[发明专利]一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统及监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及了一种用于土建交通结构中健康检测和监测的技术，尤其涉及了一种适合铁路、公路、隧道等长距离线型结构的大范围沉降分布的实时远程监测系统。

背景技术

沉降监测是铁路、公路和隧道等工程中的重要检测和监测内容，关系到正常交通运输的运营和管理。此外，为了评价和预测沉降的危害和发展过程，需要掌握沿交通线上各个路线的路基中各段土层沉降变化。目前，路基中多层沉降监测一般采用分段布设单点沉降计，将单点沉降计固定在待测土体深度范围内，人工或者自动采集压缩层的沉降数据，通过对数据进一步整合获得待测深度土体的沉降值。对于长距离线型结构覆盖范围大，现有的监测方法不适合于多点沉降监测。为了解决多点沉降的监测问题，工程上常采用一种基于悬臂梁原理，通过测量悬臂梁应变变化计算挠度变化获得沉降。由于悬臂梁原理的计算方法简单、思路清晰，适合用于远距离沉降的计算。但该方法中，当作为传力构件的悬臂发生大变形后，局部容易出现不可恢复的塑性变形，因此影响到长期监测结果的准确性。此外由于悬臂长期处于受弯变作用下，对材料本身具有很高的抗蠕变等长期性能要求。目前在对于工程中常用的复合纤维材料的长期性能的研究中发现，碳纤维其蠕变破断强度可以保持在0.75-0.8，玄武岩是0.55-0.65，玻璃为0.25-0.35。为了保证测量结果的长期准确性，须采用如碳纤维和玄武岩等无塑性变形、具有足够弯曲刚度、优越抗蠕变性能的复合纤维材料。

目前，光纤等应变传感技术越来越多的作为传感元件，应用于沉降监测工程。但光纤传感器存在的诸如，易脆断、滑移、耐久性差等问题，这些问题在实际应用影响到应变测量的精度、灵敏度、长期性能等关键指标。专利CN1858548 A公开了一种利用等强度悬臂梁上、下表面的差动式光纤Bragg光栅，来测量地表的沉降量。等强度悬臂梁的设计需要随着弯矩的大小相应地改变截面尺寸，在远距离监测中需要有足够端部宽度以保证测量的精度，加之传力过程悬臂两端容易出现扭转问题，因此难以实际应用于长距离线型结构的大范围沉降监测。此外光纤光栅等点式传感元件只适合反应传力构件局部的应变变化，在长期监测中不均质材料以及外界环境的影响造成的误差，会在计算过程放大，导致沉降计算准确性降低的问题。另外由于光纤等微小直径的应变传感元件只适合测量张拉应变，压缩测量时需预先提供足够预张量。对于点式光纤传感元件难以保证压缩变形的测量精度。另外一方面，一种新颖的长标距传感器开始应用于大型结构的应变传感技术中。长标距传感器是指测量标距长且测量结果能够反映被测体一定特征区域被测物理量的传感器，其中的标距长度(指传感器能够进行有效测量部分的长度。相对于传感标距短且测量结果只能反映被测体局部某点被测物理量的点式传感元件，长标距传感器能够反映被测结构一定区域或特征尺度范围内的物理量变化，适宜大型桥隧工程结构，特别是混凝土工程结构。长标距传感器可以根据端部刚度设计、耐久性设计和增敏设计，满足不同条件的测量要求。最近有研究发现，对于布里渊散射光技术和碳纤维传感技术，由于通过封装实现标距(或测量空间分解能)内传感元件的应变均匀，长标距传感器适合于降低测量误差、实现高精度动静态测量的目的。长标距传感器可按照适当密度分布布设在结构的一定区域，从而达到对各类桥隧工程结构的长距离大范围区域的动静态监测。

综上所述，为了铁路、公路、隧道等长距离线型结构的大范围沉降分布的实时远程监测，可以通过结合悬臂梁传力原理和长标距应变传感技术，开发一种计算方便、且具有长期稳定监测能力的监测系统。

发明内容

本发明的提供一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，通过叉状锚固端和连杆将地基内沉降量传递到土表，此时固定在两个连杆之间的水平传感杆会出现应变变化；通过铰接和固接的水平传感杆上的应变关系，实现该观测点沉降判断并计算沉降量；再通过数据传输技术连接各个观测点构成子观测站，并进一步联网建成观测网络。

一种基于连续纤维复合型材的沉降分布监测系统，其特征在于：包括子区域测量站，沉降计算模块和监测控制中心，所述子区域测量站由在沿交通线路分布的各个观测点位置打设的纵向定位杆以及连接在相邻两纵向定位杆之间的水平传感杆组成；所述纵向定位杆由埋设入土体内锚固段、和土体外水平传感杆连接的接合部以及和土表锚固片组成；在所述接合部的两侧分别通过铰接和固接与所述水平传感杆连接，在每个所述水平传感杆沿轴向植入有一个应变传感单元；所述各个子区域测量站通过数据传输线连接至所述沉降计算模块和监测控制中心。