則判定監(jiān)測(cè)點(diǎn)i+1無(wú)沉降；如監(jiān)測(cè)點(diǎn)i+1的ei2為無(wú)變形，則判定監(jiān)測(cè)點(diǎn)i+1與監(jiān)測(cè) 點(diǎn)i同程度沉降；如監(jiān)測(cè)點(diǎn)i+1的ei2為受拉，則判定監(jiān)測(cè)點(diǎn)i+1發(fā)生沉降，且大于與監(jiān)測(cè) 點(diǎn)i〇
[0018] 沉降計(jì)算方法，包含以下步驟：
[0019] 步驟一：將觀測(cè)站配置的基巖定義為參考水準(zhǔn)點(diǎn)；
[0020] 步驟二：從參考水準(zhǔn)點(diǎn)開(kāi)始依次對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降分布判斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)i出現(xiàn)受 拉變形時(shí)，根據(jù)該監(jiān)測(cè)點(diǎn)上鉸接的水平傳感桿上應(yīng)變單元測(cè)得應(yīng)變分布平滑化處理獲得水 平傳感桿上應(yīng)變變化e(il)，以及應(yīng)變傳感單元的距離型心位置hl、型心距離中性軸高度 h2、截面高度H、水平傳感桿的長(zhǎng)度L，結(jié)合懸臂梁理論，計(jì)算該監(jiān)測(cè)點(diǎn)上鉸接側(cè)豎向位移：
[0021] 再迭代上一步沉降量S(i-1)獲得該點(diǎn)沉降量S(i) =S(i-l)+x(i);
[0022] 步驟三：對(duì)下一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降分布判斷，如判斷結(jié)果為無(wú)沉降，則將監(jiān)測(cè)點(diǎn) i+1定義為參考水準(zhǔn)點(diǎn)，重復(fù)步驟二；如判斷結(jié)果為同程度沉降，則記錄該點(diǎn)沉降