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复杂基坑工程三维土压力安全感知 装置研发及实践应用

发布时间:2022-11-11 09:52
目录
I
Abstract III
I
第 1 章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2基坑工程监测现状 2
1.3土压力监测研究现状 2
1.3.1土压力监测研究历史及发展 3
1.3.2三维土压力传感器的现状 4
1.4光纤光栅传感技术研究现状 6
1.4.1光纤光栅传感技术的发展 7
1.4.2光纤光栅传感技术的特点 8
1.4.3光纤光栅传感技术的应用 9
1.5研究内容及技术路线 11
1.5.1研究内容 11
1.5.2研究技术路线 12
第2章 传感器结构设计及理论校核 13
2.1引言 13
2.2传感器研发背景 13
2.3光纤传感原理及特性分析 14
2.3.1光纤光栅传感原理 14
2.3.2光纤光栅应变传感特性 15
2.3.3光纤光栅温度传感特性 18
2.3.4光纤光栅温度补偿方法 20
2.4空间应力-应变理论 21
2.5传感器结构设计 22
2.5.1传感器结构设计原理 22
2.5.2传感器结构尺寸设计 24
2.5.2.1传感面结构设计 24
2.5.2.2壳体结构设计 26
2.5.2.3光纤固定口结构设计 27
2.5.3传感器材料选取 27
2.6传感器特性分析 28
2.6.1传感器力学特性 28
2.6.2传感器传感特性 31
2.7传感器尺寸及强度设计校核 32
2.7.1传感器与土介质颗粒大小校核 32
2.7.2传感器与土介质的刚度校核 32
2.7.3传感器信号啁啾问题 34
2.7.4传感器受压膜片强度校核 34
2.8本章小结 35
第 3 章 三维土压力传感器传感特性模拟 36
3.1引言 36
3.2ANSYS 软件简介 36
3.3传感器受压圆膜片应变模拟 36
3.3.1圆膜片结构模拟概述 36
3.3.2有限元模型建立 37
3.3.3有限元模拟结果分析 37
3.3.3.1弹性特性分析 38
3.3.3.2结构应变分析 39
3.4三维土压力传感器传感特性分析 40
3.4.1传感器单向荷载模拟 40
3.4.2传感器三向荷载模拟 42
3.5传感器嵌入特性分析 44
3.5.1传感器各部件应力状态分析 45
3.5.2不同弹性模量介质下初始应力场分析 47
3.6本章小结 49
第 4 章 传感器的制作与标定 51
4.1引言 51
4.23D 预打印传感器 51
4.3传感器的加工制作 52
4.3.1传感元件的选取与封装 52
4.3.1.1应变传感元件 52
4.3.1.2封装材料 53
4.3.2传感器的零件加工 54
4.3.2.1壳体结构制备 54
4.3.2.2一维土压力传感器结构制备 55
4.3.3传感器器件的组装图 56
4.3.3.1光纤布拉格光栅的粘贴 56
4.3.3.2光纤端面处理和熔接 58
4.3.3.3土压力传感器的组装图 59
4.4传感器的室内标定 60
4.4.1压力特性试验 60
4.4.1.1传感器重复性试验 61
4.4.1.2传感器蠕变试验 62
4.4.1.3传感器压力标定试验 62
4.4.2温补特性试验 64
4.4.3传感器传感公式 66
4.5本章小结 67
第 5 章 监测系统研发与工程安全监测 68
5.1引言 68
5.2安全监测系统研发 68
5.2.1系统需求分析 68
5.2.2多源信息解调仪 69
5.2.3基于 LabVIEW 的多源信息监测平台 69
5.2.4基于Web端多源信息同步监测平台 71
5.3监测目的 73
5.4监测内容 74
5.5传感器布设 74
5.5.1光纤光栅三维土压力传感器布设 75
5.5.2光纤光栅位移计布设 76
5.5.3光纤光栅轴力计布设 77
5.5.4光纤光栅采集仪布设 78
5.6数据分析 79
5.6.1三维土压力传感器监测数据分析 79
5.6.2位移计数据分析 81
5.6.3轴力计数据分析 83
5.7本章小结 84
第 6 章 结论与展望 85
6.1结论 85
6.2展望 86
87
参考文献 88
攻读学位期间获得与学位论文相关的成果目录 93
第 1 章 绪论
1.1研究背景
随着我国国民经济以及城市化速度的加快,生活水平不断提高,城市人口飞 速增长,导致了土地资源日益紧张、水资源短缺、环境污染以及交通拥堵等一系 列问题,高层建筑物和地下空间的开发无疑对城市可持续发展具有重要意义[1]。 高层建筑物和深部地下空间开发不断发展,使得城市高层建筑、地下商场、地铁 高层以及地下市政工程的开发规模日益增大,基坑工程数量急剧增加,基坑工程 的深度和规模不断扩大,施工质量和施工安全的要求越来越高,对基坑工程的施 工和监测提出了严峻的挑战[2]。
基坑工程常位于建筑密集和交通繁忙地段,拟建场地周边往往存在着各种繁 多建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程,深基坑的开挖,必然会 引起周围地层发生扰动,打破原来的初始土体应力平衡,这将使周边的道路、建 筑物、管线产生附加应力和位移,从而存在着巨大的安全隐患,给基坑施工期监 测造成更严格、更复杂的技术要求[3]。因此基坑工程的监测不仅需要满足监测的 精度,还需要实现实时监测预警,以确保工程自身顺利施工和邻近建筑物的安全, 其中土体压力的监测为重中之重。
基坑工程土压力的监测是监控土体稳定、判断支护设计是否合理安全、施工 方法是否正确的重要手段。随着深基坑工程的不断开挖,岩体的应力大小和方向 均处于一个动态变化过程,土压力监测一般采用土压力传感器进行测量,常用的 土压力传感器可分为钢弦式和电阻式两大类[4],通过频率仪和电阻应变仪接收传 感数据,该类土压力传感器主要为土体单向土压力的监测,无法得到某点处三维 土压力数据,三向应力的监测对于基坑开挖过程中动力灾害的预测与土体安全稳 定性更具有参考价格,并且以上给出的土压力监测数据传输方式均为电传输,受 环境影响较大,存在精度和稳定性均较低等缺点,不适用与目前的土压力监测。
本论文拟提出一种基于光纤传感的光纤光栅三维土压力传感器以及光纤光 栅基坑智能监测系统来深基坑土压力的变化,与传统的土压力传感器相比较,该 光纤光栅三维土压力传感器不仅能够监测三维土压力状态,还具有无源传感、稳 定性高、抗电磁干扰性强、数据可靠及可适用于恶劣环境等优点,搭配自主研发 的光纤光栅基坑智能监测系统,能够实现基坑土压力的实时在线精确测量,并具 有数据存储、数据回放、实时预警及用户管理等功能,适用于基坑工程土压力的 监测应用。
1.2基坑工程监测现状
基坑工程的安全措施和监测起步较晚,随着基坑工程事故的频发,人们不断 的吸取教训,为满足这类工程的监测需求,基坑监测技术从最原始的人工巡检到 一些半自动的监测仪器出现,再到现在越来越多传感技术应用到工程监测系统中, 稳定可靠的监控手段逐渐得到发展[5]。20世纪 50年代,工程界逐渐意识到岩土 体失稳是导致基坑工程事故的大多数原因,于是关于基坑工程监测的工作逐步受 到重视,但由于监测装置匮乏以及缺少相关经验,基坑工程的监测有着很大的困 难。20 世纪60 年代,墨西哥首次采用专用的监测设备进行软土层基坑开挖安全 监测,确保施工安全。20 世纪70 年代,基坑监测装置的研发、布设以及分析等 研究工作不断加深。20 世纪80 年代,监测方法和监测手段方法的不断改进,陆 续提出了包含仪器布置、岩土技术理论、连续监测等因素的安全监测方法。20 世纪 90年代,计算机技术应用于基坑工程监测中,监测数据处理及安全监测系 统不断完善,使得基坑工程监测技术得到飞速的发展,基坑安全监测逐步发展为 自动化监测,并成为基坑工程设计、施工质量控制的重要手段[6]。
基坑工程监测技术的进步和发展主要表现在三个方面,一是监测仪器和方法 的进步,早起利用笔、皮尺等简单工具进行监测,后来出现了全站仪、水准仪等 光学仪器,但仍无法实现连续监测,直到各类电磁类传感器以及以光纤光栅为传 感基元的光纤光栅传感器的出现[7],才解决相关难题,与此同时,三维激光扫描 技术[8]和GPS卫星定位技术I9】也逐步应用到基坑监测中,监测精度和稳定性逐渐 提高;二是监测系统的进步,随着计算机网络技术的发展,计算机网络不断拓展 和延伸到基坑监测的各个方面,基于各类编程语言或自动化技术的监测系统,越 来越多的应用到基坑监测中,提高了基坑监测的智能化程度以及可靠性[10];三是 监测数据的处理,随着基坑工程的安全性要求越来越高,以往单纯的数据获取已 经无法满足工程需求,同时各种异常数据也影响了监测数据的可靠性,为了实现 工程的动态监测、预警和管理,需要更加合理的数据处理手段,研究人员通过灰 色理论、神经网络技术和多元回归方法等数学手段建立各种数据处理模型,为基 坑工程监测数据的处理提供了技术保障[11]。
1.3土压力监测研究现状
挡土结构物背后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力称为土 压力,土压力的量测是基坑工程安全监测中的重要内容。土压力的大小和分布规 律除了与土体本身的性质及挡土墙的性质有关外,还与基坑地基变形和挡土墙位 移有关,由于土压力计算参数在空间上分布差异较大,难以难以准确的用数学公 式推演表达,常采用实地测量的方式确定土压力的大小及方向,土压力的采集与 分析是地表及地下岩土工程设计与施工的必要前提[12]。
1.3.1土压力监测研究历史及发展
土压力的监测是土力学理论和实验研究的基本方向,主要通过埋设土压力传 感器于土中或布设结构物表面来监测,国内外均对土压力监测理论和土压力传感 器研发展开了大量研究。
1857年,英国科学家朗肯(WJ.M.Rankine) [13]根据半空间应力状态与土体 极限平衡条件构建出土体结构承压的弹性平衡模型。1916年,英国科学家戈德 贝克(B.Goldbeck) [14]等人研制出了史上第一台用于土压力监测的传感器,传感 器采用压力平衡原理监测土压力值,开启了土压力监测研究的开端,越来越多专 家学者投入到的土压力监测的研究中。1925年,美籍奥地利人太沙基(K.Terzaghi) [15]等人出版了第一本《土力学》专著,揭示了土的工程性质与土工试验的重要性, 首次结合了土体的应力-变形-强度-时间等各因素,并提出了饱和土的有效应力理 论。1930年,美国科学家卡尔森(Carlson)等人针对混凝土介质中的应力难以 测取的问题,基于差动电阻式传感器的原理,发明了双膜液腔式土压力传感器, 通过感应膜的挠曲位移来测得应力值。1930年,前苏联科学家达维坚科夫等人[16] 研制了世界上首款振弦式传感器,振弦式传感器将测得的应力值以频率信号的形 式传出,具有结构简单,抗干扰性强,寿命长等特点,是较为先进的传感器之一, 一直沿用至今。
20世纪50年代,由于国内三峡工程、长江大桥等重大课题的需求下,土压 力监测技术的研究开始兴起,铁道建筑研究所率先研制出马蹄形弹性传感器和油 腔膜传感器两种土压力传感器,随后又研制出适用于软弱介质土体和接触压力量 测的钢弦式土压力传感器,均取得了广泛的应用。1965年,中科院岩土力学研 究所研制出电容式土压力传感器,在土介质自由应力监测应用中取得了成功[17]。 1966年,由河海大学、南京工学院和北京市政设计院联合研制出了油腔电阻应 变式土压力传感器,在土压力监测中具有较高的监测精度[18]。1972至1973年间, 89002部队广泛查阅海内外土压力传感器研制的相关文献资料,由美国研制的SE 型土压力传感器获得灵感,自行研制出无油腔双膜片土压力传感器,通过采用硅 半导体应变片,大大提高了传感器的监测灵敏度,并于1982年通过鉴定,得广 泛的应用,为我国土压力监测的发展做出来很大的贡献。1999年,天津大学的 毛毳等人[19]研发了一种新型接触压力传感器,基于碳材料的压阻效应,可以直接 用来监测接触压力,在土压力的量测中,具有性能稳定,操作简便的优点 2003 年,总参工程兵科研三所余尚江等人[20]为适应土中动态压力测试的需要,研制了
PVDF 土压力传感器,能够用于爆炸荷载作用下土中压力测量。2013 年,山东大
学光纤传感技术工程研究中心的蒋善超等人[21]研制出一种微型高精度光纤光栅 土压力传感器,通过不锈钢膜片与力学传递元件将土压力转化为光纤光栅的轴向 拉力,从而监测土压力的变化,具有体积小、精度高的优点。2018 年,西北核 技术研究所张继军等人[22]研制了一种焊接结构双膜片光纤光栅土压力传感器,解 决了传统土压力传感器长期稳定性差、抗电磁干扰能力弱以及组网难度大等问题。
在土压力监测研究的历史中,传感元件材料由于可以有效的改善土压力传感 器监测性能而越来越受到人们的关注,而采用光纤光栅作为敏感元件的传感器具 有监测精度高、抗干扰能力强等特点,已经逐渐成为传感器的发展方向,近年来 国内外的学者均展开了大量的研究[23]。
1.3.2三维土压力传感器的现状
目前,市场上普遍使用的土压力传感器多集中与一维和二维层面,而对于三 维土压力传感器的研究与应用几乎是一个空白,为了更好的服务于实际工程,三 维土压力传感器的研究显得至关重要[24]。
南开大学兰玉文等人[25]设计了一种圆柱状三维应力传感器,通过将三个光纤 光栅等角度有机玻璃圆柱体侧面,实现三维空间任意方向应力大小及方向的准确
 
 
图 1-1 圆柱状三维应力传感器机构示意图
合肥工业大学黄英等人[26]基于炭黑、碳纳米管和硅橡胶的表面压阻效应,设 计了两种不同结构四叉指电极柔性三维力传感器,用于机器人智能皮肤上三维力 的监测。通过一系列力学实验表面,该传感器具有良好的线性度和灵敏度。
 
 
R、 R,
 
图 1-2 电极式三维力传感器结构图
日本大阪大学学者KohHosoda[27]提出了一种具有分布感受器的拟人化软指。 该软指指尖与内部均布设有电阻应变计,分布在表面的应变计测量指尖局部的应 力,而布置在内部的应变计则用来测量整体的受力情况,软指实物与结构如下图 所示。
 
图 1-3 多应力监测软指实物图与结构图
河南大学李顺群等人[28]设计了一种由开槽的十二面体基座和六个单向土压 力盒组成的三维土压力测试装置,同时给出了测试数据与常规应力状态之间的计 算方法,并附有误差分析。该传感器在等菱形十二面体六个法向量互不相关的面 上布置六个一维土压力盒,监测六个方向土压力变化,通过给出的计算方法得出 传感器处的三维应力状态。该传感器通过测量六个方向的应力变化,能够得到测 点处全应力状态的变化效果。
 
 
图 1-4 三维土压力装置结构示意图与实物图
武汉大学的王蕾[29]等人设计制造了一款新型六向光纤光栅压力传感器,该传 感器基体为球体,在球体内部布设六个相互独立的压力传感单元,各自呈不同角 度布置,传感单元由光纤光栅应变计及其他机械连接材料组成,经过室内分级加 载实验检验测试,该六向传感器各误差指标均符合传感器的研发要求,能够实际 应用。
 
 
图 1-5 新型六向光纤光栅压力传感器示意图
北京航空航天大学的 Hui-Chao Xu 等人[30]提出了一种基于光纤光栅应变传 感器的三维力传感器,通过在弹性立方体基体表面开不同方向的凹槽并在槽内粘 贴或焊接基片式光纤光栅应变计制成,该传感器可用于测量被测结构的三维力、 力的分布和相对微变形趋势。标定实验结果表明,该方法能够准确、有效地实现 三维力的测量,具有良好的线性度、重复性和一致性。
 
图 1-6 建筑结构光纤光栅三维应力传感器
中科院岩土所的朱元广等人[31]自行研发了三向土压力传感器,通过 RMT 岩 石力学试验系统对该传感器进行标定,得到了各个传感面的标定系数,并将传感 器浇筑成水泥砂浆立方体试样(边长600mm),利用自行研发的真三轴试验加载 装置研究重复荷载下水泥砂浆体中传感器实测应力与外部加载应力之间的联系 与变化规律。
 
 
图 1-7 三向压力传感器的外部结构图
1.4光纤光栅传感技术研究现状
随着通讯技术的快速发展,光纤通讯得到了广泛应用,光纤光栅传感器技术 在此基础上得到高速的发展[32]。光纤材料具有较高的紫外敏感特性,通过利用紫 外光曝光的方法,在纤芯内写入入射光相干场图样,致使部分范围的纤芯内产生 沿纤芯轴向折射率发生周期性变化[33]。光纤光栅实际上是一种光纤纤芯折射率发 生轴向周期调制形成的衍射光栅,具有永久性空间的相位光栅,属于无源滤波器 件[34]。
光纤根据材料的组成不同主要分为玻璃光纤和塑料光纤,塑料光纤分为 PS、 PC与PMMA材料,与玻璃光纤相比塑料光纤具有光纤直径较大、耦合方便、易 弯曲、不易折断、光衰大与传输距离短等特点[35]。光纤光栅根据光栅周期的长短 也可分为光纤布拉格光栅(FBG)和长周期光纤光栅(LPEG),光纤布拉格光栅 (FBG)为周期小于1“m的短周期光纤光栅,具有两个传输方向相反的模式之间 发生耦合的特点,是一种反射型带通滤波器;长周期光纤光栅的传输周期较长, 一般为几十至几百微米的周期,满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包 层模之间的耦合,不含后向反射[36-37]。
1.4.1光纤光栅传感技术的发展
近 30 年来,光纤光栅传感技术的研究不断深入和改进,其制作方法、形成 机理、传感原理、工程应用、不同物理量传感原理与应变传递理论等各个方面都 取得了快速的发展和突破,光纤光栅传感技术也逐步从实验室走向市场应用阶段, 具有无源性、轻巧便携、灵敏度高、耐腐蚀性强、传输距离远、抗干扰能力强以 及便于埋设等优点,使其成为二十一世纪最具有发展前途、最具代表性的传感装 置之一,是未来结构监测的中枢神经,也是目前首选的健康监测技术[38]。光纤光 栅传感技术在近三十年来的发展历程见下图所示。
1978 — 发现了掺错光纤的光敏性一KQ.Hill
1987 —
1993 — 发明了紫夕卜光侧向写入技术一Meltz, Morey&Glenn
提出了相位掩膜成栅技术一Snitzer&KQ.Hill
载氢技术提高光纤的光敏特性-Lemaire
1995 — 发现了长周期光纤光栅Vengasaikar
1995 — 推出商业化光纤光栅产品一3M, Bragg Photonics, Innovative Fibers, index, etc.
1996— 第一款商业化光纤光栅解调仪一ElectroPhotonics
1997— 研制了光纤光栅波分复用系统一Ciena
2000— 先进的光纤光栅解调设#—Micron Optics
2003 —
2007— 商业化光纤光栅阵列一LxSix, Sabeus
第一个预分装后的光纤光栅应变片一Micron Optics
 
图 1-8 光纤传感技术近三十年发展历程
1978年加拿大科学家希尔(Hill)㈤]在非线性光学性质的研究中发现了光纤 的光敏性,首次发明了光纤布拉格光栅,并给出了相位模板法与逐点写入法两种 光纤光栅制作方法。同年美国航空航天局(NASA)首次将光纤布设在复合材料 内部,应用于温度与应变的监测,打开了光纤传感应用的大门,越来越多的国家 科研机构投入到光纤传感在其他领域应用的研究中[40-43]。 1989年,位于美国东 哈特福德联合技术中心(UTRC)的G.Meltz等人[44]通过采用244nm紫外光双 光束全息曝光法从光纤侧面写入光栅,研制出可实用化光纤光栅,发明了光纤光 栅紫外光侧向写入技术。通过该技术写入光栅具有写入效率高、光栅周期调节方 便的优点,促进了光纤光栅应用化的研究。同年,美国布朗大学门德斯(Mendez) 等人[45]率先将光纤制成的传感器应用于建筑工程混凝土的结构监测后,美国、英 国、日本、加拿大、韩国等一些国家陆续开展了光纤传感在地基、大坝、隧道、 桥梁、边坡等领域的拓展性研究,积累了大量光纤传感工程监测的工程经验。1993 年,加拿大科学家K.O.Hill等人[46]与其同事通过观察光纤中氖离子的传输形式, 研制了提高光纤敏感性的相位掩膜成栅技术,减少了写入光源相关性的约束,降 低了光纤光栅的制作难度,同年PJ.Lemaire等人[47]提出了用于光纤增敏的低温 高压载氢技术,该增敏技术适用于掺磷、掺锗类光纤,目前已经广泛应用于光纤 光栅制作的过程中。1996年,位于美国贝尔实验室的著名科学家Vengasarkar等 人[48]提出了一种新型的长周期光纤光栅,可作为光纤内低损耗的带阻滤波器。同 年, 3M、Innovative Fibers 和 Bragg Photonics 等公司实现了 FBG 的商业生产, 推出了光纤传感产品[49]。
除了科学家和研究人员外,各大公司在光纤传感方面的研究也取得了重大突 破。 1996 年美国 Electro Photonics 公司率先推出商业光纤光栅解调仪,是真正意 义上一款商业化光纤光栅波长解调仪。1997年,美国Ciena公司在WDM系统 中成功部署FBG,实现了光纤光栅波分复用系统的广泛应用2000年,美国Micron Optics 公司研发出功能先进的光纤光栅波长解调仪。 2003 年, LxSix 和 Sabeus 公司推出商业卷对卷式FBG阵列。2007年,Micron Optics公司又推出了历史上 第一个完整的预组装FBG应变计产品[50]。通过世界各地学者、组织对光纤光栅 研究的深入,光纤光栅传感技术在世界范围内取得了巨大的影响,成为发展最快、 最具前景的传感技术之一,并已经实现了工业产品的转化,在全世界范围内取得 了大量的应用。
1.4.2光纤光栅传感技术的特点
光纤光栅传感技术属于国内外广泛应用的一种最先进的光纤数码传感技术, 直接在石英单模光纤上制作多个光栅,封装保护后形成光纤传感链[51],通过外界 物理参量对光纤布拉格波长的调制,高精度地测量温度、压力、位移、速度、加 速度和气敏等多种物理量[52-57]。光纤光栅传感主要采用波长调制型传感技术,相 对于传统的强度调制型和干涉调制型光纤传感技术,其优势在于:波长调制编码 技术的使用能够在无参考点的情况下实现长期绝对测量;通过测量物理量变化前 后反射光波长的变化,获得待测物理量的变化清楚,测量信号不受光纤弯曲损耗、 光纤连接损耗、探测器老化与光源起伏等因素的影响;利用波分复用技术实现一 线多点,无缘多场的准分布式测量[58]。
光纤光栅传感器与传统的电磁式传感器相比,具有以下的突出优点[59]:
(1)线径细,重量轻,安装方便。外涂覆盖了塑料或树脂保护层的裸光纤 直径仅250“m,直接粘贴在被测结构上或置入材料内部,对被测结构的影响较 小。
(2)抗干扰能力强,适用性较好。光导纤维材料属于绝缘体,防爆性能好, 抗电磁干扰强,环境适用性好,采用非电量光信号测量,可长期用于高温、高湿 及存在化学侵蚀等的恶劣环境。
(3)性能稳定,使用寿命强。光纤由高折射率的纯石英玻璃材料制成,抗 氧化,高温高压下工作性能稳定可靠,具有优异的耐化学与耐腐蚀性能,使用寿 命可达到 20 年以上。
(4)传输容量大,传输距离远。光信号在光纤中传输损耗小,能够实现超 大容量远距离在线监测。
(5)精度高,复用能力强。基于波分、时分和空分复用技术可以实现构成 各种形式的光纤光栅传感网络,实现被测物理量的准分布式测量。
(6)多参数测量,易组网。成型的光纤光栅传感器能够实现温度、应变、 浓度、折射率、磁场、电场、电流、电压、速度和加速度等众多物理参数的测量。
1.4.3光纤光栅传感技术的应用
随着光纤传感技术的不断发展,光纤光栅传感器的制作工艺日趋成熟,制作 成本大幅下降,波长解调精度与数据可靠性也得到大幅提高,能够精确监测到被 测物理量的实际变化情况,光纤光栅传感器逐渐得到应用[60]。图 1-9 为第十五届 国际光纤传感器会议展示的各类传感器市场份额占比情况,其中应力传感器占比 为 23%,排名光纤光栅传感器市场份额第一,温度传感器占比为 17.2%,排名光 纤光栅传感器市场份额第二。光纤光栅传感器在光纤传感器市场份额上占比 44.2%,将近一半的市场份额[61]。
 
 
 
 
(b)传感器类型实测份额占比情况
图 1-9 各类传感器市场份额占比情况
近二十年内光纤光栅传感器在土木工程领域的应用得到飞速发展,目前主要 集中在建筑、桥梁、隧道的施工期与运营期监测、矿山边坡稳定性监测、水坝墙 体稳定性与变形监测等方面,将光纤光栅传感器预装在构筑物结构表面或预置于 结构内部,实时监测结构体的应力、应变、温度与振动等状态参数,实现在线健 康监测[62]。德国柏林结构维护及现代化研究所(IEMB)的Hufman和Habel等 人采用光纤应变传感器监测柏林市区桥梁的变形和振动[63]。美国新泽西理工学院 (NJIT)的学者采用嵌入式光纤光栅传感器对桥梁、公路、隧道、建筑物等混凝 土结构的裂缝信号进行监测。西班牙坎塔布里亚大学(UC)的研究院采用光纤 光栅传感器测量 Las Navas 高架桥外部荷载作用下的受力状况。
我国光纤光栅传感技术的研究、应用和发展始于上世纪90年代中期,其中 武汉理工大学、清华大学和南京航空航天大学等国内重点院校都对光纤光栅传感 技术在结构健康监测中的应用进行了深入的研究,开展了大量的针对性实验并取 得了较好的效果,武汉理工大学还成立了“光纤传感技术国家重点工业试验基地”, 武汉理工大学的姜德生教授课题组研发的光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪的 性能均达到了国际先进水平[64],清华大学的张敏教授[65]通过实验和理论分析研 究了光纤光栅的应变和温度传感特性,提出便于工程应用的铜片封装光纤光栅传 感器,南京航空航天大学梁大开教授[66]介绍了几种埋设在复合材料结构中的光纤 应变传感器,并将其应用于复合材料梁的荷载诊断和振动的结构试验,结果表明 均具有良好的性能。
1.5研究内容及技术路线
1.5.1研究内容
本文针对市场上现有的土压力监测缺少三维应力监测的现状,综合采用理论 分析、数值模拟以及室内试验结合的方式,研发了新型圆膜片式光纤光栅三维土 压力传感器,分析了传感器重复性、灵敏度以及线性度等传感特性,考虑到在线 监测的迫切性,利用 LabVIEW、PHP、MySQL 和阿里云服务技术完成了多源信 息监测平台开发,实现基坑工程的实时监测及控制,最终在太原火车站东广场基 坑工程监测中成功应用,并配合光纤光栅位移计和光纤光栅轴力计为现场施工提 供安全保障,具体研究内容包括:
(1)针对现有土压力监测装置的不足,基于光纤光栅传感特性、温补特性 以及空间应力-应变理论,开展光纤光栅三维传感器结构尺寸设计,完成制作材 料的比选,并通过理论推导计算,给出传感器的传感特性公式以及校核传感面敏 感元件的强度。
(2)利用 ANSYS 有限元分析软件,建立受压圆膜片和传感器模型,分析 其弹性特性及结构应变特性,验证传感器结构的合理性,并建立传感器-介质耦 合特性模型,分析了三维土压力传感器与介质的耦合性能,验证传感器的稳定性。
(3)利用3D打印技术,验证传感器结构尺寸合理性,并选择合适的应变 传感元件和封装材料,完成传感器零部件的加工制作,最终通过室内标定试验, 验证传感器的重复性和蠕变特性,并分析传感器的压力特性和温补特性,得到传 感器最小精度和分辨率。
( 4)分析光纤光栅基坑智能监测系统需求,利用 LabVIEW、PHP、MySQL 和阿里云服务技术完成了多源信息监测系统研发,应用于东广场基坑二期施工的 监测,得到基坑施工中土体压力的变化规律,并配合光纤光栅位移计和光纤光栅 轴力计,为现场安全施工提供保障。
 
 
1.5.2研究技术路线
论文的研究技术路线图如图1-10所示。
动静载耦合作用下复杂基坑工程
三维土压力智能感知与实践
 
 
 
太原火车站东广场基坑工程实践应用
图1-10研究技术路线
第 2 章 传感器结构设计及理论校核
2.1引言
基于复杂基坑工程的监测环境及其三维土压力的监测需求,通过分析光纤光 栅传感原理及传感特性,结合岩土空间应力-应变理论,开展了传感器的功能与 结构设计,设计出一种适用于复杂基坑工程三维土压力监测的光纤光栅三维土压 力传感器,并采用理论推导的方式,推导传感器的力学特性公式与传感特性公式, 同时利用土力学和弹性力学的原理,理论校核传感器的尺寸与强度。
2.2传感器研发背景
基坑工程位于太原火车站东广场,太原火车站具有100多年的历史,属于特 等火车站,是山西省内人员集散量最高的火车站,且该站历经5次大型、 20多次 小型站改,地下有十多米长废弃的接触网杆基础,废旧钢轨、轨枕等有200多处, 障碍物多,地质条件复杂,基坑施工难度大,除此之外,该基坑为地下三层岛式 站台车站,车站有效站台长140m,宽14m,车站长180m,宽23.5m,高21.84m (大 里程端附加预留空间处高28.07m),地下一层两侧各外扩7.9m,高7.37m,为典 型的多层施工项目,具有较高的施工安全风险,安全要求较高。
同时,太原站东广场基坑工程的北面是正在施工的五六号调蓄池项目,长 149.1米、宽68.9米、深19.5米,为大型基坑工程;南面是正在施工的地下停车场 项目,占地面积约30500平方米;西面是下穿火车站顶管施工工程,采用管幕结 构法施工工艺,工程量较大;东面堆放大量建筑材料以及重型货车、水泥车、吊 车等,存在巨大的载荷。基坑示意图如图2-1所示。
 
 
(a)太原火车站东广场渲染图 (b)太原火车站东广场施工图 图 2-1 太原火车站东广场示意图 太原火车站东广场基坑工程施工中,由于四周复杂环境和邻近施工工程的影
响,使得基坑工程存在静载荷、重型机械震动以及邻近工程施工扰动等荷载作用, 相互作用形成了复杂多变的耦合荷载,对基坑工程的施工安全监测提出了严峻的 挑战,其中土压力的监测是判断基坑支护结构安全性的重要因素,特别是针对该 基坑方向各异、大小不一与复杂多变的土压力监测,更是提出了更高的要求,单 纯使用一维或二维应力较难表现出岩土的应力应变状况,需要采用具有三维土压 力监测功能的土压力监测装置,并且能够满足高精度、高耐久性、高稳定性以及 高抗干扰性等监测性能,在此工程背景需求下,利用光纤光栅先进的技术优点, 完成三维土压力传感器的研发刻不容缓。
2.3光纤传感原理及特性分析
针对太原火车站东广场复杂基坑工程监测中对三维土压力监测的高精度、高 标准、抗环境干扰性强、无源传输等性能的需求,本文拟采用光纤光栅传感技术 来解决复杂基坑工程中的三维土压力监测。
2.3.1光纤光栅传感原理
光纤布拉格光栅(FBG)作为一种光纤无源器件,有着诸多独特的优良性能, 随着光纤传感技术的快速发展与深入,生产工艺的不断成熟,光纤传感技术已经 广泛应用于国内外多个工程场合,是目前最具有潜力与价值的光纤无源器件之一, 光纤光栅传感示意图如图 2-2 所示。
 
图 2-2 光纤光栅传感原理
光纤传感的原理是基于波长调制原理的传感技术,结合传感光栅反射特定波 长光的特性来实现光纤传感,如图2-3 所示。当光线在光纤中传输至光栅时,将 反射特定波长的光信号,反射的 Bragg 波长受光栅温度和轴向应变的影响,相互 呈线性关系[67]。
 
图 2-3 光纤传感示意图
光纤 Bragg 光栅有着固定周期性调制分布的折射率,即栅格周期与折射率调 整深度均为常数,光栅波矢偏向跟光纤轴向方向相同,光栅折射率纵向 Z 分布 为
n( z) = n0 + An cos(2 疋z / A) (2-1)
式中,n是光纤纤芯的平均折射率,An=10-5~10-3是导致折射率扰动的数量。 基于光纤光栅耦合模理论和经典麦克斯韦方程,利用光纤 Bragg 光栅中呈正 交关系的传输模式,可将光纤Bragg光栅的中心反射波长表示为
砥=2nf A (2-2)
式中,加为反射光的中心波长;A为光栅周期;%为纤芯模式折射率。
由式2-2可知,反射光中心波长值的大小主要取决于nf和a,当光栅外部 的温度或应变作用发生变化时,将导致nf和A的变化,使得布拉格光栅发生波 长漂移,基于微积分理论和布里渊散射理论,布拉格光栅反射波长的变化量可以 表示为
他=SsAs+St AT (2-3)
式中,AAB为中心波长变化量,S’为应变灵敏度系数,ST为温度灵敏度系 数,A&为应变变化值,AT为温度变化值。
由公式可得,当应变和温度系数不变时,布拉格光栅波长变化值AAb的值主 要取决于应变和温度的变化值。
2.3.2光纤光栅应变传感特性
外部应力造成光纤Bragg光栅中心波长漂移的原因有光纤波导效应、光纤弹 性形变以及光纤内部热应力引起的弹光效应三个方面,外部应力的不同引起的波 长漂移量也不同。一般来说,由于光纤Bragg光栅是各向同性柱体结构,可以将 作用其上的力分解为三个方向的应力6、©和兀,当只有匹的作用时称为轴向 荷载作用,只有6和©荷载时称为横向应力作用;当同时存在三个方向应力时, 称为体应力作用。
 
为了更方便的研究光纤光栅传感器的应力应变模型,可作以下假设[68]:
(1)由于紫外曝光是光纤 Bragg 光栅制作中必不可少的工艺之一,制作中 需除去光纤的外包层以避免其吸收紫外光,故分析其传感特性时,常需忽略外包 层的影响。
(2)在光纤未达到断裂极限时,石英材质的光纤Bragg光栅在允许的外界 应力范围内为可看作理想弹性体,基于胡克定律可得,光纤光栅内部无切应变。。
(3)紫外光引起的光纤折射率变化均布在光纤横截面,对光纤自身各向同 性影响。
(4)作用在光纤光栅上的应力均为静载荷,无动载荷影响。 基于几点假设,分析光纤 Bragg 光栅应力传感理论模型及推导公式。
通过分析Hooke定理在光纤的表达形式,可得到在弹性极限范围内,弹性 体的应力与应变的关系式为
爲=张%区山=123) (2-4)
其中,Ajkl为弹性顺度常数,并因为两边参量下标i与j和k与1相互对称, 所以式 2-4 可以缩写为
SM=^^v = 1,2,3,4,5,6) (2-5)
式中
 
 
Hooke 定律还可表示为
bij =CijklSkl (i, j,k,l =1,2,3)
式中,Cjk为弹性模量(弹性劲度系数),式2-8可缩写为
空=C^v (“, v = 1,2,3,4,5,6)
式中,
 
 
式2-19中,Aa为轴向拉伸作用下光纤Bragg光栅直径的变化量,AL为光
纤Bragg光栅轴向变形量,期f/力为光纤波导效应,期f/6L为光纤弹光效应。
由于相对介电张量人与介电常数空在常规情况下常呈倒数,故有
卩i =丄=4 (2-20)
’ j n j
 
其中,ny为光纤Bragg光栅的折射率,考虑到光纤Bragg光栅的各向同性特 性,可简化折射率为,故式2-20可表示为
(1 ) 2
、加"n "臣叫 (2-21)
忽略波导效应的影响,结合式 2-21 和式 2-20,可推导出
 
其中, 6zz 为光纤 Bragg 光栅在轴向上的变形量。
同时结合式2-20和式2-21对人进行泰勒展开,忽略式中的高阶项,可以推 导出
一制=毎+也 (2-23)
式中, Pij 为光纤 Bragg 光栅的有效弹光系数。
结合式2-22和式2-23,并考虑到(0A / A)(L / 8L) = 1,可以得到光纤光栅弹光 效应下的相对中心波长漂移量与应变之间的关系式为
AA n
AB = 2 [(p1 + p2)6r + 心叮 + 邑 (2-24)
AB 2
故光纤 Bragg 光栅在均匀轴向应力下,光纤光栅相对中心波长漂移量与应变 之间的数学关系式为
 
其中,Pe =(尤 /2)「P12 _(P11 + P2)v],故
S严 1 _ Pe = 1 _ 扌[P2_(P1 + P12) v] (2-26)
S6为光纤Bragg光栅的应变灵敏度系数。
已知熔融石英光纤的有效弹光系数、折射率与泊松比分别为Pn = 0.121,
P12 = 0.270, v=0.17,neff =1.456,可以根据式2-26计算出其应变灵敏度系数为 0.784。
2.3.3光纤光栅温度传感特性
光纤 Bragg 光栅中心波长漂移量除了受应变影响外,温度也是关键影响因素
之一。温度影响波长漂移量变化的主要原因有热膨胀效应、光纤热效应以及热应 力导致的弹光效应三个方面。研究光纤光栅温度传感特性需假设[69]:
(1)由于石英材质光纤的软化点较高,可达到2700°C左右,故在研究光纤 光栅温度传感特性时,通常忽略掉温度对光纤热膨胀系数的影响,将其看做常数。
(2)材料特性的不同,其热效应也不大一样,故光纤光栅温度特性研究中 常忽略掉光纤塑料外包层、金属外包层等涂覆物对热效应的影响,仅考虑光纤自 身材料性能的作用。
(3)认定光纤折射率温度系数在研究的温度范围内为常数。
(4)认定温度场均匀作用在光栅各个位置。
基于以上四点假设,开展光纤Bragg光栅温度传感器特性分析,根据公式
2-2 可知温度与光纤光栅相对波长漂移量的数学关系式为
 
式2-27 中, an = (1/nf )dnf dT为折射率的温度系数,即热光系数;(%爲 为热应力导致的弹光效应; 答/力为热膨胀引起的光纤波导效应; aA= (1/ A)5A/dT为光纤的线性热膨胀系数,式2-27可改写为
 
 
 
其中,光纤光栅由温度产生的应变可以表示为
aAT
aAT
aAT
忽略掉光纤Bragg光栅波导效应的影响时,则温度灵敏度系数St可表示为
 
由公式2-30可知,当材质一定时,光纤Bragg光栅的温度灵敏度系数ST主 要与材料性质有关,可看做常数,确保了光纤Bragg光栅对于温度的监测有着良 好的线性输出。
目前市场上常用的光纤为石英材质光纤, 其线性热膨胀系数为 aA =0.55 x10-6 /C,热光系数为an = 6.8x10-6 /C,结合式2-30可的,忽略光纤 Bragg光栅波导效应时,其温度灵敏度系数为6. 965 x 10-6 / C。
对于纯熔融的石英光纤,忽略掉外界因素影响时,其温度灵敏度系数主要取 决于光纤材料的折射率温度系数,并且其波长漂移量受波导效应和弹光效应的影 响较小,可简化光纤 Bragg 光栅温度灵敏度系数公式 2-30 为
ST a an+aA q an (2-31)
2.3.4光纤光栅温度补偿方法
由于光纤Bragg光栅中心波长的漂移量同时受温度和应变的影响,为了精准 的测量目标物理量,需要达到单一变量原则。针对光纤Bragg光栅对应力应变的 监测,需要在实际监测应用过程中需要消除温度变化引起的光纤Bragg光栅波长 的变化,从而剔除环境温度的影响,这种消除温度影响的方法统称为温度补偿方 法,常用的温度补偿方法有两种[70]:
( 1 )内置温补光栅法 内置温补光栅法的主要原理为将一根封装完毕的布拉格光栅呈不受外力自 然状态置入测压光栅的同一环境中,通过温补光栅感应环境温度的变化,从而消 除测压光栅监测过程中所受温度的影响。该方法使用简单,效果较优,是常用作 温度补偿方法。
( 2)差动式结构法 悬臂式结构的光纤光栅传感器常使用差动式结构发的温度补偿法中。基于悬 臂梁结构相对面有着相反的运动性能的特性,在等强度梁相对面分别粘贴应变光 栅,悬臂梁结构发生形变时,相对面上粘贴的应变光栅分别发生拉伸应变和弯曲 应变,两个光栅波长一个增加一个减少,认定波长分别为2b1和2b2,相应的波 长变化公式为
A2B1 = SJA&\ + ST AT、 (2-32)
A2b2 = SeAs2 + ST AT2 (2-33)
式中,£为应变灵敏度系数、St为温度灵敏度系数 悬臂梁结构的传感器在受力状态下,两根粘贴的光纤光栅波长变化相反,幅 度一致,即A&1=-A&2,由于两根应变光栅置于相同的环境中,温度响应相同, 有AT =AT2,对式2-44和式2-45相减有
A2b1 —A2b2 = 2asAe-1 (2-34 )
公式即为差动式结构法消除温度的原理,简便有效,常用于悬灌梁结构的光 纤光栅应变传感器中。
通过对上述两种方法做对比分析,论文研究装置无悬臂梁结构,综合考虑采
用内置温补光栅的方法来消除温度的影响。
2.4空间应力-应变理论
针对复杂基坑中土压力的监测,在复杂耦合荷载的作用下,土体中同一位置 不同方向的土压力有较大差异,且同一方向不同位置的土压力也不同,且施工的 过程中破坏了岩土原有的应力平衡状态,使得土压力的力学状态不断发生变化, 为了及时得到土压力的分布规律、大小以及方向,清晰便捷得出岩土内部复杂的 三维应力应变状态,可采用虚拟平行六面体来表示,沿着空间坐标轴各个方面将 空间应力分解为九个应力分量,得到某点处所有分量的值即可得出该点处的应力 状态[72]。
岩土中任意一点的空间应力状态b可转化为九个应力分量的矩阵0]为
bx bxy Sz
[b]= ^yx by — (2-35)
厶—zy by _
其中,由弹性力学可知,施加在垂直面上切垂直于两垂直面交线的切应力在 数值上是互等的。
Txy = Tyx
< tv7 =心 (2-36)
yz zy
—x =—
结合式( 2-35)和式( 2-36),得
bx bxy —z
[b]= —y by — (2-37)
—xz Tyz bz _
当空间坐标系某一平米无作用力时,此时岩土的受力为平面应力状态,任意 选择某一坐标轴方向无应力,如选择 Z 轴方向无作用力,则可简化矩阵为
b —
[b]= x 0 (2-38)
L—xy by _
由式2-38可知,针对岩土任意一点的平面应力状态,可以通过2个法向应 力和 1 个切向应力来表述该点的应力状态,而对于任意一点的三维应力状态,则 根据式2-37可知,三维空间中任意一点的应力状态可通过该点的3个法向应力 和 3 个切向应力来描述,如图2-4所示。
 
 
图 2-4 土体中应力状态的常规表示方法
2.5传感器结构设计
2.5.1传感器结构设计原理
为了适应复杂基坑工程土压力的监测环境,所设计的光纤光栅三维土压力传 感器应该具有可靠性好、性能稳定、耐久性强、监测精度高等特点,并且由于力 学分析中平面六面体是虚拟的存在,传感器对三维土压力的监测需要假设[73]:
(1)基坑工程中的土体为连续、各向同性的线性弹性体,内部的应力-应变 呈连续性变化;
(2)传感器相对于被测土体的尺寸为无限小,无需考虑尺寸效应,仅反映 一点的应力状态;
(3)监测的过程中,土体的参数、传感器的材料参数均为定值。 根据空间应力-应变理论,为了得到土体内一点三维应力的状态,光纤光栅
三维土压力传感器可以设计为任意的形状,但由于力学分析中常使用平行六面体 来表示该点的力学状态,使得三维应力状态至少需要测得六个不同方向的线应变, 故传感器的壳体结构常设定为立方体形状,因此,为了减小各个传感面的监测误 差、提高壳体结构的稳定性,壳体宜采用正方体结构。
复杂基坑工程中三维土压力的监测,主要是针对土体内部法向的正应力,基 于应变状态传感理论,可在壳体材料空间坐标轴六个方向布置一维土压力传感器, 使得单个光纤光栅三维土压力传感器能够准确测得该点处三个法向应力大小,若 将两个光纤光栅三维土压力传感器呈一定角度放置或组合,则能够测得该点处法
 
向应力和切向应力。团队早期自主研发设计的油腔式光纤光栅土压力传感器的结 构如图2-5所示,由六个油腔式光纤光栅土压力传感器、温度补偿FBG和壳体 组成。
 
图 2-5 旧版油腔式光纤光栅土压力传感器
早期油腔式光纤光栅土压力传感器虽然能够实现三维土压力的测量,但由于 油腔结构精密程度较高,使得传感器制造成本偏大,且油腔传感器的封装复杂, 容易造成油体的渗漏,在温度变化的环境中使用时,油体的热胀会挤压待测膜片 从而影响传感器的测量精度,不利于推广应用。经过改进和调整,传感器的整体 结构不变的情况下,将油腔传压式光纤光栅土压力传感器替换为为圆膜片式光纤 光栅土压力传感器,能大幅度减少传感器的制作成本,且根据前人的研究,圆膜 片式的光纤光栅土压力传感器在土压力测量中具有较高精度和灵敏性,能够满足 工程实践现场的监测需求,圆膜片式光纤光栅三维土压力传感器结构如图2-6所 示。
 
图 2-6 圆膜片式光纤光栅三维土压力传感器结构图
圆膜片式光纤光栅三维土压力传感器由六个一维土压力传感器、温度补偿 FBG以及壳体组成,其中一维土压力传感器由应力检测FBG、固定柱、M2.5紧 定螺钉、传感面和密封面组成,传感面为受压圆膜片结构,传感器概念图如图
2-7 所示。
 
图 2-7 圆膜片式光纤光栅三维土压力传感器概念图
将三维土压力传感器置于被测土体中,在土体压力的作用下,受压圆膜片发 生形变,应力检测 FBG 通过监测受压圆膜片的变形来得到土体应力值。
2.5.2传感器结构尺寸设计
圆膜片式光纤光栅三维土压力传感器由六个一维土压力传感器和壳体元件 组成,一维光纤光栅土压力传感器均为圆膜片结构,通过 M2.5 紧定螺钉固定在 壳体元件上,使得传感器整体结构具有较高的强度和稳定性。
2.5.2.1传感面结构设计
一维土压力传感器中圆膜片式的传感面为敏感元件,在复杂基坑工程中与土 体直接接触来监测应力的大小与方向。
一维土压力传感器结构内部具有空腔,底部有两小孔,整体可拆分为传感面 和密封面两个部分,光纤光栅通过底部的小孔进入空腔,利用固定柱或者特殊胶 体粘贴在传感面的内表面,光纤光栅布设完毕后,通 M2.5 的标准螺钉连接一维 土压力传感器的上下两部分,如图 2-8 所示。
60
 
 
(a)传感面结构设计图
 
 
(C)一维土压力传感器整体结构底视设计图
图 2-8 圆膜片式三维光纤光栅土压力传感器传感面结构设计图
如图可知,一维土压力传感器内有直径 40mm 高度 6.5mm 的圆柱状空腔, 密封面为凸起圆柱状结构,直径为50mm,传感器传感面结构有M2.5的标准螺 丝孔和直径3mm的穿线孔,传感面结构为直径60m的圆柱状结构,上有M2.5 两圈表示螺丝孔,一圈与壳体的螺丝孔相对应,用来将一维土压力传感器固定在 壳体上;一圈与密封面 M2.5 螺丝孔对应,用来连接一维土压力传感器密封面和 传感面结构。上部结构的受压圆膜片直径为40mm,厚度为2.5mm。
2.5.2.2壳体结构设计
光纤光栅三维土压力传感器壳体结构由六块长方体金属板组成,包括一块顶 部金属板、两块侧面金属板、两块正面金属板和一块底面金属板,每款金属板上 有设有M2.5的螺丝孔,通过M2.5紧定螺钉将所有金属板连接为一个整体,形 成的壳体内部为空腔结构,便于放置温度补偿FBG。每块金属板中心均有直径 相同的圆洞,圆洞直径与一维土压力传感器结构直径吻合,一维土压力传感器结 构穿过圆洞后,采用M2.5的紧定螺钉通过预留螺纹孔,将传感器结构牢固在壳 体金属板上,壳体的结构如图 2-9所示。
 
 
 
 
图 2-9 壳体金属板结构图
由上图可知,顶部金属板尺寸为80mmx7mmx80mm,正面金属板的尺寸为 66mmx7mmx73mm,侧面金属板的尺寸为80mmx7mmx73mm,底面金属板的 尺寸为66mmx7mmx66mm。每块金属板均有相同的直径40mm,高度7mm的 圆洞,每块金属板上的螺丝孔类型均为M2.5标准螺丝孔。
2.5.2.3光纤固定口结构设计
壳体顶部金属板预留出线孔,出线孔内安装光纤固定口,光纤光栅传感器的
传感光纤由该口延伸出传感器,光纤固定口的结构如图 2-10 所示。
 
图 2-10 光纤固定口结构图
 
2.5.3传感器材料选取
传感器的制作过程中,结合复杂基坑工程恶劣的环境以及传感器的性能要求, 传感器弹性敏感元件与壳体的材料的选择需考虑到可靠性、稳定性、精确性和强 度等特性,有着严格的选择条件,不仅得使弹性敏感元件有良好的弹性和回复性, 还得有较小的弹性滞后性、耐腐蚀性能强、良好的加工性能和尽可能小的线性膨 胀系数等特性,而对壳体材料来说,刚性往往是最主要的考虑因素。传感器材料 的选择过程中,除了考虑到各种材料特性以外,还需要考虑到材料的成本以及是 否容易加工、材料是否易取等因素。
为了选取出符合要求并且成本较低的传感器制作材料,需要对比分析各种常 见工程钢材料的特性,如表2-1 所示
表 2-1 常用工程钢材性能
材料名称 屈服强度(MPa) 弹性模量( GPa) 线性膨胀系数
铍青铜 1250 131 16.6
普通碳钢 335-410 206 12
IGr18Ni 200 200 16.6
45#钢 200 360 11
 
Ly12 硬铝 280 72 23
316L 不锈钢 310 200 16
2Gr13 不锈钢 440 228 10.5
30GrMnSiA 210 900 11
普通的合金钢常用于制作高精度的弹性敏感元件,但是加工难度加点; 65Si2MnWA 属于弹簧钢材,弹性性能较好,常用来制作承担交变负荷的弹性元 件;30GrMnSiA属于中碳钢材,调质后有较高的强度、足够的韧性和优异的淬 透性,但焊接性能较差,常用于制作轴类、活塞类零配件;铍青铜是以铍作为主 要合金组元的一种无锡青铜,适用于制作高强度、高精度的元器件,但弹性较低、 滞后性较大; 2Gir13 不锈钢弹性模量和屈服强度较高,抗破坏和抗变形能力较强, 常用于高强度和耐腐蚀条件下的承重场合。综上所示,考虑到传感器的性能和制 作成本,本次传感器的采用综合性能较好的 2Gr13 不锈钢(弹性模量 228Gpa, 屈服强度440MPa,线性膨胀系数10.5,泊松比0.3,强度较大,耐腐蚀性强) 作为弹性敏感元件(受压圆膜片)和壳体的制作材料。
2.6传感器特性分析
2.6.1传感器力学特性
光纤光栅三维土压力传感器应力检测FBG粘贴在圆膜片的内表面,受到复 杂基坑工程中土体应力的作用发生形变时,会将形变传递给应力监测FBG,根 据光纤光栅波长的变化可以计算出应变值以及应力值。
假设弹性圆膜片周边均为固定结构,膜片与基坑土体接触部位为均匀分布土 压力作用,此时圆膜片处于小挠度状态,将发生形变,基于板的小挠度变形理论, 根据虚功原理可得圆膜片上任意一点(设其距中心点的距离为r)的位移量[73]为
p(R2 -r2)2
64Dg (1 + 0.488e; / h?)
式中,P为施加在圆膜片上的均布荷载(Pa) ; R为圆膜片的半径(m) ; h 为膜片的厚度(m) ; Dg为膜片的抗弯刚度;“为圆膜片的泊松比;E为圆膜片 的弹性模量。
由小挠度理论和胡可定律可知,受压圆膜片的尺寸的厚径比h /2R需要满足 小扰度方程的理论,将膜片的横向荷载P和扰度W均转化为极坐标系的0和r 函数,则可以得到弹性曲面微分方程为
 
d1^ d % d1^ 1 6® 1 d1^
1 = 1 1
dx2 dy2 dr2 r dr r2 SO2
弹性力学中膜片弯曲问题基本微分方程有
Dg V4® = P
式中膜片的抗弯刚度Dg满足
 
 
将式 2-41 代入式 2-42 可得
 
 
 
 
考虑到极坐标系中,圆膜片对称分布的荷载与O无关,且针对受均布荷载的
圆平膜片问题,可简化拉普拉斯算子的极坐标表达式为
d 2® 1 d® d 2® 1 d® P
陀+r吝 F+r石)=D
方程可转为为
d®= Pr 3 + C1r + C2
dr 16 Dg 2 r
对该方程积分有
式中C、C2和c3的值取决于该受压圆膜片的边界条件,有小挠度理论可知, 当圆膜片发生微小的形变时,其一面发生拉伸形变,另一面发生压缩形变,上下 面之间存在一个中性面,即既不拉伸也不压缩,圆膜片的弹性形变如图 2-11 所 示,
 
 
其中,用0表示中性面某一点的法学转角,由图可知转角0是该点挠度与班 级r的导数,该点处的径向应变和切向应变吕分布为
zd0 8①
dr dr2
 
圆膜片上一点(r,z)的径向应力e和切向应力q分别为
2-49)
Ez ( d0 0、 Ez ( d1 de、
6 1 - p 卩 dr r 1 —才 “ dr2 r dr
由于受压圆膜片固定在传感器上,中心点的转角为零,即del dr — 0,结合 小挠度理论和式 2-39可得圆平膜片中心的最大挠度
2-51)
结合小挠度理论、挠度公式和应力应变公式可得应变的变化规律为 径向应变
 
同理可得到应力的变化规律为
径向应力
qr = 8h^[ R 2(1 + “)- r 2(3 + “)] (2-54)
切向应力
qt = 8h2[ R 2(1 + “)- r 2(1 + 3“)] (2-55)
光栅粘贴在受压膜片内部,与受压膜片协同形变,受压膜片中心的切向应变 量等于光栅的轴向应变量,即
d — Al — 3PR2 (1 -p2) (2-56)
8Eh2
忽略温度的变化AT — 0,结合式2-25、2-30和式2-56可得
 
上式变形可得到该传感器的应变灵敏度公式
 
 
 
其中P为有效的弹光系数,s。即为传感器应用于复杂基坑工程监测时的应变
灵敏度系数,与传感器敏感元件的材料和光栅的参数密切相关。
2.6.2传感器传感特性
基坑工程中除了复杂多变的土压力外,也存在大幅度温度的变化,光纤光栅 三维土压力传感器的监测需考虑到温度的影响,本次传感器温度补偿方式采用内 置温补光栅法,具有使用简单、经济可行和效果较优等特点,同时还能够测量监 测环境的温度。假定光纤光栅三维土压力传感器中的应变检测FBG和温度补偿 FGB在温度和应变的作用下均是线性变化,且相互之间互不影响,应变检测FBG 布设在传感面圆平膜片内表面,波长为BBi;温补光栅在传感器内部取一构件, 该构件的材料与圆平膜片相同且温度场一致。两个光栅位于同一温度场下,在温 度效应的影响下其波长的变化量一致,能够有效的消除温度的影响,得到稳定可 靠的应变值[74]。
由公式 2-2 可知,光栅的波长变化为
也=S818 + ST1AT
2-60)
联立式2-59和式2-60得
2-61)
式2-70即为内置温补光栅法温度补偿的数学关系式。
应变检测FBG沿圆膜片的径向粘贴时,由式2-53和式2-61可得
 
 
2-63)
式 2-63 即为光纤光栅三维土压力传感器应用于复杂基坑工程土压力监测中 时所监测的土体压力与应变检测FBG、温度补偿FBG波长变化量之间的关系。
2.7传感器尺寸及强度设计校核
光纤光栅三维土压力传感器应用于复杂基坑工程土压力监测时,需针对复杂 基坑工程的地质条件、传感器的布设形式与监测土压力大小,对传感器的尺寸及 强度进行校核,尺寸校核主要考虑到传感面直径与土介质颗粒大小的关系、传感 器与土介质的刚度匹配与防止光栅信号出现啁啾等三个因素[75];强度的校核主要 考虑到传感器受压圆膜片满量程情况下其强度是否满足许用应力的要求[76]。
2.7.1传感器与土介质颗粒大小校核
由于土体的性质在水平和竖直方向具有不均匀性和各向异性,土压力的监测 过程中往往会出现较大的误差,为了提高监测精度和可靠性,受压膜片的直径需 要远大于土体介质最大粒径,此时具有最好的监测效果,根据或然率理论有
2R〉50dmax (2-64)
2.7.2传感器与土介质的刚度校核
传感器埋入基坑工程土介质中的过程中常改变土体的状态,引起周边空间应 力的重分布,如图 2-12所示,若埋设的传感器若刚度大于土介质的刚度,则容 易产生被动起拱现象,导致传感器实测应力大于自由应用场中的应力,即测量结 果偏大;若传感器的刚度小于土体介质的刚度时,则会使得测量结果偏小。若要 达到理想最优测量结果,则需要使得传感器与土介质的变形模量相同,即两者的 刚度完全匹配,此时刚度匹配问题不再影响传感器的监测。但由于土体是一种复 杂的弹塑性介质,土介质的刚度和弹性模量随着土体种类和埋深的不同而变化, 即便使用同一种土体介质,由于土介质内部的松散性,加载压力的不同,变形模 量也会发生变化,因此,研制一种与土介质刚度完全相同的传感器是较难实现的。
 
图 2-12 土压力传感器周边土介质应力分布
传感器与基坑工程土介质之间的刚度匹配关系一般有两种表示方法 一种是传感器的等效变形模量和土介质的变形模量之比Eg / Es表示,其中
E = HPmx
g — 1000e0
式中,H为传感器的厚度(mm) ; pmax为传感器的额定荷载(Pa) ; e0是 受压板在最大荷载下中心点处的挠度值(mm)。
试验和理论分析研究表明,传感器的等效变形模量和基坑工程土介质的变形 模量比要大于5~10时有较好的效果,即
Eg
• > 5~10 (2-66)
Es
且传感器受压圆膜片的厚度与直径之比需满足
H < 0.1~0.2 (2-67)
D
此时,传感器在基坑工程土介质中的监测可以取得较好的测量效果,并且根 据国内外对土压力传感器的广泛研究表明,常取土压力传感器的变形模量 Eg = 0.5GPa 时,有较好的效果。
二是将传感器与基坑工程土介质之间的刚度匹配关系用传感器受压板的直 径与板中心点最大挠度的比值来表示,即2R/e0。根据最初的研究表明,受压 板的直径与中心点最大挠度的比值需大于2000时,传感器才有较好的监测效果, 而后续的实验研究表明,只有传感器的额定荷载非常大或土体介质的变形模量较 低时,根据2R/e0来设计的传感器尺寸才能够较好反应该点未挠动时的自由空 间真实应力状态,有
込 > 2000
e0
结合式 2-51 和式 2-68 可得
2-69)
通过比较这两种反应刚性匹配关系的方法可知,方法一 Eg /Es考虑到了传感 器和基坑工程土体介质的特性,而方法二2R/®0仅仅考虑到了传感器圆膜片的 可挠性。由于本次三维土压力传感器的应用对象较广,不仅限于一种土体,故根 据方法一土体的特性来设计传感器不可取,综合考虑采用方法二来进行土压力传 感器圆膜片的设计,并通过代入传感器的各项参数,满足式2-68条件。
2.7.3传感器信号啁啾问题
由传感器与基坑工程土体刚度匹配关系可知,土压力传感器圆膜片受刚度匹 配的限制,圆膜片整体的应变量一般较小,为了提高传感器的测量精度,需要把 应变光栅布置在圆膜片应变最大处,即布置在传感面圆膜片圆心处,由于圆膜片 上距圆心距离不同的点应变量也不同,故为了防止信号出现啁啾现象,需要减少 应变光栅的粘贴范围并限制应变的不均匀性,将应变光栅粘贴在圆膜片中心处时, 其信号啁啾问题能得到有效缓解。
2.7.4传感器受压膜片强度校核
设计的光纤光栅三维土压力传感器受压膜片的厚度为2.5mm,敏感半径为 20mm,外观半径为60mm,材料采用疲劳极限高、抗腐蚀能力强、弹性滞后小、 机械加工性能良好、抗冲击性能好和经济性的2Cr13型不锈钢,其弹性模量为 228GPa,泊松比为0.3,屈服强度为440MPa,线性膨胀系数为10.5,根据受压 圆膜片材料参数,进行基坑工程土压力监测的强度校核,验证其强度合理性。
由式2-67可知H / D = 0.625 < 0.1~0.2 ,传感器受压圆膜片的厚度与直径之 比满足要求, 2R/D =0.67传感器的外观设计满足要求,取受压圆膜片的许用应 用为
[ct] = ~a02 = J x 440 = 146.67MPa (2-70)
由弹性力学理论可知受压圆膜片中心处的切向应力和径向应力有最大压应 力值,且两者相等,即
ct 0 = <7t0 = —pR—C1 + u) = 90.6MPa (2-71)
r 0 t0 8h2
由弹性力学第四强度理论得等效应力为
CTeg =JCT;0 +CT0 -CTr0CTt0 =90.6MPa ( 2-72 )
受压圆膜片边缘处(r=R),径向应力和切向应力有最大的拉应力值,即
ct R =-^PR- = -144MPa (2-73)
rR 4h 2
6 =-3pRR-(1 — “2) = -131.04 MPa (2-74)
tr 4h 2
由弹性力学第四强度理论,联立式2-73 和式2-74可得等效应力为
6g — 137.98MPa < [b] = 146.67MPa (2-75)
强度校核表明,传感器应用于复杂基坑工程土压力监测中时,在最大土介质 压力作用下,其圆膜片中心处和边缘处的强度都满足许用应力的要求,因此将该 传感器用于基坑工程实践监测中时,敏感元件圆膜片任意部位都能在位于所能监 测的最大土压力作用下保持完整并不被损坏,证明该土压力传感器的传感面能够 达到复杂基坑工程土压力监测强度标准。
2.8本章小结
本章通过对土体空间应力-应变理论的分析,设计光纤光栅三维土压力传感 器的结构,并通过对传感器测量原理的分析,证实了传感器的可行性。具体工作 内容如下:
(1)通过介绍传感器研发的复杂基坑工程背景,描述基坑工程中方向各异、 大小不一与复杂多变的土压力耦合荷载形式,给出三维土压力传感器的研发需求。
(2)基于光纤光栅的基本结构和传感原理,分析了光纤传感特性,并通过 温度补偿方式的选取,为后续传感器的结构设计和理论分析提供了基础和铺垫。
(3)基于光纤光栅理论和空间应力-应变理论,设计出新型圆膜片式光纤光 栅三维土压力传感器,详细介绍了各部件的功能和尺寸,并对比了多种材质,决 定采用综合性能较好的2Gr13不锈钢作为受压圆膜片和壳体的制作材料。
(4)通过分析三维土压力传感器固支圆型膜片的力学特性,得到敏感元件 圆膜片的径向应变、切向应变、径向应力和切向应力的数学公式,并给出光纤光 栅三维土压力传感器的传感特性公式。
(5)通过对传感器直径与土介质颗粒大小校核、传感器与土介质的刚度校 核、传感器信号啁啾问题以及传感器受压膜片强度校核,验证了传感器结构强度 设计的合理性,额定荷载下圆膜片中心处和边缘处的等效应力为137.98MPa,满 足需小于许用应力146.67MPa的要求,表明传感器圆膜片任意部位都能在所能 监测的最大土压力作用下保持完整并不被损坏。
第 3 章 三维土压力传感器传感特性模拟
3.1引言
基坑工程复杂的荷载环境,对土压力传感器的性能提出了较高的要求,本章 基于 ANSYS 软件,研究传感器的敏感元件以及传感器本身的传感特性,同时利 用 ANSYS Wrokbench 软件开展传感器与岩土介质的耦合特性模拟,分析传感器 嵌入效应下零部件的力学状态和传感器与介质的耦合性能,为传感器在复杂基坑 工程中的应用提供保障。
3.2ANSYS 软件简介
ANSYS有限元分析软件是美国知名的ANSYS公司研发的包含声学分析、 电磁分析、集流体分析、耦合分析以及结构分析等多种高性能有限元分析软件, 在全世界范围内得到认可和接受,并在土木工程、电子产品、航空航天、生物医 学等工业领域得到推广应用,具有使用便捷、操作简单、功能丰富、分析能力强、 可多耦合分析等优点,是国际上排名第一的有限元软件。
ANSYS 有限元软件的核心模块主要包括前处理模块、分析计算模块和后处 理模块三个部分,其中,前处理模块包含一个高效便捷的模型建立与网格划分工 具,方便用户高质量快速的完成模型建立及网格划分;分析计算模块功能强大, 涵盖面广,包括流体动力学分析、声场分析、结构分析以及多物理的耦合分析等 多种分析模块,灵敏度高,计算能力强;后处理模块可多方式显示有限元模拟计 算结果,包括立体切片、矢量、透明、梯度等模型结果显示方式,同时辅以图表 或者曲线的形式输出,直观、详细。与此同时, ANSYS 公司也推出了一款高性 能的有限元操作平台ANSYS Workbench,以交互式操作为特点,简化模型建立、 网格划分、边界条件等设置,方便简单,便于使用。
3.3传感器受压圆膜片应变模拟
3.3.1圆膜片结构模拟概述
受压圆膜片作为三维土压力传感器的敏感弹性元件,其弹性性能直接影响传 感器装置监测的准确性,圆膜片的设计除了依据简化的经验公式进行反复计算外, 还需利用有限元软件来分析受压圆膜片的变形规律,研究圆膜片的弹性特性,从
而避免过分依赖经验和计算误差较大等问题,并为理论计算提供参考依据。
利用有限元分析软件建立受压圆膜片模型时,需在保证膜片基本性能和受力 特性不变的情况下,简化并假设其受力状况,将模型按照表面均布荷载处理。
3.3.2有限元模型建立
有限元模型选取受压圆膜片作为研究对象,参数为直径D=40mm,厚度 H=2.5mm , 额定工作压力 P=3MPa , 材料为 2Gr13 不锈钢, 杨氏弹性模量 E — 228GPa,泊松比 “ =0.3。
根据圆膜片的结构参数,使用ANSYS 19.0有限元分析软件自底向上的实体 建模方式建立受压圆膜片的分析模型,采用适合壳结构的 Shell181 壳单元,该单 元有四个节点,单元每个节点有六个自由度,采用映射网格划分模型方式,模型 完成建模并划分网格后包含1200个单元和1241个节点,如图3-1所示。
 
 
 
3.3.3有限元模拟结果分析
模拟建立并划分网格后,对模型施加荷载计算,得到圆膜片在额定工作压力 下的应变分布云图,导出X、Y和Z方向的应变云图如图4-2所示,其中Z方向
为压力加载方向。
 
 
(c)受压圆膜片X方向应变云图
图 3-2 受压圆膜片应变云图
由受压圆膜片应变云图可知,X方向的应变云图与Y方向的应变云图相同, 应变均呈椭圆状向两侧扩散展开,扩散短半轴与长半轴的比例为 6:11,最大值为 728.73个微应变,最小值为-479.86个微应变。Z方向的应变云图呈圆环状向四 周散开,最大值为 624.63 个微应变,最小值为-156.58 个微应变。
3.3.3.1弹性特性分析
通过在模型直径上设置Path,对模型施加不同压力的荷载,从而导出圆膜片 中心点有效位移值,结合圆膜片挠度理论计算公式,得到圆膜片中心点有效位移 与施加荷载的特性曲线,完成圆膜片的弹性特性分析,如图 3-3 所示。
 
 
图 3-3 圆平膜片弹性特性曲线
由上图可知,受压圆膜片在荷载小于 1.4MPa 时,具有较好的线性度,当荷
载大于 1.4MPa 时,随着荷载的加大,由于受压圆膜片抗弯刚度的增加致使其非
线性度快速加大,使得此时圆膜片的中心位移值略小于理论值。
当加载到额定工作压力时,调取直径上设定 Path 的轴向位移,得到受压圆 膜片直径路径上的轴向位移曲线图如图 3-4 所示。
 
 
 
图 3-4 受压圆膜片直径路径方向上的轴向位移
由图可知,受压圆膜片上中心点处的位移值最大,额定工作压力下,圆膜片 直径上各点的模拟值与理论值较为接近,两者间最大的误差为 3%,小于许用误 差 5%,表明模型建立正确。图中各点的理论值趋势与模拟值相同,大小较为接 近且略大于模拟值,这主要是由于有限元计算中,随着施加压力的不断增加,模 型变形增大,其结构刚度也随之发生变化,从而导致模拟值与理论计算值之间有 微下小的差异,且在理论计算中,为了简化计算过程常忽略了挠曲变形公式中的 高次方项,模拟值与理论值两者之间的差异实际上更小,也从另一方面证明了模 型建立的准确性。
3.3.3.2结构应变分析
随着荷载从0MPa逐渐加载至3MPa时,调取直径上设定Path的径向应变,
可以得到额定工作压力下膜片直径路径方向上径向应力的分布图如图 3-5所示。
 
图 3-5 受压圆膜片直径路径方向上径向应变分布
 
如图可知,圆膜片最大应变量为728.73微应变,小于光纤光栅传感器许用 的 1000 个微应变,说明该圆膜片能够达到敏感元件的需求,微量变形不会损坏 光栅时,由图可知圆膜片上距离中心点越远,其应变量越小,并从正值逐渐减小 为负值,这主要是因为圆膜片中心处发生径向和切向的伸长弹性变形,并随着半 径的增大,受边缘固定约束越强,最终发生压缩变形所致,该特性能够指导光栅 布设的合理位置。
3.4三维土压力传感器传感特性分析
为了研究光纤光栅三维土压力传感器的传感特性,基于ANSYS Workbench 有限元分析软件,建立传感器三维模型,分析传感器单向荷载、三向荷载状态下 的应力、应变分布规律,得到传感器的传感特性,并校核传感器的强度,为传感 器的现场应用提供支持。
3.4.1传感器单向荷载模拟
根据第二章可知模型由壳体和六个一维土压力传感器组成,材质均为2Cr13 型不锈钢,其弹性模量为228GPa,泊松比为0.3,屈服强度为440MPa,线性膨 胀系数为10.5,壳体整体形状为空心正方体,厚度为7mm,长宽高均为80mm, 每个面中心有一个半径为25mm的空心孔,孔中插入一个一维土压力传感器,传 感器的形状由两个不同直径的圆柱状结构体拼接而成,小圆柱状结构镶嵌入传感 器空心孔内,高度5mm,半径25mm;大圆柱状结构高度7mm,半径30mm。 传感器组装后一维传感器突出壳体外的部分外观为直径60mm,高度7mm的圆 柱体,根据传感器的结构依次建立光纤光栅三维土压力传感器的有限元分析模型, 模型单元总数为23480个,节点总数为125930个,模型示意图如图3-6所示。
 
 
 
 
(c)模型网格图
图 3-6 模型示意图 本次模型主要分析光纤光栅三维土压力传感器在单向荷载作用下,传感器结 构的应力应变分布情况,通过对传感器Z轴正向施加0MPa到3MPa的压力荷载, 每级荷载的变化幅度为1MPa,在Z轴的负方向施加定位约束,X轴和Y轴方向 自由,用来模拟单轴实验的实验条件,使得传感器Z轴方向无形变,X轴和Y 轴方向发生形变。有限元分析计算后其最大主应力、最小主应力和等效应变云图
 
 
 
 
 
图 3-8 传感器单向荷载下最小主应力云图
 
 
图 3-9 传感器单向荷载下等效应变云图
由数值模拟云图可知,单向荷载下传感器壳体部位应力较小,应变值趋于零, 可看做壳体无应力无应变,最大主应力主要集中在受压圆膜片边缘。最小主应力 集中在受压圆膜片中心部位,呈圆状,约占敏感面 1/2 半径。等效应变集中受压 圆膜片部位,其中圆膜片边缘处和中心点处应变值最大,边缘处最大应变值分布 呈圆环状,中心点处最大应变值呈圆状,圆膜片距圆心1/2 处应变值最小。 随着施加 1MPa、2MPa 和 3MPa 的单向荷载,主应力的绝对值和等效应变 值逐渐增大。其中,最大主应力分别为 41.84MPa、83.208MPa 和 124.810MPa,
最小主应力分别为-45.287MPa、-90.617MPa和-135.92MPa,等效应变值分别为
0.22046mm、0.44113mm和0.66167mm,各项数值的比例近似为1:2:3,与施加
荷载的比值相同,呈线性相关,表明传感器结构在单向荷载下有着较好的弹性特 性,对土压力荷载的测量有着较高的可靠性,能够较好反应出土压力荷载的变化。
传感器位于3MPa单向荷载下,主应力的最大值为135.92MPa,小于许用应 力146.67MPa,表明传感器能够承受所监测的最大土压力,其强度能够满足监测 需求。传感器最大变形为0.66167mm,此应变值相对金属材质的受压圆膜片结构 来说影响较小,传感器无较大变形。
3.4.2传感器三向荷载模拟
为了分析光纤光栅三维土压力传感器在三向荷载作用下,传感器结构的应力 分布情况,通过对传感器X轴、Y轴和Z轴正向施加0MPa到3MPa的压力荷载, 每级荷载的变化幅度为1MPa,在X轴、Y轴和Z轴的负方向施加定位约束,用 来模拟三轴实验的实验条件。有限元计算后,传感器三向荷载下最大主应力、最 小主应力和等效应变云图如图3-10、 3-11和3-12所示。
 
 
图 3-12 传感器三向荷载下等效应变云图
分析有限元计算云图可知,三向荷载下传感器壳体部位的应力和应变较小, 可看着壳体部位无应力无变形,传感器壳体稳定。最大主应力集中于受压圆膜片 边缘处,分布呈圆环状。最小主应力集中于受压圆膜片中心处,约占 3/4 半径。 圆膜片边缘处和中心点处应变值最大,边缘处最大应变值分布呈圆环状,中心点 处最大应变值呈圆状,应变由圆膜片中心到边缘呈现先增大后减小趋势。
随着施加1MPa、2MPa和3MPa的三向荷载,传感器主应力和等效应变值
逐渐增大,其中最大主应力分别为34.225MPa、68.483MPa和102.72MPa,最小
主应力分别为-33.896MPa、-67.825MPa和-101.73MPa,等效应变值分别为
0.39106mm、0.78249mm和1.1737mm。三向荷载下各项数值的比例也近似为1:2:3, 与施加荷载值呈线性相关,和单向荷载下情况相同,表面三向荷载下传感器仍可 保持较好的弹性特性,具有较高的监测可靠度。
当三向荷载达到 3MPa 时,传感器有最大的主应力和等效应变值,分别为
102.72MPa和1.1737mm,其中主应力值小于小于许用应力,满足传感器的监测 需求,同时主应力小于单向下相同荷载时的主应力值,表明三向情况下整体结构 稳定性高,应力集中较低;等效应变值较小,传感器传感面无较大形变,结构较 为稳定。
3.5传感器嵌入特性分析
光纤光栅三维土压力传感器在复杂基坑工程应用的过程中,由于传感器与介 质的物理性质不同,传感器的埋设和安装必然改变原有的应力场,造成应力场的 集中和重分布,导致传感器的实际测量应力与介质真实应力有一定差距。因此, 实际应用之前需开展传感器监测可靠性评估,提高监测数据的精度。本次采用有 限元分析的方法研究三维土压力传感器在不同围压和不同介质性质情况下,其嵌 入效应对传感器自身的感知特性和扰动介质的分布特征,分析传感器各零部件的 应力分布情况,提高传感器的监测精度和可靠性。
采用ANSYS Workbench软件建立三维土压力传感器嵌入式有限元分析模型 如图 3-13 所示,介质是边长 800mm 的正方体介质,在介质的正中心嵌入光纤光 栅三维土压力传感器,传感器的三个监测方向分别与介质的X、Y和Z轴三个方 向相对应,介质的单元数为39987个,传感器模型沿用单轴压缩模拟的建模,单 元类型包括四面体、六面体和棱柱体。
 
图 3-13 光纤光栅三维土压力传感器嵌入介质几何模型 建立完嵌入式有限元模型后,对几何模型进行材料及边界条件定义,由于传 感器与介质之间切向的摩擦力较小,故传感器与介质的接触算法采用无摩擦算法, 忽略摩擦力的影响,在介质的X、Y和Z轴正方向上施加法向约束,负方向施加 法向荷载,荷载均为传感器额定量程3MPa,如图3-14所示。
 
 
图 3-14 介质模型边界条件及荷载
3.5.1传感器各部件应力状态分析
基于有限元分析手段研究三维土压力传感器嵌入介质后传感器各部件的应
力状态,通过对介质X、Y和Z轴负方向施加3MPa的荷载,使介质位于3MPa 的静水压力荷载下,同时使介质的弹性模量和传感器一致,均为228GPa,介质
泊松比为0.25,密度取2000kg/m3。各部件的应力应变分布云图如图3-15、图3-16
 
 
图 3-16 3MPa 静水压力下三维土压力传感器各部件最小主应力云图
 
1)介质 (2)三维土压力传感器 (3)壳体
 
图 3-17 3MPa 静水压力下三维土压力传感器各部件等效应变云图
分析有限元计算云图可知,壳体处近乎无应力集中现象,密封面有少量主应 力分布,特别在不连续面有少量的应力集中,但其主应力值均远小于传感面主应 力值,壳体与密封面的稳定性较高,在传感器的监测过程中不容易受到破坏。
嵌入效应下,传感器表面有较多的应力集中现象,其中主应力主要集中在传 感器的传感面,应力的分布较为散乱,传感面中心处的主应力值大于边缘处的主 应力值,主要是由于传感器的弯曲效应导致,传感面主应力大小位于
-91.727~103.56 之间,其绝对值小于传感器的许用应力,证明传感器在嵌入效应 下能够保持较高的结构稳定性,可以满足监测的需求。
由等效应变云图可知,传感器的应变主要发生在传感面部位,最大应变为
0.46143mm,与主应力的分布规律一致。密封面与传感面接触部位有少量应变,
远小于传感面应变值,而壳体部位则无明显的应变现象,表示在后期传感器的优 化过程中,壳体和密封面材料的选用需更多的考虑耐腐性,而传感面材料的选用 则需在耐腐蚀性的基础上,多选用高强度的材料。
 
3.5.2不同弹性模量介质下初始应力场分析
为了研究三维土压力传感器嵌入介质中对介质初始应力场的影响,并分析传 感器本身的应力、应变分布特征,选取不同参数的介质开展传感器耦合特性研究, 传感器与介质的弹性模量比以及介质材料参数如表3-1 所示。
 
表 3-1 介质的材料参数
材料名称 弹性模量(GPa) 弹性模量比 泊松比 密度( kg/m3)
介质 1 228 1:1 0.25 2000
介质 2 45.6 5:1 0.25 2000
介质 3 22.8 10:1 0.25 2000
介质 4 11.4 20:1 0.25 2000
介质 5 4.56 50:1 0.25 2000
介质 6 2.28 100:1 0.25 2000
由 ANSYS WORKBENCH 有限元软件计算后,得到传感器嵌入不同弹性模 量比介质中时,介质的最大主应力场和最小主应力场分布云图如图3-18 和 3-19
图 3-18 多种弹性模量比下介质的最大主应力场分布
 
 
6)弹性模量比 100:1
图 3-19 多种弹性模量比下介质的最小主应力场分布
由图3-18和图3-19 可知,最大主应力主要集中于传感器嵌入部位的传感面,
最小主应力主要集中于传感器嵌入部位的四个角,随着弹性模量比的增大,最大 主应力和最小主应力的集中逐渐减小,介质内部其他部位的主应力随之逐渐减小,
光纤光栅三维土压力传感器对耦合介质的应力场的影响逐渐趋于稳定,并逐渐扩
散至整个介质内部,表示三维土压力传感器的嵌入对介质初始应力的场的影响与
弹性模量比密切相关,当介质的弹性模量较小,弹性模量比较大时,介质内部的 应力场分布最为稳定,传感器嵌入部位的附件应力集中也较为均匀,对传感器的 监测最为有利。
对于三维土压力传感器本身的应力分布特征,取不同弹性模量比嵌入效应下
传感器的最大主应力场和最小主应力场分布云图如图 3-20 和 3-21 所示。
图 3-20 不同弹性模量比下传感器的最大主应力场分布
 
弹性模量比 20:1
图 3-21 不同弹性模量比下传感器的最小主应力场分布
分析图 3-20 和 3-21 可知,传感器外壳的应力集中现象随着弹性模量比的逐 渐增大而增加,主应力绝对值增大,尤其发生壳体不连续处。同时受压圆膜片面 的主应力分布较为均匀,主要分布在圆膜片中心点处,弹性模量比越大,受压圆 膜片面的最大主应力和最小主应力的绝对值逐渐减小,在达到 20:1 时变化逐渐 放缓,这主要是因为传感器和介质的弹性模量比在20:1 时,传感器对介质最大 主应力和最小主应力场的影响逐渐趋于稳定,传感器自身的应力集中现象受影响 较小,故确保壳体材料刚度足够的情况下,在传感器与介质弹性模量比 20:1、50:1 和 100:1 的嵌入效应中,介质的应力场分布较为稳定,传感器的监测效果最优。 同理在基坑工程背景确定的情况下,适当选择较大弹性模量的传感器能减小监测 误差,为日后传感器的材料选型提供了参考依据。
3.6本章小结
本章针对光纤光栅三维土压力传感器的强度和稳定性,利用 ANSYS 有限元 分析软件进行了模拟和校核,研究了三维土压力传感器受压圆膜片的弹性性能特 性,计算了三维土压力单向荷载和三向荷载下的应力应变效应,并分析了岩体- 传感器耦合特性,具体的研究内容有:
(1)建立了一维土压力传感器受压圆膜片的有限元分析模型,通过单轴压
缩实验的仿真模拟,得出圆膜片弹性性能在小于1.4MPa时具有较好的线性关系, 大于1.4MPa时,则因抗弯刚度的增加略小于理论值,同时当达到额定荷载时, 圆膜片微应变值符合光纤光栅监测需求。
(2) 建立了三维土压力传感器的有限元分析模型,施加0MPa到3MPa的 单向和三向压力荷载,每级荷载变化1MPa,得出传感器的主应力和应变值与荷 载压力呈线性相关,其主应力值均小于小于许用应力,同时三向荷载下主应力值 小于相同荷载下单向主应力值,表明三向荷载情况下整体结构应力分布均匀,应 力集中较低,结构较为稳定。
(3) 建立了三维土压力传感器嵌入效应有限元分析模型,通过数值模拟计 算,得到传感器嵌入效应下,主应力集中于传感面上,大小位于-91.727~103.56 之间,绝对值小于传感器的许用应力,表明传感器在嵌入效应下能够保持较高的 结构稳定性,传感器与介质弹性模量比20:1、50:1和100:1时,介质的应力场分 布较为稳定,传感器的监测效果最优,当介质一定时,可适当选择较大弹性模量 的材料来制作传感器,提供监测精度。
 
 
第 4 章 传感器的制作与标定
4.1引言
针对完成结构设计、理论校核与数模模拟等步骤的光纤光栅三维土压力传感 器,通过 3D 打印技术完成传感器的预打印,并采用合适的传感元件和封装材料 完成传感器实物的加工制作,最终通过室内试验的手段,完成传感器的压力特性、 温补特性标定试验,推导出传感器的传感公式,使传感器达到复杂基坑工程三维 土压力监测的应用标准,为工程应用提供了传感装置。
4.23D 预打印传感器
传感器研发的过程中,往往需要预加工一个传感器模型试样来验证设计好的 传感结构的合理性、传感器内部空间是否能满足敏感元件的布设以及整体结构的 稳定性是否良好。针对传统的成型工艺包括铸造,塑性加工,焊接, CNC 车床 加工等步骤,用来加工单个传感器模型试样存在加工周期长、小批量成产造价昂 贵、难以磨具化生产从而加工复杂、加工精度受限等不足。通过3D打印技术可 以较好的解决上述问题 [77]。
为了验证光纤光栅三维土压力传感器实际模型的结构合理性、加工性、敏感 元件的预留设空间是否符合要求,利用 SolidWorks 2016 软件设计传感器的三维 尺寸模型,将模型划分为零件并分组,将分组分别导入3D打印机的控制终端, 选用PLA塑料,采用极光尔沃A8S3D打印机逐个进行打印,如图4-1所示。
 
图4-1传感器3D预打印
收集预打印模型,封装成型如图4-3所示,通过对预加工结构的试组装和测
试布设光栅,实现对传感器结构尺寸的验证,试验结果表明传感器结构设计合理,
能够实现传感器敏感元件的布设,可以进行工厂加工生产。
 
图 4-2 预打印模型封装图
 
4.3传感器的加工制作
传感器的加工制造主要包括传感器制作材料的选择、传感器的零部件加工以 及传感器器件的组装。
4.3.1传感元件的选取与封装
传感元件的选取与封装至关重要,不仅关乎到传感器的监测数据的准确性, 也影响传感器的强度和使用寿命,由上文可得,传感器壳体和土压力传感器构件 均采用采用疲劳极限高、抗腐蚀能力强、弹性滞后小、机械加工性能良好、抗冲 击性能好和经济性的2Cr13型不锈钢,而针对应变传感元件和封装材料需要做进 一步的研究。
4.3.1.1应变传感元件
光纤光栅传感元件作为一种智能传感元件,相比于传统的电磁式、振弦式传 感元件具有不可比拟的优点[78],具体有:
(1 )灵敏度高,分辨率高;
(2) 体积较小,质量轻,可适用于多种传感器结构;
(3) 对多种物理量敏感,能同时测量分析多种物理量;
(4) 是一种无源滤波器件,通过光传输,无需供电,安全性高;
(5) 由玻璃材料组成,耐腐蚀性、抗电磁干扰性强,适用于恶劣的环境;
(6) 测量范围广,传输距离远,系统容量大。
同时由于土压力传感器监测环境恶劣,腐蚀性往往较强,选用光纤光栅作为 传感元件较为适用,如图 4-3 所示。
 
 
图 4-3 光纤光栅传感元件
选用的光纤光栅传感元件栅区长度为10mm,其r=0mm和r=10mm处的应 变之差不大于1“£ , 一定程度上保证了传感器的稳定性和可重复性,其中传感元 件的物理参数如表 4-1 所示。
表 4-1 传感元件物理参数
材料力学参数 参数值 材料力学参数 参数值
涂覆层直径 245 “m 光纤直径 125 “m
涂覆层弹性模量 3GPa 光纤弹性模量 72GPa
涂覆层泊松比 0.35 光纤泊松比 0.25
传感器的制作选用七根光纤光栅传感元件,一根选用做温补光栅,六根用作 应变光栅, 温补光栅的中心波长为1528.237,应变光栅的中心波长分别为 1533.744、 1537.721、 1544.054、 1549.947、 1557.741和1564.029。
4.3.1.2封装材料
在光栅敏感元件的封装中,封装材料的选至关重要,封装材料的选取直接影
响到传感器的线性度、灵敏度、重复性、稳定性和寿命等。为了适应井下恶劣的 环境以及传递有效的应变,所使用的的封装材料需具备以下性能[79]:
(1) 较高的粘接强度,将光纤光栅良好的粘接在受压圆膜片上;
(2) 较好的耐腐蚀性、稳定性、灵敏度和使用周期;
(3) 较好的延伸能力,符合应力监测的要求;
(4) 较好的抗蠕变性。
目前市场上可选用的封装材料种类较多,产品的性能和参数也有这较大的差 异,选择合适的封装材料不仅能够减少传感器的迟滞效应,还能减低零漂。常见 的封装材料有硝化纤维素(丙酮赛璐珞)、环氧树脂类、酚醛-缩酚树脂、聚脂 等,如表 4-2 所示。
表4-2常见的封装材料
类型 特点
常用于较短时间的实验,防潮性能差, 硝化纤维素(丙酮赛璐珞)
多用于对精度要求不高的常温应变测量
能够对各种非金属与金属进行粘合,粘结强度高,滞后蠕
环氧树脂类
变小,固化时收缩小,耐油、耐水、耐化学药品等
酚醛-缩酚树脂 粘合力强、耐水、耐化学、耐疲劳性性能良好
粘合性能较佳,胶层比较柔软,耐水、油、稀酸,抗冲击 聚脂
性良好,能粘合玻璃、金刚、陶瓷等,非常耐用 有机硅 无腐蚀性,适用于长期使用
聚酰亚胺 较好的耐溶剂、耐水、耐酸、耐高低温和抗核辐射等性能
广泛查阅相关文献和资料[80],可选用美国EPO-TEK公司研制的EPOTEK 353ND型号环氧树脂光纤胶来封装光纤光栅,该型号的EPO-TEK 353ND是双组 份,固含量100%用于高温条件下的热固化环氧树脂,可以在200°C下工作,也 能承受数小时300~400C高温而性能不变,具有易操作、易渗入光纤束中、抗溶 解、抗腐蚀以及易判断是否固化等优点,其抗弯强度为10600Psi,抗压强度为 20200Psi,抗剪强度为 1500Psi,抗冲击强度(ASTM-D-256-56)为 0.38ft/1b.-in, 导热系数为0.34w/m°k,达到了传感器封装要求。
4.3.2传感器的零件加工
本次零件加工地址位于山东省德州市某机械加工厂,加工设备有车床、铣床、 刨床、钻床和磨床等,壳体结构和一维土压力传感器结构分批依次加工,加工件 的尺寸结构确定无误后即进行组装。
4.3.2.1 壳体结构制备
传感器的壳体结构主要用来作为传感面的载体,强度和耐腐性均有较高的要 求。壳体结构可拆分为六块矩形金属板,每块金属板之间通过螺纹结构固结,螺 纹均搭配M2.5的螺丝,六块矩形金属板通过螺丝固结为一个整体后,形成一个 正方体的结构件,考虑到壳体之间的连接,对壳体部件的加工精度和工艺均有较 高的要求。如图4-4所示,展示了壳体结构的加工件。
 
(a)壳体零件加工图 (b)壳体零件组装示意图
图 4-4 壳体结构制备图
4.3.2.2 一维土压力传感器结构制备
一维土压力传感器结构是最重要的部件,尤其是受压圆膜片敏感元件,不仅 有较高的精度要求,表面还需光滑无毛刺。六个一维土压力传感器结构相同,均 可分为上下两个结构件,上下两个结构件外观均为圆柱体形,由 M2.5 的螺丝进 行紧定连接。上结构件的螺丝孔除了连接下结构件以外,还有着与壳体元件相对 应的螺丝孔,用来将传感器结构固定在壳体结构上,一维土压力传感器结构制备 如图 4-5 所示。
(b)传感器结构件组装图
(c)传感器结构预装图
图 4-5 一维土压力传感器结构制备图
4.3.3传感器器件的组装图
4.3.3.1 光纤布拉格光栅的粘贴
光纤光栅的粘贴是传感器器件制作过程中关键的一环,其工艺包括有粘贴部 位的清洁与打磨、光纤光栅粘贴胶黏剂的制备、光纤光栅的固定、涂胶和加热, 每一步工序均关乎到光纤光栅粘贴。
( 1 )粘贴部位的清洁与打磨抛光 粘贴光纤光栅之前,选用合适粗糙程度的砂纸打磨受压圆膜片上光栅粘贴的 位置,打磨力度需要适中,防止对传感面结构进行损坏,打磨方向与传感面结构 方向(光栅张贴方向)呈斜 45°进行打磨,待表面纹理清晰时,将传感面结构旋 转 90°再进行打磨,同时控制好打磨的区域范围,打磨的区域面积需大于光纤光 栅的粘贴范围。打磨完毕后,传感面结构表面会有许多碎屑残留,需要用纸巾或 者棉球蘸取酒精沿一个方向进行擦拭,加强清洁效果,如图4-6所示。
 
图 4-6 粘贴部位打磨
(2)光纤光栅粘贴胶黏剂的制备
光纤光栅胶黏剂有常温固化、热固化等多种类型。我们一般使用热固化粘贴 方法,因为此种方法的粘贴效果较好通常选择环氧树脂胶把光纤光栅敏感元件粘 贴在受压圆膜片内面中心轴线上,使得光纤光栅敏感元件与受压圆膜片刚性连接。 环氧树脂单独使用的过程中,无法起到粘接作用,必须搭配对应的固化剂配套使 用。本次光纤布拉格光栅的粘贴采用美国胶,采用环氧树脂与固化剂1:10的配 置比进行粘接,如图4-7所示。粘接前,将环氧树脂与固化剂按照1:10的比例 混合,并不断搅拌,当颜色呈乳黄色或白色时停止搅拌,随后尽快使用已配置好 的胶体,防止其固化。
 
 
图4-7 美国进口胶水
(3)光纤光栅的固定
光纤光栅需固定在受压圆膜片内侧中心轴线处,与圆膜片之间需贴紧,避免 出现缝隙,光纤光栅远离栅区的两端用高温胶带粘贴牢固,防止涂胶时光纤光栅 的滑动影响涂胶的质量,如图4-8所示。
 
 
图 4-8 光纤光栅的固定
( 4 )涂胶
胶凝胶制作完毕并且光纤光栅固定完毕后,在需涂胶区域的两端涂抹卡夫特 RTV 硅橡胶,如图4-9 所示,防止涂胶过程中胶凝剂往两端扩散,将胶凝剂涂覆 在光纤光栅上,控制涂胶区域应超出栅区两端各2毫米左右,同时涂覆宽度应控 制在 3 毫米左右、厚度小于 1 毫米,涂胶尽量操作熟练、一步成型,避免过多的 修补从而影响光纤光栅的应变感知能力。
 
 
图 4-9 卡夫特 RTV 硅橡胶
壳体的线性膨胀系数较小,受冷热应变的影响较小,综合考虑粘贴成功率和 监测需求,采用全粘贴封装应变光栅,如图4-10所示,使得应变光栅的应变状 态与壳体的荷载应变一致,光栅不会出现松弛现象,操作便捷。
 
 
图 4-10 应变光栅的粘贴
温补光栅粘贴在壳体内侧,壳体的厚度较高,强度较大,受土体荷载和环境 因素的引起的应变较小,温补光栅的粘贴采用两点式封装,如图 4-11 所示,两 点式封装使得壳体变形应变、热膨胀应变通过两端的固定点传递到光栅上,不受 胶黏剂粘贴不均、胶黏剂膨胀不均等因素带来的壳体应变传递到光栅上的无规律 误差,并且两个固定点之间的FBG受到的应变均匀,避免了啁啾问题。
 
 
图 4-11 温补光栅的粘贴
(5)加热 涂胶工序完成后,需对涂抹在栅区的胶凝剂进行热固化处理,加热需要用到 的设备有深力王JF-956A恒温加热平台,如图4-12所示,加热温度最高可达400°C, 加热过程中时刻关注胶凝剂的颜色变化情况,待胶凝剂变成深褐色的时候即可取 出壳体,利用壳体的余热可继续加热胶凝剂。
 
图 4- 12胶黏剂热固化处理
 
4.3.3.2 光纤端面处理和熔接
完成光纤光栅敏感元件的粘贴后,需要将裸光纤部分与跳线相熔接,保证数 据的传输,熔接过程所需的工具有熔接机;切割刀;米勒钳;酒精棉;光纤;热
缩套管和必需材料。
光纤的熔接主要可以分为光纤端面处理和光纤熔接两个过程,端面处理和熔 接两个过程应紧密衔接,制备好的端面应立即进行熔接,避免长时间暴露在空气 中。
(a)光纤端面处理
图 4-13 光纤端面处理和熔接
4.3.3.3 土压力传感器的组装图
完成受压圆膜片上光纤光栅的粘贴和熔接后,即可开始光纤光栅土压力传感 器的组装,首先将受压圆膜片与土压力下结构件通过四个 M2.5 的螺丝连接为土 压力结构件,将土压力结构件通过四个 M2.5 的螺丝固定在每个壳体板上,壳体 板之间通过 M2.5 的螺丝连接成为一个整体,其中熔接的光纤均置于土压力传感 器内部,由出纤口接出。接出的光纤外侧套上黄色的套管,套管外侧布设铠装套 管用来保护光纤,随后将光纤与跳线熔接,跳线上附有接头,能够把传感器的波 长信号传输至光纤光栅解调仪,组装完成的土压力传感器如图 4-14 所示。
 
 
4.4传感器的室内标定
光纤光栅三维土压力传感器封装制作完毕后,为了探究传感器传感性能,将
传感器的各个面分别标号如图4-15所示,在室温条件下开展了传感器的压力传 感试验,标定传感器的测压数学关系式,并施加循环荷载以验证传感器的重复性, 得到传感器的测压稳定性,同时利用高低温实验装置测定传感器的温补效应,拟 合出温度补偿的数学关系式。
 
 
图 4-15 光纤光栅三维土压力传感器传感面标号
4.4.1压力特性试验
本次压力传感特性实验采用铁正检测科技有限公司智能光纤传感实验室的 NZS-FBG-A02 光纤光栅解调系统和压力测试系统,将光纤光栅三维土压力传感 器固定试验机上,设定特定的荷载上限和加荷速度,利用光纤光栅解调仪采集传 感器数据,进行循环加载试验和标定试验。传感器压力传感特性试验如图 4-16 所示。
 
图 4-16 传感器压力传感特性试验示意图
 
4.4.1.1 传感器重复性试验
传感器重复性是衡量传感器静态特性指标之一,是指在同一试验环境下,将 传感器的输入量按相同方向作全量程连续多次变动时,得到的传感特性曲线的重 合度,是描述传感器性能的一个重要参数,不同循环下特性曲线重合度越高,则 传感器的重复性越好,传感器的测压稳定性就稳定。传感器重复性的数学表达式 为:
R=xlOO%
A FS
式中,Amax是指n组重复性试验中测得传感器中心波长之间的最大偏差值,
AFS 是指传感器满量程时输出值。
将传感器置于压力试验机中,对传感器的施加三次荷载,每次荷载分为加、 卸载,设定空载下为初始荷载,每次加、卸载步长为0.5MPa,并停留10s左右, 分别从OMPa逐级加压至3MPa,再卸载至OMPa,连续测量三个循环,由光纤 光栅采集系统以20Hz频率采集三次循环数据。图4-17为三次循环加载实验中传 感器输出波长漂移量的时程图。
传感面A
传感面B
图 4-17 三次循环加载试验下传感器波长漂移量的时程图
由上图可知,传感器加、卸载时,其中心波长均会有较小的波动变化,不同 循环荷载时,波动情况有差异,但整体曲线的走向和趋势相似,由此可见,三次
循环荷载试验下,传感器每个传感面中心波长数据的重复性较好,同时根据公式 (5-1)计算可得光纤光栅三维土压力传感器三次循环荷载下的各个面重复性误 差,其中传感面 A 重复性误差为 2.01%,传感面 B 重复性误差为 2.53%,传感面 C 重复性误差为 2.74%,传感面 D 重复性误差为为 1.71% ,传感面 E 重复性误差 为 2.84%,传感面 F 重复性误差为 1.89%,所有传感面的重复性误差值均小于 3%, 说明该传感器的重复性、稳定性较优,传感器各个传感面均具有良好的监测性能。
4.4.1.2 传感器蠕变试验
传感器的蠕变性能是描述传感器长期实时监测稳定性的重要参数,指外界环 境一定的情况下,施加传感器上的力保持不变时,传感器输出信号与时间变化的 关系。采用压力测试系统对光纤光栅三维土压力传感器的六个传感面进行蠕变性 能测试,分别对每个传感面施加 2MPa 的荷载,并保持不变至 30min 后再卸载压 力至零,同时利用光纤光栅解调系统采集传感器输出数据,蠕变试验中传感器的 波长漂移量的时程图如图 4-18 所示
传感面A 传感面B 传感面C 传感面D 传感面E 传感面F
0 - ■
■* I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I 1
0 5 10 15 20 25 30
时间/min
图4-18蠕变性能试验波长漂移量的时程图
由图可知,在光纤光栅解调系统允许的解调精度范围内,蠕变试验中传感器 各个传感面波长漂移量的上下波动值约为 5pm 左右,表面传感器具有较高的稳 定性和良好的抗蠕变性。
4.4.1.3 传感器压力标定试验
将传感器置入铁正检测科技有限公司的压力试验机中,设定荷载为 0MPa、
 
0.5MPa、IMPa、1.5MPa、2MPa、2.5MPa 和 3MPa,加载速率为 0.1MPa/s,将 传感器连接至光纤光栅数据采集系统,记录下不同压力荷载下各传感面中心波长 的变化,当试验机达到设定最大荷载时,将压力卸载至 0,再次进行加载试验, 重复加、卸载三次,直至标定完毕,如图4-19 所示,给出了重复三次加载下传 感器各个传感面中心波长与压力试验机荷载的变化曲线及均值拟合曲线。
 
 
 
 
 
 
压力/MPa
5)传感面 E
图 4-19 传感器各传感面压力标定试验拟合曲线图
由图4-19可知,传感面A的拟合曲线为y = 399.82586x + 0.94198 , R2 = 0.99988,测量灵敏度为399.82586 pm / MPa ;传感面B的拟合曲线为 y = 381.09542x + 3.98328 , R2 = 0.99977 ,测量灵敏度为381.09542pm /MPa ;传 感面C的拟合曲线为y = 367.20179x + 2.69128 , R2 = 0.99964,测量灵敏度为 367.20179 pm / MPa ;传感面 D 的拟合曲线为 y = 357.62883 x + 2.70958 , R2 = 0.99954 ,测量灵敏度为357.62883 pm / MPa ;传感面E的拟合曲线为 y = 340.67212x + 0.72438 , R2 = 0.99986 ,测量灵敏度为340.67212pm /MPa ;传 感面F的拟合曲线为y = 400.99802x + 0.10681 , R2 = 0.99947,测量灵敏度为 400.99802pm /MPa ,整理得表 4-3 所示。
表 4-3 传感器压力标定试验拟合曲线表达式
名称 拟合曲线 线性度 R2 灵敏度(pm/MPa)
传感面 A y = 399.82586 x + 0.94198 0.99988 399.82586
传感面 B y = 381.09542 x + 3.98328 0.99977 381.09542
传感面 C y = 367.20179 x + 2.69128 0.99964 367.20179
传感面 D y = 357.62883 x + 2.70958 0.99954 357.62883
传感面 E y = 340.67212 x + 0.72438 0.99986 340.67212
传感面 F y = 400.99802 x + 0.10681 0.99947 400.99802
从以上相关系数可知传感器压力标定试验拟合曲线的线性度很高,根据各个 传感面的灵敏度和光纤光栅解调装置的精度参数(3pm)和分辨率(1pm),可 以得到传感面 A 至传感面 F 的最小精度依次为 0.0075MPa、0.0079MPa、 0.0082MPa、0.0083MPa、0.0088MPa 和 0.0075MPa,传感面 A 至传感面 F 的分 辨率依次为 0.0025MPa、0.0026MPa、0.0027MPa、0.0028MPa、0.0029MPa 和 0.0025MPa。
4.4.2温补特性试验
传感器应用在工程实践中时,由于传感器同时具有温度和应变敏感特性,温 度和应变均会造成光纤光栅中心波长的变化,难以区分出应变造成的波长漂移量, 故解决温度和应变的交叉敏感问题,将温度和应变效应区分测量是传感器投入使 用的前提。
光纤光栅三维土压力传感器采用自差分补偿的温度补偿方式解决交叉敏感 问题,参考温补光栅的差分补偿输出需要通过稳步特性试验得到应变光栅和温补 光栅的温度敏感系数后,才能利用差分算法消除掉温度的影响,本次温补特性试 验通过无锡市恒升试验设备有限公司生产的GDW-010分体式高低温试验箱进行, 如图 4-20 所示。
 
 
图 4-20 GDW-010 分体式高低温试验箱
试验箱主要由箱体、制冷系统、加热系统、空气循环系统以及控制系统组成, 将传感器置入高低温试验箱中,使其处于自由状态,各个面不发生应变的变化, 此时可认为传感器的波长变化量只受温度的影响,同时将传感器连接上光纤光栅 解调系统,设定试验箱初始温度为-10°C,待波长稳定后,逐渐升温,设定-5°C、 0°C、10°C、15°C、20°C、25°C、30°C、35°C、40°C、45C和 50C11 个温度点, 每个温度点处保载至波长稳定后,再继续升温至下个温度点,记录每个温度点的 波长稳定值,拟合出传感器各个传感面应变光栅和温补光栅的温度特性拟合曲线, 如图 4-21 所示。
 
 
 
16.2641pm / °C;传感面 E 的拟合曲线为 y = 16.1452 x + 242.2487 , R2 = 0.99826 , 灵敏度为16.1452pm /C ;传感面F的拟合曲线为y = 16.1483x + 242.8913 , R2 = 0.99915 ,灵敏度为16.1483pm /C ;传感面平均波长变化量拟合曲线为 y = 16.1720x + 242.1343 , R2 = 0.99928 ,灵敏度为 16.1720pm /C ;温补光栅的 拟合曲线为y = 11.6079x + 172.3693 , R2 = 0.99811 ,灵敏度为 11.6079pm / C ,整 理得表 4-4 所示。
表 4-4 传感器温补特性试验拟合曲线表达式
名称 拟合曲线 线性度 R2 灵敏度(pm/C)
传感面 A y = 16.1958 x + 239.8693 0.99932 16.1958
传感面 B y = 16.0816 x + 244.5143 0.99857 16.0816
传感面 C y = 16.1968 x + 243.7291 0.99877 16.1968
传感面 D y = 16.2641x + 239.5530 0.99942 16.2641
传感面 E y = 16.1452 x + 242.2487 0.99826 16.1452
传感面 F y = 16.1483 x + 242.8913 0.99915 16.1483
平均波长 y = 16.1720 x + 242.1343 0.99928 16.1720
温补光栅 y = 11.6079 x + 172.3693 0.99811 11.6079
 
4.4.3传感器传感公式
基于压力特性试验和温补特性试验 并结合式 2-3 和式2-63 可推导出光纤 光栅三维土压力传感器的传感公式见表 4-5所示 为传感器的土压力监测提供计 算依据,其中传感面的中心波长变化量为H(i=AB,C,D,E,F),温补光栅的中心
波长变化量为 '心, 传感面i监测到的土压力为£(i=A,B,C,D,E,F)。 表 4-5 传感器标定公式
名称 标定公式
传感面 A P _11.6079A2, -16.1958△冷-3.65454
PA = 4641.1386
传感面 B p _ 11.6079A2b - 16.0816A/ -112.56093
PB_ 4423.71753
传感面 C p _11.6079A2C - 16.1968A人-68.59205
PC_ 4262.44166
传感面 D p _ 11.6079A2d-16.2641A人-&72827
PD_ 4035.2407
传感面 E p =11.6079A俎-16.1452A/ - 37.47039
PE_ 3954.4879
传感面 F p _11.6079A2f - 16.1483A人-37.22659
PF 4654.74492
4.5本章小结
本章主要完成了传感器制作和性能测试,利用3D打印技术预打印传感器的 结构模型 验证传感器结构的结构尺寸合理性 然后选择合适的传感器应变传感 元件和封装材料 进行传感器零部件的加工 完成传感器的组装和光纤光栅的粘 贴 最终通过室内标定试验得到传感器压力荷载和温度补偿拟合曲线及数学关系 式 并得到传感器监测的最小精度和分辨率 具体的研究内容有:
(1)通过3D打印技术预打印传感器结构件,通过组织预加工结构件和粘 贴光栅 实现对传感器结构尺寸的验证 证明了传感器结构的合理性。
(2)对比选择了合适的应变传感元件和封装材料 进行了传感器壳体结构 和一维土压力传感器结构的零件加工 通过光纤光栅的粘贴、熔接和传感器的组 装 完成了光纤光栅三维土压力传感器的制作。
(3)进行了室内标定试验 完成了压力特性、温补特性试验 分析了传感 器的重复性和蠕变性能 拟合出了传感器压力荷载和温补特性的标定公式 给出 了传感公式,验证了传感器具有优良的重复性和抗蠕变性,并得到传感面A至 传感面 F 的最小精度依次为 0.0075MPa、 0.0079MPa、 0.0082MPa、 0.0083MPa、 0.0088MPa 和 0.0075MPa 传感面 A 至传感面 F 的分辨率依次为 0.0025MPa、 0.0026MPa、 0.0027MPa、 0.0028MPa、 0.0029MPa 和 0.0025MPa。
第5 章 监测系统研发与工程安全监测
5.1引言
基于太原火车站东广场复杂基坑工程的监测需求,针对制备完毕的光纤光栅 三维土压力传感器,开发配套的光纤光栅智能监测系统,用于复杂基坑工程安全 监测,验证研发传感器及系统的实用性和稳定性,并配合其他的光纤传感装置, 为工程施工安全提供保障。
5.2安全监测系统研发
5.2.1系统需求分析
通过分析太原迎泽大街火车站东广场复杂基坑工程监测需求,基于光纤传感 技术和多源信息解调技术,完成光纤光栅基坑智能监测系统研发构建,系统具有 抗干扰能力强、数据传输稳定、快速监测等优点,最大限度的保障了施工过程中 基坑及周边环境的安全,同时基于阿里云平台技术,解决了传统服务器硬件处理 能力弱、存储空间小、稳定性差等问题,实现基坑监测数据的高效处理与发布[81-82]。
光纤光栅基坑智能监测系统主要由多源信息解调仪、LabVIEW的多源信息 监测平台与Web端多源信息同步监测平台组成,系统研发构架图如图5-1所示。 当基坑开挖土体应力发生变化后,智能监测系统能及时采集传感器监测数据,并 对信号进行解码,解码后通过数据传输模块经4G网络传输至云平台,云平台对 数据进行接受并传达到web端,完成监测数据的展示,实现对基坑开挖全过程 的监测,为基坑的安全施工提供保障。
 
 
 
图 5-1 系统研发架构图
5.2.2多源信息解调仪
为了能够适应太原东广场基坑工程施工监测 新型的多源信息解调仪不仅需 要实现电信号和光纤光栅信号的解调 还需实现无线自动化远程运作 并能适应 基坑工程复杂的施工环境 具有较长的便携性、使用寿命和稳定性。
多源信息解调仪由电信号解调模块、光纤光栅解调模块、激光光源模块、无 线传输模块和智能工控模块组成,其中采用了知名公司Bay Spec生产的光纤光 栅解调模块(FBGA)为解调仪的核心部件,能够同时快速的解调多个光纤光栅 波长变化;数字量解调模块使用高性能、通用的USB-6210型号数据采集卡,使 用简单,携带方便;工控主板模块选择德国著名电气商PHOENIX CONTACT研 发的BL PPC12型面板式PC,采用了 Intel高效能处理器N445、LED显示器、 耐磨损触摸屏、240G高速SSD硬盘以及三个内置式COM端口,性能高,使用 方便;激光光源模块采用了常见的ASE-C-10-FA型宽带光源,许用光纤光栅中 心波长范围为1525〜1565nm,适用于多种光纤光栅传感器,便捷实用;光开关模 块选用通用型八通道光开关,提供全光交换功能,不仅可以控制光信号的通断, 还能对光信号进行转换和运输;无线传输模块采用4G数传模块,具有通信速度 快、通信灵活等特点。
基于各个模块之间的协同运作,解调仪能实现多类型传感器监测数据的精准 采集,通过配置LabVIEW编译系统,完成监测数据的实时处理分析,使现场的 光纤光栅处理系统具有高精度、多种类、多数量的同步测量功能,满足现场需求。
5.2.3基于 LabVIEW 的多源信息监测平台
LabVIEW是1986美国著名的NI公司创新性研发的一种多功能虚拟仪器开 发环境,其整体采用图形化编辑语言G和虚拟仪器概念,涵盖了工程师思想、 科学家概念、图标和术语等内容,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途 径,具有易操作性和易修改性等优点。
通过采用 LabVIEW 图形化编程和虚拟仪器技术,开发集用户管理模块、交 互模块、参数配置模块、数据采集模块和数据回放模块为一体的LabVIEW的多 源信息监测平台,可以同时配置和调制多种光纤光栅传感器,随时唤醒或关闭系 统内任意一个传感器,从而保障多通道内传感器的数据采集与传输趋于稳定,实 现对基坑监测数据的统一管理和施工的安全评估。基于LabVIEW的多源信息监 测平台软件界面如图 5-2所示。
 
 
(1)用户登录界面 (2)监测主界面
图 5-2 Labview 软件界面示意图
数据采集模块、数据转化模块和数据存储模块是LabVIEW的多源信息监测 平台中至关重要的三个模块,通过调用动态链接库函数(DLL)等方式采集到原 始数据后,再由事先输入的标定公司进行解码,解码处理后的书记将保存至云网 端MySQL数据库中,便于记录和查询,其中模块的核心代码如图5-3所示。
 
 
(a)数据采集模块部分代码
 
 
 
 
(c)数据存储模块部分代码
图 5-3 模块部分代码图
5.2.4基于Web端多源信息同步监测平台
基于阿里云服务器和云数据库搭建的编程环境,采用 B/S 架构(浏览器/服 务器),通过 PHP 和 JAVA 两种语言共同编写 Web 端多源信息同步监测平台, 监测平台的核心模块包括用户登录模块、数据采集模块、数据展示界面模块、数 据回放模块和数据预警模块,可同时用于 Web 界面、手机、平板等多种客户端, 模块的具体功能如下所示:
(1)用户登录模块
用户登录模块的域名为http://39.108.167.119/#,用户可通过域名访问多源信 息同步监测平台,界面左上角为系统应用项目太原站东广场及配套路网工程所属 公司中铁十四局集团,背景为太原站的复杂基坑工程背景,通过输入正确的账户
密码可登录系统,确保了系统的安全性,登录界面如图 5-4 所示。
 
图 5-4 用户登录模块界面
 
(2)数据采集模块
数据采集模块选取了基坑工程传感器布设的断面图,其中断面图上标有传感 器布设的示意图,使传感器的布设清晰直观易懂,传感器图案旁设有数据框,框 内实时显示传感器的监测数据,操作人员可在左侧提供不同的监测断面,也可在 界面底部自行设置数据更新频率,其数据采集显示界面如图 5-5所示。
 
 
图 5-5 数据采集界面图
(3)数据回放模块 通过数据回放模块,用户可以查看以往任意时间的历史监测数据,通过点击 界面上传感器旁边的数据框即可弹出历史数据曲线,曲线图下方有两个滑动按钮, 通过拖动按钮可以自行控制期设定日期范围内的时间段,一般情况下,系统默认 历史数据曲线为当日数据曲线,用户可在数据显示模块左下角输入所需数据的日 期范围。数据回放模块如图 5-6所示。
 
 
图 5-6 数据回放模块曲线图
(4)预警模块 基坑监测断面上布设的传感器图标旁设有指示灯,预警模块是根据设置预警 阈值与数据变化速率来判断数据是否异常,若数据异常,则指示灯将从绿色变化 为红色,并弹出数据异常对话框,提醒管理员立即进行处理,从而提高监测系统 的可靠性,为现场安全施工提供保障。
5.3监测目的
复杂基坑工程监测中,无论采用何种理论计算、软件模拟方法,计算结果往 往与工程实测结果存在一定的差距,是一个近似值,故采用先进的监测装置对基 坑开挖及地下工程施工重点部位监测必不可少,通过采用本次自主研发的光纤光 栅三维土压力传感器、光纤光栅智能监测系统以及其他传感器完成基坑监测工作, 达到以下的目的:
(1) 不稳定因素监控
由于基坑工程土体在宏观上表现出各向异性、不均匀性以及不连续性等复杂 特征,加上不可控环境因素的影响,必须借助先进的监测装置与监测手段进行必 要的补充,采用光纤光栅三维土压力传感器以及传感系统,能够实时监控基坑工 程各类不稳定性因素,及时获取相关信息并采取相应补救措施,确保基坑工程稳 定安全,并避免风险、预防损失。
(2) 验证设计与指导施工
由于基坑工程的复杂性和不可预测性,造成基坑工程的设计理论尚不成熟, 不能很好反映工程实际情况,通过光纤光栅三维土压力传感器可以很好了解到周 边土体的实际变形和应力分布,验证设计与实际工程概况的符合程度,并根据大 量准确、系统全面的监测数据和分析,为基坑工程的设计和施工提供指导性意见。
(3) 保障利益
通过对现场监测数据的整理,分析基坑施工过程中土体深层水平位移、支撑 轴力以及地面沉降等的变形规律,为支护结构轴力监测、施工现场巡视提供数据 支撑,全面保障基坑工程安全。
(4) 积累经验
通过对多载荷耦合作用下土体的应力场变化规律、边坡位移以及钢支撑轴力 监测数据的整理,分析各监测对象的实际变形情况,判断对周边环境影响程度, 研究区域性施工特征,为今后相似基坑工程的监测提供更多的技术储备和积累宝 贵的经验。
5.4监测内容
东广场基坑工程采用地下连续墙+钢支撑的支护方案,连续墙的厚度约为 800mm,深入泥岩的深度不小于2m,自上而下设置三道钢支撑,分别位于-lm、 -4m和-7m处,基坑四个角采用角撑,基坑上部的坡度为8至10米,坡度为3: l。
由于施工环境和工艺的影响,基坑工程开挖过程中容易出现应力集中现象, 存在巨大的安全隐患,威胁基坑与基坑周边环境安全,通过基坑监测随时掌握土 体和支护结构内力变化,了解基坑变形情况,将基坑监测值与许用值进行对比分 析,判断基坑施工工程是否安全。基坑监测中基坑的土体水平位移、内支撑轴力 和深部土体应力是控制基坑安全最重要的三个指标。
本次基坑工程安全监测基于本文研发的光纤光栅基坑智能监测系统,采用本 文研发的光纤光栅三维土压力传感器监测基坑深部土体应力,并搭配团队已有的 光纤光栅位移计、光纤光栅轴力计监测其他两个指标,完成基坑监测,具体的监 测内容及使用传感器如表 5-1 所示。
表 5-1 安全监测内容
监测内容 监测参数 监测仪器 布设位置
深部土体应力 土压力 光纤光栅三维土压 力传感器 坑壁外侧
土体水平位移 位移 光纤光栅位移计 边坡
基坑钢支撑轴力 轴力 光纤光栅轴力计 钢支撑端部
 
5.5传感器布设
基坑北面设计建有人行楼梯通道,故北处土体原有应力较其他薄弱,且基坑 斜坡四周布设有排水管道,南北两侧均有重型机械施工,坡面负荷较大,风险较 高。同时由于基坑地层主要为新生界地层,岩性以粉土(Q41al+pl)和粉质黏土 (Q3al+pl)为主,土质主要为黄土,含水量丰富,当降雨时,由水泵将水抽出 基坑外,但由于基坑面积过大,水泵功率较低,雨期常造成基坑积水,导致土壤 平衡遭到破坏,具有较大的安全隐患,故需要对基坑的土体压力、边坡位移与钢 支撑轴力进行监测,现场传感器监视剖面图和布置图如图5-7和图5-8所示。
 
 
5.5.1光纤光栅三维土压力传感器布设
在基坑两侧连续墙处布置本文研发的圆膜片式光纤光栅三维土压力传感器, 用来监测基坑连续墙内土压力值,了解土体对连续墙的作用力,确保土体应力稳 定,本文研发的光纤光栅三维土压力传感器的参数如表5-2所示。
 
表 5-2 光纤光栅三维土压力传感器参数表
参数类型 传感面 A 传感面 B 传感面 C 传感面 D 传感面 E 传感面 F
量程 3MPa 3MPa 3MPa 3MPa 3MPa 3MPa
精度 2.5%oF.S. 2.6%F.S. 2.7%F.S. 2.8%F.S. 2.9%F.S. 2.5%F.S.
分辨率 0.83%oF.S. 0.87%F.S. 0.90%F.S. 0.93%F.S. 0.97%F.S. 0.83%F.S.
中心波长 1533.744 1537.721 1544.054 1549.947 1557.741 1564.029
(nm)
反射率(%) >90 >90 >90 >90 >90 >90
外形尺寸
(mm) 壳体 80x80x80、 传感面0 60*7
连接方式 熔接或FC/APC插接
安装方式 埋设土体中
首先在基坑两侧开挖完导墙沟槽并进行侧壁浇筑,并在靠近沟槽的墙后土上 垂直于基坑侧壁的轴线进行钻孔,直至孔深达8m,然后把率先调试完毕并熔接 好的光纤光栅三维土压力传感器放入钻好的孔中,牵引出光纤,然后用细砂填实, 牵引的光纤与地表解调仪相连接,以实时监测连续墙处应力集中情况。同时在地 表硬化路面挖出一个凹槽(深度约5cm,宽度约4cm),凹槽内布设防腐蚀、抗冲 击的PVC软管,将牵引出光纤布设在软管内,用于保护光纤,如图5-9所示。
 
 
(a)凹槽开挖 (b)线缆埋设保护
图5-9 光纤光栅三维土压力传感器线缆保护
5.5.2光纤光栅位移计布设
基坑边坡位移是衡量基坑工程安全的重要指标之一,本次基坑边坡位移监测
采用团队研发的光纤光栅位移计,参数如表5-3所示。
 
表 5-3 光纤光栅位移计传参数表
参数类型 参数值
量程 100mm
精度 1%°F.S.
分辨率 0.5%oF.S.
中心波长(nm) 1525~1565
反射率( %) >90
外形尺寸( mm) 阴2*700
连接方式 熔接或FC/APC插接
安装方式 螺钉固定
选取两个监测断面,在垂直基坑坑壁的边坡上清理一小块场地,进行硬化处 理,用膨胀螺丝将光纤光栅位移计固定在基坑边水平硬化场地上,南面布设位移 计1,北面布设位移计2,位移计可拉伸端固定0.5mm钢丝绳,坡脚端因工人、车 辆活动较多,需采用采用PVC硬管保护钢丝绳,PVC管使用前需检查钢丝绳质量 与PVC管的平直度,检查无误后使钢丝绳穿过PVC管并与其内壁无接触,同时在 硬化路面开辟约5mmX5mm的槽,槽中置入PVC管,延伸至坡脚处,浇筑混凝土 保护槽中PVC管,PVC管末端牵引处钢丝绳,通过提前固定在边坡上的定滑轮, 将钢丝绳绕过定滑轮一直牵引至坡顶水平场地,固定在一根锚杆上,锚杆打进土 体固定,当边坡有水平位移时,钢丝绳长度发生变化,位移计即可测出边坡的位 移值,使用位移计如图5-10所示。
 
 
5.5.3光纤光栅轴力计布设
钢支撑的稳定性直接影响基坑工程的施工安全,具有关键的作用,本次钢支 撑轴力的监测采用团队已有的光纤光栅轴力计,具体参数如表5-4所示。
 
表 5-4 光纤光栅轴力计参数表
参数类型 参数值
量程 2000kN
精度 1%F.S.
分辨率 0.5%F.S.
中心波长(nm) 1577.53
反射率(%) >90
重量 9kg
高度 150mm
外径 120mm
连接方式 熔接或 FC/APC 插接
安装方式 配置安装支架
选择拟安装轴力计的基坑断面,在钢支撑的端部中心线上对准轴力计安装架 并焊接,同时在轴力计安装部位对应的墙体钢板上布设垫板,用来防止钢支撑将 轴力计顶入钢板使钢板变形,焊接冷却后在安装架内置入量测2000kN的光纤光 栅轴力计,用螺丝固定,确保轴力计能准确监测到钢支撑轴力的变化,同时采用 PVC软管保护光纤光栅轴力计光缆,选用光纤光栅轴力计如图5-11所示。
 
图 5-11 光纤光栅轴力计
 
5.5.4光纤光栅采集仪布设
在基坑周边选取一个安全、稳定、无干扰、移动网络信号充足的制高点,用 钢板和水泥建造一个保护室,将多源信息解调仪布设在站内,如图5-12所示,使 用激光笔检测光纤是否畅通。将传感器的光纤接入自行研发的多源信息解调仪, 并且计算机在云平台读取每个FBG的波长,通过校准公式计算精确的土压力变化 情况,若监测数据正常显示且无异常,则表示光纤光栅传感器系统布设完毕,给 保护站上锁并安排专人定期检查,防止监测设备丢失。
 
 
图 5-12 光纤光栅采集仪保护室
 
5.6数据分析
5.6.1三维土压力传感器监测数据分析
太原市位于中国西北部,暖温带大陆性季风气候,冬季寒冷干燥,湿度监测 值对压力监测值影响可忽略。现场试验工作从2018年11月11日至2019年01月26 日,涵盖了基坑断面的开挖及钢支撑的架设等多种工序,为了监测基坑二期开挖 过程中土体压力的变化,选定有较多重型车辆施工的北面为重点监视区域,其中 北面区域监测数据如图5-13所示,图中横坐标为时间,纵坐标为土体的压力。
■—传感面Al
 
 
 
 
日期/day
 
图5-13 东广场基坑开挖北面区域监测点1土压力变化
通过埋入土中的土压力传感器测定土体的压力值,从图5-13的数据可得,其 中传感面A和传感面B监测数据相似,传感面C和传感面D监测数据相似,传感面 E和传感面E的监测数据相似,监测数据相似的传感面均为传感器相对面,符合 理论要求,传感面A的监测值略大于传感器B是因为传感器本身自重的影响使传 感面A的变形大于传感面B。
监测数据表明基坑开挖的不同阶段对土压力变化影响较为明显,监测断面1 的土体应力随着基坑的不断深挖呈现逐渐增大的趋势,且监测数据沿某一特定轴 线以较小振幅呈线性增大,符合土压力分布呈近似线性分布的理论,并于2019 年01月20日趋于稳定,此时传感面F监测有最大土压力2.53MPa,传感器C监测到 最小土压力1.69MPa。土压力监测结果的主要原因是一方面随着基坑开挖工况的 不断进行,坑壁土体不断卸载,至基坑回填坑壁土体压力基本平衡,正常固结土 转变为超固结土,其密度增大,压实更紧密,应力增量最终趋于稳定,最终稳定 的土压力值一般较大;另一方面,重型机械的施工加速的基坑的变形(图5-14), 使土体应力失衡,不平衡的土压力作用会导致支护结构后侧土体局部应力集中, 导致支护结构的变形。
 
 
图5-14 太原火车站东广场基坑施工
基坑土压力监测的过程中,为了避免基坑施工过程中光纤光栅土压力传感器 受到损坏而监测失效,同时也为了减小监测的误差,常在基坑的开挖坑壁内预设 多个光纤光栅土压力传感器,从而形成多个测点,保证监测数据的准确性,如图 5-15是东广场基坑北面区域开挖监测点2土压力变化图。
 
 
 
日 ffl/day
 
图5-15 东广场基坑北面开挖监测点2土压力变化 如图所示,测点2的监测值与测点1大致一致,随着开挖深度的增加,井壁的 土壤会不断卸荷,直到井壁的压力达到平衡为止,应力增加趋于稳定,在2019 年01月22号达到最大值,此时传感面F有最大土压力2.52MPa,传感面E有最小土 压力1.35MPa,传感器相对的传感面监测数据较为相似,且监测土压力的变化曲 线很明显呈现出线性的变化规律,这与依据经典土压力理论而计算出来的土压力 分布吻合,其与断面1的最大监测值均低于地下连续墙允许的最大土压力,符合 现场安全平稳有序的施工状况。
传感器能够实时、长期、稳定的反映出复杂基坑开挖时土压力的变化,证明 其抗干扰能力强,稳定性较高,同时两断面检测的土压力数值与复杂基坑工程现 场的实际施工状况相符,能够正确的反映出基坑三维土压力的安全状况,表明其 具有较高的可靠性和实用性,适合大规模推广使用。
5.6.2位移计数据分析
光纤光栅位移计的安装、调试以及配置完成之后,开始现场的远程实时监测, 传感器的监测时间为 2018年 11 月 11 日至2019年 01 月 26日,所有数据均通过 光纤光栅基坑智能监测系统上传至云网端,监测数据如图 5-16、5-17 所示,其 中,向基坑内移动的位移值为正,反之为负。
 
 
由图可知,两断面基坑边坡的位移监测值均呈上升的趋势,且均为正,说明 两个断面的位移均朝着基坑内方向,部分呈锯齿状,说明边坡较为敏感,易受影 响,应予以重视。
位移计 1 的监测值均小于位移计 2 的监测值,这是因为基坑北面规划有地铁 口,且北面有较多重型机械施工,造成北面土体应力集中较大,边坡变形较大。
断面 1 的监测值变化较大,一周后达到最大值,其中位移计 2 达到 6.48mm, 位移计1达到4.92mm,主要是因为断面1 土质的含水量较高,减小土体间的粘 聚力并增加土体的自重,开挖过程中加速了边坡变形。随后位移值逐渐减小,在 2018年12月28日左右达到稳定,位移计2约为3.27mm,位移计1约为2.3mm, 位移逐渐减小是因为该断面安装了钢支撑来稳固基坑两帮土体的变形,使两侧的 边坡变形逐渐趋于稳定,后续两位移计趋于稳定的位移量均有 4mm 的波动,主 要是由于大型机械施工震动引起,需要重点加强对断面 1 的安全防护。
断面 2 的位移计值在一个月开始增大,是由于一个月后开挖至断面 2,其中 位移计 1 的数据波动较大,是因为位移计 1 处的人员移动较频繁,对传感器的挠 动影响较大,造成数据的剧烈波动,基坑开挖后期,断面 2 处有最大的位移值, 此时位移计1为3.51mm,位移计2为3.14mm。
断面 1 和断面 2 的边坡监测最大位移值均位于边坡变形的允许范围以内,基 坑边坡较为安全。
5.6.3轴力计数据分析
钢支撑承受基坑工程中地下连续墙所传递的土压力,通过团队自主研发的光 纤光栅轴力计监测基坑中第一道、第二道以及第三道钢支撑轴力的变化,进而掌 握和分析基坑开挖环境轴力的实时变化情况,监测数据如图5-18所示。
1200 1 第-道支撑
-■第二道支撑
1000 - T—第三道支撑 J
 
 
 
日期/day
 
图 5-18 光纤光栅轴力计监测数据
由图可知,随着基坑的逐渐开挖,钢支撑轴力的呈增大的变化趋势,与地应 力的变化趋势一致,均表明土体的应力逐渐集中,需要采取一定的防护措施,但 监测到的轴力并不是单调递增的,有着反复变化、上下波动的现象,这主要是由 于基坑的施工情况与气温的变化所致,需要针对气温的变化,做好相应安全防护。
图中表明第一道钢支撑至基坑底部第三道钢支撑的轴力值逐渐减小,主要是 因为地表的重型机械施工造成的影响随着基坑深度的增加,影响逐渐减小,致使 第一道钢支撑的负载最大,地表处的安全防护需要重点关注。
图中表明,钢支撑上的光纤光栅轴力计监测数值均未达到轴力计量程的许用 值,表明钢支撑是安全的,同时表明钢支撑的轴力仍有较大的利用空间,基坑工 程较为安全。
5.7本章小结
本章通过分析太原迎泽大街火车站东广场现场施工情况及查阅相关文献,提 出了太原东广场基坑智能监测系统设计思路,开发了具有自主知识产权的多源信 息解调仪,研发基于LabVIEW的多源信息监测平台和基于Web端多源信息同步监 测平台,并成功在现场得到应用,具有的内容有:
(1) 进行了系统需求分析,设计了太原东广场光纤光栅土压力智能监测系 统组成,主要包括光纤光栅传感器、电信号传感器、多源信息解调仪、基于 LabVIEW的多源信息监测平台和基于Web端多源信息同步监测平台。
(2) 完成了多源信息解调仪的需求分析,研发了新型的多源信息解调仪, 包括电信号解调模块、光纤光栅解调模块、激光光源模块、无线传输模块和智能 工控模块,适用于复杂的施工环境,具有较长的便携性、使用寿命和稳定性。
(3) 开展了光纤光栅基坑智能监测系统软件端研究,研发了基于LabVIEW 的多源信息监测平台和基于Web端多源信息同步监测平台,实现基坑工程施工的 全天候可视化监控管理。
(4) 基于自主研发的光纤光栅三维土压力传感器和智能监测系统,搭配已 有的光纤光栅位移计和光纤光栅轴力计,完成了基坑开挖及地下工程施工重点部 位监测,验证了研发的传感器和系统的实用性,提出了合理化建议,为基坑工程 的施工提供了安全保障。
第 6 章 结论与展望
6.1结论
本文在参考大量文献的基础上,对光纤光栅传感特性以及光纤光栅解调原理 进行了总结阐述,并基于土体空间应力-应变理论设计三维光纤光栅土压力传感 器图纸,开展了传感器测量原理研究以及理论校核,利用ANSYS有限元分析软 件分析了圆膜片弹性特性和结构应变特性、传感器单轴与三轴荷载下传感特性以 及传感器-介质耦合特性分析,同时采用3D打印技术验证结构合理性,完成传感 器的加工制作与室内标定试验,最后基于LabVIEW多源信息平台、Web端多源 信息平台与多源信息解调仪研发太原东广场光纤光栅基坑工程监测系统,成功应 用于太原东广场基坑监测工程。论文的主要结论如下:
(1) 通过大量调研资料,分析了光纤光栅的传感特性,阐述了光纤光栅对 应变和温度的响应机制,给出了光纤光栅单一变量测量的方法,通过对比不同的 温度补偿方式,选取内置温补光栅法作为传感器制作的温度补偿,为后续传感器 的结构设计和理论分析提供了基础和铺垫。
(2) 基于复杂基坑工程的应用背景,分析三维土压力的监测需求,并结合 光纤光栅传感特性、温补特性和空间应力-应变理论,设计出新型圆膜片式光纤 光栅三维土压力传感器,同时完成材料的比选和传感特性公式的推导,最终通过 理论强度校核,计算出额定荷载下,圆膜片中心处和边缘处的等效应力为 137.98MPa,满足需小于许用应力146.67MPa的要求,表明传感器的强度符合基 坑工程监测要求。
( 3)利用 ANSYS 有限元分析软件,建立受压圆膜片和传感器模型,分析 其弹性特性及结构应变特性,同时建立传感器-介质耦合特性模型,研究了三维 土压力传感器在不同介质参数条件下,其嵌入效应对传感器自身的感知特性和扰 动介质的分布特征,得到传感器各零部件的应力分布情况,验证了传感器结构的 合理性。
(4)利用3D打印技术预打印传感器结构件,验证了传感器结构尺寸合理 性,选择合适的应变传感元件和封装材料,完成了传感器零部件的加工制作,实 现了传感器的组装与光纤光栅粘贴,并通过室内标定试验分析了传感器的压力特 性和温补特性,给出了传感公式,拟合出了传感器压力荷载和温补特性的标定公 式,验证了传感器具有优良的重复性和抗蠕变性,并得到传感面A至传感面F 的最小精度依次为 0.0075MPa、 0.0079MPa、 0.0082MPa、 0.0083MPa、 0.0088MPa 和0.0075MPa,传感面A至传感面F的分辨率依次为0.0025MPa、0.0026MPa、
0.0027MPa、0.0028MPa、0.0029MPa 和 0.0025MPa。
(5) 进行了光纤光栅基坑智能监测系统需求分析,设计了系统组成,完成 了多源信息解调仪的研发,并通过LabVIEW、PHP、MySQL和阿里云服务技术 完成了多源信息监测平台开发,监测平台具有数据采集、参数配置、历史数据回 放及用户管理等功能,能够实现基坑工程施工的全天候可视化监控管理。
(6) 基于研发的光纤光栅三维土压力传感器和智能监测系统,配合已有的 光纤光栅位移计和光纤光栅轴力计完成东广场基坑二期施工的监测,其中测得 土体应力趋势和最大监测值均符合现场安全平稳有序的施工状况,验证了传感器 和监测系统的可行性,同时结合光纤光栅位移计和光纤光栅轴力计的监测数据, 指出了需加强重型机械的管理、断面1需加强监测等合理化建议,为现场安全施 工提供了保障。
6.2展望
本文设计研发了一种三维光纤光栅土压力传感器,通过理论校核以及数值模 拟的方式验证了结构的合理性,并通过室内标定试验得到传感器各个传感面的应 力、温度与中心波长变化量之间的数学关系式,计算出传感器的灵敏度和分辨率, 并研发适用于基坑工程的光纤光栅智能监测系统,实现对地下岩体以及浅部土层 土压力的监测,由于目前三维土压力传感器的研究较少,加上实验条件和本人水 平有限,仍有部分工作值得进一步开展研究,主要集中在以下方面:
(1) 进一步优化传感器的模型结构,研究传感器各个传感面的分散布置, 实现正应力和切应力的同时测量,并采用环氧树脂填充内部空腔,用来保护内部 光纤,使其不容易受到损坏。
(2) 对传感器制作材料进行深入的研究,传感面材料和壳体材料分开选择, 传感面材料可以适当考虑小弹性模量的材料来提高传感器的灵敏度,而壳体材料 则应满足监测强度要求和耐腐蚀性,并同时开展室内实验,对比分析各种材料下 的受压圆膜片的弹性特性和结构应变特性。
(3) 光纤光栅基坑智能监测系统虽然具备数据监测的基本功能,但数据处 理能力较弱,可基于Matlab数值计算软件优化数据的采集及处理,提高系统预 测、预警能力。
(4) 传感器测得压力与实际压力存在误差,后期的优化中,可以考虑采用 静水压力荷载装置,使室内模拟实验条件更符合现场实际应用条件,减少实验误 差。
致谢
光阴似箭,时光荏苒,转眼间即将面临毕业季,暮然回首,难以忘怀。在此, 首先我要感谢我的导师任高峰教授,武汉疫情期间,虽然论文处处受阻,部分资 料文件缺失,但在老师的悉心指导和帮助下,勉强完成了论文,但遗憾的是最后 仍是没有达到老师的要求,辜负了老师的期望,深感惭愧。攻读硕士期间,导师 严谨治学的态度和精益求精的作风使我在学习上不断取得进步,同时在为人处事、 待人接物上的言传身教也让我领会到了做人的道理。教导之恩,铭记于心,没齿 难忘。即将踏入社会,导师那句“要培养独当一面的能力”始终鞭笞着我们认真 做好每一件事情,坚持信念,奋然前行。非常庆幸能在研究生期间能遇到这样一 位令人尊敬的好老师,再次由衷地向任高峰教授致以崇高敬意和诚挚的感谢! 感谢王玉杰教授带领下的玉杰团队和任高峰教授带领下的高峰团队,团队是 我们最好的大家庭,在这里我感受到了家的温柔。
感谢曹建树老师、胡雄斌老师、李可心老师、代玉丽老师、蔡偲老师、王照 地老师、严岿老师和黄涛老师,我很珍惜在国教学院和研工办一起工作的日子。
感谢张聪瑞老师、黄刚老师和陈东方老师对我的指导、关心、支持和帮助。 感谢同门师兄贺伟奇师兄、褚衍玉师兄、郭子培师兄、吴起师兄、刘源浩师 兄、张文浩师兄、周可师兄和段洪波师兄的关照,与你们相遇相识是我的荣幸。
感谢同门詹浩东、王震、葛永翔、杨旭春,同门之情,情同手足,感谢三年 来的相互支持和相互帮助,愿我们友谊长存。
感谢我的师弟师妹王扶成、李东、游喻豪、郭士岩、崔雅婷、张松涛、单晓 宇、陈硕、邓德志、殷锦训、刘伟浩、周伟、王梦妮、石义虎和吴文博,是你们 为我的研究生生活带来了丰富的颜色,创造了我人生中一段美好的回忆。
感谢中铁十四局集团有限公司的胡仲春总工程师以及铁正检测科技有限公 司的王鑫和王哲,他们在学习、生活、论文和工作等方面给与了我极大的帮助。
感谢国家重点研发计划子课题(2018YFC0808405) “高海拔矿山无轨运输 车辆安全保障技术”对本论文的支持和帮助,是本研究的保障。
感谢每一位为新冠疫情坚守岗位、奋战一线的工作人员和白衣天使们,你们 是逆行的英雄,是你们把黑暗照亮变成一道光,感恩守护,你们辛苦了。
感谢百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家和教授们,各位辛苦了。 最后,感谢我最亲爱的父母、姐姐、姐夫以及杨莹女士,感谢你们的默默关 爱与支持,是我不断克服困难,勇于前进的动力源泉。
—2020年3月于荆州家中
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