【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光纤传感，具体为一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统及方法。
技术介绍
1、深层土体水平位移的监测一直是地下工程中的重要研究问题，随着高层建筑物、地铁隧道和地下人防工程等设施建造的不断增加，将产生大量的深层土体开挖。地下岩土环境的复杂性以及其他因素影响，开挖过程中往往无法精确计算周边土体的位移情况，因此需要使用特定仪器长期监测土体和挡土桩等水平位移。传统深层土体水平位移监测方法采用人工测量，分段监测，存在着耐久性、稳定性和抗干扰能力较差等缺陷，无法实时监测数据状况，做到及时的预警反馈，难以满足深层土体的长期监测需求，且容易产生重大安全事故，造成人员伤亡。在安全监测与风险评估中，只有及时提供准确的变形监测数据，才能够保证设计人员正确进行综合分析和施工方案制定，确保施工的安全和质量。
2、随着以光敏为载体的光纤光栅阵列传感技术在工程应用领域的快速发展，目前的光纤光栅阵列传感技术所具备的高稳定性、耐腐蚀、强抗电磁干扰和远距离传输等优点是传统监测方式所不具备的。但将光纤光栅阵列传感技术应用于深层土体水平位移的测量工艺较为复杂，对算法精度要求较高，同时需要满足现代化基坑工程监测的应用需求。
技术实现思路
1、本专利技术的技术目的是提供一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统及方法，以实现实时自动化采集深层土体结构状况，通过波长-应变-位移转换形成土体水平位移的实时状况显示，并在掌握深层土体水平位移变化的同时，通过设置报警系统预警值，完成对深层水平位移
2、针对现有技术存在的不足，为实现上述技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，包括后台系统和至少一套与后台系统通信连接的监测设备，其特征在于：
4、所述监测设备包括深层土体水平位移监测器和地面终端；
5、所述深层土体水平位移监测器由光纤光栅传感器和安装光纤光栅传感器的支撑管组成，深层土体水平位移监测器的主体埋在地面以下，露出地面的顶部配有防护设施；
6、所述支撑管的长度根据待监测的土体深度设定，由一个或多个测斜管单元组成，所述的多个测斜管单元通过连接管拼接为一体；
7、所述光纤光栅传感器附着在测斜管单元的内壁上，沿着测斜管单元的轴向方向延伸，用于输出耦合于土体水平位移的监测信息；
8、所述地面终端包括一防护箱和安装在防护箱内的光纤光栅解调仪、通信设备和供电设备；
9、光纤光栅传感器的顶部输出端与地面终端的光纤光栅解调仪连接，通过光纤光栅解调仪完成信号转换后，由通信设备将光纤光栅传感器反馈的监测信息实时上传给后台系统；
10、所述后台系统用于对监测设备上传的监测信息进行数据处理，获得监测区域土体水平位移的变化数据，并将其与预设的预警值对比，判断是否进行预警，以及将土体水平位移的变化数据和预警信息通过计算机输出设备显示。
11、在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
12、进一步的，所述后台系统包括云平台和监测结果处理与预警显示系统；
13、所述云平台和监测结果处理与预警显示系统、地面终端分别连接，用于汇总和共享布设在不同地点的监测设备上传的监测信息。
14、进一步的，所述测斜管单元的内壁沿其轴向方向开设有至少一组相对的u型凹槽，每个u型凹槽内安装有一条光纤光栅传感器。
15、进一步的，所述光纤光栅传感器的顶部输出端通过所述铠装单模单芯光纤与所述光纤光栅解调仪连接。
16、进一步的，所述铠装单模单芯光纤自中心向外围依次设有纤芯、涂覆层、钢绞线、凯夫拉布层和外护套。
17、一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警方法，利用如上所述的基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统实施，其特征在于，包括以下数据处理的步骤：
18、确定光纤光栅传感器输出的信号波长，基于波长-应变的耦合关系计算得到光纤光栅传感器应变信息，所述波长-应变的耦合关系通过如下公式表达：
19、
20、其中，δλ表示布拉格散射的波长偏移，λ表示初始的布拉格散射波长，neff表示光纤的等效折射率，表示等效折射率随应变的变化率，ε表示应变测量点的应变。
21、进一步的，以两个沿支撑管的相对方向铺设的光纤光栅传感器为一组，结合二者反馈的信号，通过如下算法消除温度对应变产生的影响：
22、
23、
24、其中，ε上、ε下分别为两个光纤光栅传感器在同一高度应变测量点的不同应变值，设测斜管单元偏移方向一侧的光纤光栅传感器在该高度应变测量点的应变值为ε下，另一个光纤光栅传感器在该高度应变测量点的应变值为ε上；ε总为该组光纤光栅传感器的输出值，是仅轴向产生的应变；表示轴向正应变，表示轴向负应变，εt表示温度变化造成的应变，εn表示切向应变；
25、
26、进一步的，基于计算获得的应变和应变-位移的关系，计算得到光纤光栅传感器位于土体深层的应变测量点的位移信息，计算公式如下：
27、设所述光纤光栅传感器设有n个光纤光栅，对应于n个应变测量点，n>2，对于处于土体深层的第n个应变测量点，其位移wn为：
28、
29、其中，wn为光纤光栅传感器第n个应变测量点的垂直方向上的位移，r表示光纤光栅传感器的纤芯半径，h表示应变测量点的间距，n表示光纤光栅传感器应变测量点的数量，εi表示第i个应变测量点的应变。
30、进一步的，所述支撑管由多个测斜管单元通过连接管拼接为一体时，通过滤波剔除光纤光栅传感器在连接管处的波长变化误差。
31、本专利技术的有益效果是：
32、本专利技术通过一种新颖的方式将光纤光栅阵列传感技术引入深层土体水平位移监测中，可实现深层土体水平位移的自动化监测与预警，为深层土体水平位移监测技术提供新的监测手段。本专利技术系统监测预警系统具有抗干扰能力强、适应性好、安全性高的优点，能够用于长期监测，且监测设备便于回收利用，节省了人力、财力和物力资源，在此基础上结合远距离传输和后台分析，能够使用户及时的获知监测地点深层土体内部结构变化和预警信息，预防因深层土地水平位移过大而导致内部结构失稳破坏造成重大损伤，为工程监测及山体滑坡等提供自动化监测技术解决方案。
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1.一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，包括后台系统和至少一套与后台系统通信连接的监测设备，其特征在于：
2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述后台系统包括云平台(12)和监测结果处理与预警显示系统(13)；
3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述测斜管单元(2)的内壁沿其轴向方向开设有至少一组相对的U型凹槽(18)，每个U型凹槽(18)内安装有一条光纤光栅传感器(1)。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(1)的顶部输出端通过所述铠装单模单芯光纤(5)与所述光纤光栅解调仪(6)连接。
5.如权利要求4所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述铠装单模单芯光纤(5)自中心向外围依次设有纤芯(15)、涂覆层(17)、钢绞线(20)、凯夫拉布层(21)和外护套(22)。
6.一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警方法，利用
7.如权利要求6所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警方法，其特征在于，包括以下数据处理的步骤：
8.如权利要求6所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警方法，其特征在于，包括以下数据处理的步骤：
9.如权利要求1-8所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，包括后台系统和至少一套与后台系统通信连接的监测设备，其特征在于：
2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述后台系统包括云平台(12)和监测结果处理与预警显示系统(13)；
3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述测斜管单元(2)的内壁沿其轴向方向开设有至少一组相对的u型凹槽(18)，每个u型凹槽(18)内安装有一条光纤光栅传感器(1)。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的深层土体水平位移监测预警系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(1)的顶部输出端通过所述铠装单模单芯光纤(5)与所述光纤光栅解调仪(6)连接。
5.如权利要...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘阳，孙阳阳，张文泽，杨超越，曾捷，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：
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