一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法技术

本发明专利技术提出一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法，所述方法将分布式应变传感光缆的应变分布分离为两类应变分布：第一类为由于土壤颗粒挤压造成的应变光缆局部应变随机起伏，第二类为由于应变光缆的埋深不同造成的应变光缆区域应变随机起伏。基于两类应变分布变化分别提出轻微沉降表征系数和显著沉降表征系数，分别用于定位和表征路基的轻微沉降病害和显著沉降病害。本发明专利技术可实现10公里量级的超长传感距离分布式路基沉降监测，并且可以对路基沉降病害程度进行区分，解决了公路沉降病害监测中，现有方法测点数量少，布设工艺复杂，无法覆盖长距离和耐久性差的问题，有效的指导公路的养维护策略，保障公路的长期安全服役。

An embedding distributed optical cable-based method for embankment settlement disease location and settlement degree characterization

【技术实现步骤摘要】
一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法
本专利技术属于结构健康监测
，特别是涉及一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法。
技术介绍
路基沉降是公路的一种典型病害，在公路长期服役的过程中，由于高频次的车辆疲劳荷载作用，特别是有重车经过的路段，路基普遍会产生累积的沉降病害。在冻土区，例如我国的东北地区和青藏高原地区，气温剧烈变化引起的冻融循环作用会导致路基土体结构逐渐破坏，这些区域的公路沉降病害问题更为突出。路基沉降会导致路面平整度下降，降低道路通行能力，增加车辆行驶的安全风险。及时而全面的了解公路沉降病害的分布和程度，是合理规划公路维护作业的重要依据，也是保障公路长期服役的重要措施。目前，路基沉降监测主要采用的方法为单点测量法，在监测路段选取离散的监测点，布设单点式沉降传感器，如沉降板、沉降环、沉降计、激光测距仪、CCD等，获得传感器所在位置的路基沉降信息。此类方法存在的共同问题是：第一，只能进行离散的单点测量，覆盖能力差，获取路基沉降信息不全面，对于长达数十公里长度的公路或铁路，存在大量的监测盲区，降低了公路沉降状态整体感知的可靠性；第二，沉降传感器为电学传感器，长期监测的耐久性不佳，例如专利技术专利CN105887792中介绍的一种基于滑动变阻器测土体变形的观测装置及量测方法和专利技术专利CN1280606C中介绍的一种基于CCD的冻土沉降钻孔方法等，以滑动变阻器或CCD摄像机为测量元件，在路基监测的野外环境中，环境侵蚀力强，且伴随雷击风险，传感器难以长期有效工作，而路基沉降的累积又是一个缓慢的过程，因此，存在明显缺陷。综上所述，对于路基的沉降监测问题，需要开发具有长距离分布式沉降监测能力且耐久性优异的路基沉降监测方法，提升路基沉降信息获取的全面性，为公路维护提供可靠依据，保障公路或铁路的长期安全服役。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决公路沉降病害监测中，现有方法测点数量少，无法覆盖长距离和耐久性差的问题，提出了一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法，将铠装分布式应变传感光缆沿公路纵向埋入到路基土壤中，使应变传感光缆与路基耦合成为一体，利用土壤回填和压实的过程使应变传感光缆产生随机弯曲，并将应变传感光缆的应变分布分离为两类应变分布：第一类为由于土壤颗粒挤压造成的应变传感光缆局部应变随机起伏，第二类为由于应变传感光缆的埋深不同造成的应变传感光缆区域应变随机起伏；基于第一类应变分布提出轻微沉降表征系数，用于定位和表征路基的轻微沉降病害；基于第二类应变分布提出显著沉降表征系数，用于定位和表征路基的显著沉降病害。进一步地，分布式应变传感光缆采用具有金属丝加强的铠装应变光缆，应变传感光缆的解调系统采用布里渊时域分析系统。进一步地，应变传感光缆的两类应变分布采用滑动平均法进行分离，设分布式光缆沿路基长度方向的测点位置向量为x，各测点对应的应变测量结果向量为s，二者表达式分别为：x＝(x1x2...xN)(1)s＝(s1s2...sN)(2)其中xi，i＝1,2,...,N，代表传感光缆第i测点对应的路基纵向长度的位置；si，i＝1,2,...,N，代表在xi位置的分布式光缆应变的测量值；设分布特征提取窗口长度为wa，wa为正整数，并满足条件：wa≥w/Δx(3)其中w和Δx分别为分布式光缆解调仪的空间分辨率和采样间隔；以wa为窗口长度，Δx为移动步长，对s进行滑动平均，将其分离为区域应变分布向量r和局部应变分布向量l：r＝(r1r2...rN)(4)l＝(l1l2...lN)(5)li＝si-ri,i＝1,2,...,N(6)其中ri代表传感光缆在至区域的光缆应变的平均值，r反映了路基监测光缆的区域应变分布特征，体现了由于应变传感光缆的埋深不同造成的应变光缆区域应变随机起伏；li代表了传感光缆在xi位置的分布式光缆应变测量值与至区域的应变平均值的差值，l代表路基监测光缆的局部应变分布，体现了由于土壤颗粒挤压造成的应变光缆局部应变随机起伏。进一步地，基于分布式光缆的应变测量结果识别路基沉降需要首先对监测数据进行预处理，设路基中埋入的应变传感光缆的初始应变分布为sref，并将其定义为参考状态，在路基正式服役后，相同传感光缆的后续应变分布测量结果为sass，并将其定义为评估状态，二者的表达式分别为：sref＝(sr1sr2...srN)(10)sass＝(sa1sa2...saN)(11)其中sri，i＝1,2,...,N，代表在路基xi位置的初始应变测量值，即初始状态应变值，sai，i＝1,2,...,N，代表在xi位置的服役期后续应变测量值，即评估状态应变值；依据式(1)至式(9)对sref和sass进行两类应变分布提取，得到区域应变分布rref、rass和局部应变分布lref、lass，表达式分别为：rref＝(rr1rr2...rrN)(12)rass＝(ra1ra2...raN)(13)lref＝(lr1lr2...lrN)(14)lass＝(la1la2...laN)(15)其中rri和rai分别代表路基xi位置的参考状态与评估状态的区域应变值，其中lri和lai分别代表路基在xi位置的参考状态与评估状态的局部应变值。进一步地，基于埋入式分布式应变光缆的局部应变分布lref和lass定义轻微沉降表征系数ci，用于定位和表征路基轻微沉降病害；ci的表达式为：ci为以路基xi位置为中心左右两侧宽度wc长度区域内局部应变分布的标准差，ci代表了xi位置附近的局部应变波动幅度，ci值越大，代表局部应变起伏越大，反之则越小；ci值会随着路基轻微沉降的产生而逐渐减小；依据式(16)分别计算lref和lass的轻微沉降表征系数分布向量cref和cass:cref＝(cr1cr2...crN)(17)cass＝(ca1ca2...caN)(18)其中cri和cai分别代表路基在xi位置的参考状态与评估状态的轻微沉降表征系数；定义轻微沉降表征系数差异量Δc：Δc＝cass-cref＝(Δc1Δc2...ΔcN)(19)其中Δci表示在路基xi位置评估状态与参考状态的轻微沉降表征系数的差值，当Δci＜0时，代表路基xi位置产生了轻微沉降病害，Δci值越小，代表评估状态相对于参考状态的局部应变波动幅度降低越多，沉降病害程度越严重；提取路基所有Δci＜0位置组成集合xc：xc＝{xi|Δci＜0,i＝1,2,...,N}(20)xc即为路基的轻微沉降病害定位结果。进一步地，基于埋入式分布式应变光缆的区域应变分布rref和rass定义显著沉降表征系数kri，用于定位和表征路基的显著沉降病害；kri的表达式为：其中e为布里渊时域分析系统的应变测试精度，kri代表了路基xi位置的参考状态与评估状态的区域应变值差异量的绝对值与系统测试精度的比值；当kri＞1时，代表传感光缆在xi位置的区域应变值变化幅度超过系统测试精度，说明路基应变光缆埋深发生变化，路基产生了显著沉降病害，kri值越大，代表路基沉降病害越严重；依据式(21)计算路基严重沉降表征系数分布向量kr:k本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法，其特征在于：将铠装分布式应变传感光缆沿公路纵向埋入到路基土壤中，使应变传感光缆与路基耦合成为一体，利用土壤回填和压实的过程使应变传感光缆产生随机弯曲，并将应变传感光缆的应变分布分离为两类应变分布：第一类为由于土壤颗粒挤压造成的应变传感光缆局部应变随机起伏，第二类为由于应变传感光缆的埋深不同造成的应变传感光缆区域应变随机起伏；基于第一类应变分布提出轻微沉降表征系数，用于定位和表征路基的轻微沉降病害；基于第二类应变分布提出显著沉降表征系数，用于定位和表征路基的显著沉降病害。

【技术特征摘要】
1.一种基于埋入式分布式光缆的路基沉降病害定位与沉降程度表征方法，其特征在于：将铠装分布式应变传感光缆沿公路纵向埋入到路基土壤中，使应变传感光缆与路基耦合成为一体，利用土壤回填和压实的过程使应变传感光缆产生随机弯曲，并将应变传感光缆的应变分布分离为两类应变分布：第一类为由于土壤颗粒挤压造成的应变传感光缆局部应变随机起伏，第二类为由于应变传感光缆的埋深不同造成的应变传感光缆区域应变随机起伏；基于第一类应变分布提出轻微沉降表征系数，用于定位和表征路基的轻微沉降病害；基于第二类应变分布提出显著沉降表征系数，用于定位和表征路基的显著沉降病害。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分布式应变传感光缆采用具有金属丝加强的铠装应变光缆，应变传感光缆的解调系统采用布里渊时域分析系统。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，应变传感光缆的两类应变分布采用滑动平均法进行分离，设分布式光缆沿路基长度方向的测点位置向量为x，各测点对应的应变测量结果向量为s，二者表达式分别为：x＝(x1x2...xN)(1)s＝(s1s2...sN)(2)其中xi，i＝1,2,…,N，代表传感光缆第i测点对应的路基纵向长度的位置；si，i＝1,2,…,N，代表在xi位置的分布式光缆应变的测量值；设分布特征提取窗口长度为wa，wa为正整数，并满足条件：wa≥w/Δx(3)其中w和Δx分别为分布式光缆解调仪的空间分辨率和采样间隔；以wa为窗口长度，Δx为移动步长，对s进行滑动平均，将其分离为区域应变分布向量r和局部应变分布向量l：r＝(r1r2...rN)(4)l＝(l1l2...lN)(5)li＝si-ri,i＝1,2,...,N(6)其中ri代表传感光缆在至区域的光缆应变的平均值，r反映了路基监测光缆的区域应变分布特征，体现了由于应变传感光缆的埋深不同造成的应变光缆区域应变随机起伏；li代表了传感光缆在xi位置的分布式光缆应变测量值与至区域的应变平均值的差值，l代表路基监测光缆的局部应变分布，体现了由于土壤颗粒挤压造成的应变光缆局部应变随机起伏。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于分布式光缆的应变测量结果识别路基沉降需要首先对监测数据进行预处理，设路基中埋入的应变传感光缆的初始应变分布为sref，并将其定义为参考状态，在路基正式服役后，相同传感光缆的后续应变分布测量结果为sass，并将其定义为评估状态，二者的表达式分别为：sref＝(sr1sr2...srN)(10)sass＝(sa1sa2...saN)(11)其中sri，i＝1,2,…,N，代表在路基xi位置的初始应变测量值，即初始状态应变值，sai，i＝1,2,…,N，代表在xi位置的服役期后续应变测量值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐金龙，李惠，董永康，张照辉，张东昱，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，湖北三江航天红峰控制有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23