地質與巖土工程分布式光纖監(jiān)測技術

序

前言

符號表

第一章 緒論 1 

1.1 地質與巖土工程監(jiān)測 1 

1.2 地質體的特點與監(jiān)測要求 2 

1.3 常規(guī)監(jiān)測技術及其不足 3 

1.4 分布式光纖感測技術 5 

1.5 土木工程光纖監(jiān)測現(xiàn)狀 7 

1.6 地質與巖土工程光纖監(jiān)測現(xiàn)狀 8 

1.7 本專著的主要內容 10

第二章 分布式光纖感測技術 12 

2.1 光纖與光纜 12 

2.2 光纖感測技術的工作原理 13 

2.3 光纖感測技術的分類 14 

2.3.1 點式光纖感測技術 15 

2.3.2 準分布式光纖感測技術 15 

2.3.3 全分布式光纖感測技術 17 

2.4 幾種常用的分布式光纖感測技術 17 

2.4.1 基于布拉格光柵的準分布式光纖感測技術 18 

2.4.2 基于瑞利散射的全分布式光纖感測技術 23 

2.4.3 基于拉曼散射的全分布式光纖感測技術 26 

2.4.4 基于布里淵散射的全分布式光纖感測技術 27 

2.5 常用光纖感測技術的特點分析 36

第三章 分布式光纖感測技術性能研究 38 

3.1 概述 38 

3.2 FBG的感測性能 38 

3.2.1 FBG中心波長與應變和溫度的關系 38 

3.2.2 光纖光柵的光敏性 39 

3.2.3 FBG的穩(wěn)定性 40 

3.2.4 FBG溫度與應變交叉敏感問題 40 

3.3 基于瑞利散射的分布式光纖感測性能研究 41 

3.3.1 主要性能指標 41 

3.3.2 提高感測性能的途徑 42 

3.4 基于拉曼散射的分布式光纖感測性能研究 43 

3.4.1 主要性能指標 43 

3.4.2 提高感測性能的途徑 44 

3.5 基于布里淵散射的分布式光纖感測性能研究 45 

3.5.1 基本性能指標 45 

3.5.2 提高感測性能的方法 46 

3.5.3 布里淵散射光譜特性分析 49 

3.5.4 提高空間分辨率的頻譜分解法 54 

3.5.5 布里淵頻譜降噪 58 

3.6 應變測量的溫度補償技術研究 59 

3.6.1 溫度變化對光纖參數(shù)的影響 59 

3.6.2 溫度補償方法 60

第四章 光纖傳感器與傳感光纜 65 

4.1 概述 65 

4.2 準分布式 FBG傳感器 65 

4.2.1 FBG傳感器的種類和特點 65 

4.2.2 FBG傳感器的感測性能標定 69 

4.2.3 FBG傳感器的感測特性研究 72 

4.3 全分布式傳感光纜 73 

4.3.1 傳感光纜的標定方法 73 

4.3.2 傳感光纜的結構及護套效應 75 

4.3.3 傳感光纜的疲勞性能 79 

4.3.4 傳感光纜的溫度感測性能對比 82 

4.4 纜-土耦合感測性能研究 87 

4.4.1 纜-土界面耦合變形力學模型 87 

4.4.2 纜-土界面參數(shù)及光纜測值可靠性判據 94 

4.4.3 纜-土界面耦合的影響因素 96 

4.4.4 土中直埋式光纜的應變分布特征 105 

4.5 傳感光纜與回填材料的耦合性能研究 106 

4.5.1 考慮高圍壓的光纜 -回填料耦合性研究 106 

4.5.2 傳感光纜鉆孔注漿耦合材料配合比研究 112

第五章 地質與巖土工程多場分布式光纖監(jiān)測技術 116 

5.1 概述 116 

5.2 應變場的光纖監(jiān)測技術 117 

5.2.1 監(jiān)測原理 117 

5.2.2 傳感光纜（器） 117 

5.2.3 應用實例 119 

5.3 應力場的光纖監(jiān)測技術 120 

5.3.1 監(jiān)測原理 120 

5.3.2 解調技術與傳感光纜（器） 120 

5.3.3 應用實例 122 

5.4 變形場的光纖監(jiān)測技術 123 

5.4.1 監(jiān)測原理與方案 123 

5.4.2 解調技術與傳感光纜（器） 123 

5.4.3 布設方式 125 

5.4.4 應用實例 125 

5.5 溫度場的光纖監(jiān)測技術 126 

5.5.1 監(jiān)測原理與方法 126 

5.5.2 解調技術與傳感光纜（器） 126 

5.5.3 布設方案 126 

5.5.4 應用實例 127 

5.6 水分場的光纖監(jiān)測技術 128 

5.6.1 概述 128 

5.6.2 水分場分布式光纖監(jiān)測原理 129 

5.6.3 加熱型 FBG傳感器研制 130 

5.6.4 加熱型傳感光纜研制 131 

5.6.5 水分場光纖監(jiān)測 134 

5.6.6 應用驗證 135 

5.7 滲流場的光纖監(jiān)測技術 137 

5.7.1 概述 137 

5.7.2 監(jiān)測原理 138 

5.7.3 解調技術與傳感光纜（器） 138 

5.7.4 滲流速率的標定 139 

5.8 化學場的光纖監(jiān)測技術 141 

5.8.1 概述 141 

5.8.2 基本監(jiān)測原理 142 

5.8.3 海水鹽度 LPG監(jiān)測試驗 142 

5.9 其他場的光纖監(jiān)測技術 147 

5.10 地質與巖土工程分布式光纖多場監(jiān)測 148

第六章 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng) 149 

6.1 概述 149 

6.2 監(jiān)測系統(tǒng)設計原則 149 

6.3 監(jiān)測系統(tǒng)基本結構與內容 150 

6.4 監(jiān)測數(shù)據采集與傳輸 151 

6.5 監(jiān)測數(shù)據處理、分析及決策 152 

6.5.1 一般步驟 153 

6.5.2 基于小波分析的光纖監(jiān)測數(shù)據處理 155 

6.5.3 異常區(qū)域的模式識別方法 157 

6.5.4 基于分布式監(jiān)測的正、反演探討 162 

6.5.5 基于應變場分布的巖土工程結構損傷識別 167 

6.6 監(jiān)測數(shù)據可視化 170 

6.6.1 系統(tǒng)架構和功能 170 

6.6.2 數(shù)據可視化 172 

6.6.3 邊坡穩(wěn)定性評價可視化 173 

6.7 監(jiān)測數(shù)據分析模型與預警預報 173 

6.7.1 監(jiān)測數(shù)據的關聯(lián)規(guī)則分析 173 

6.7.2 基于 BP神經網絡的邊坡多場信息分析 175 

6.7.3 基于光纖監(jiān)測的邊坡穩(wěn)定性評價和滑坡預警 178

第七章 光纖大變形監(jiān)測技術與現(xiàn)場布設 186 

7.1 概述 186 

7.2 FBG大變形監(jiān)測技術 186 

7.3 分布式光纖大變形監(jiān)測技術 188 

7.3.1 定點式光纖應變監(jiān)測技術 188 

7.3.2 分布式光纖測斜技術 189 

7.3.3 管式光纖變形監(jiān)測技術 192 

7.3.4 光纖深層沉降監(jiān)測技術 194 

7.3.5 光纖多點位移監(jiān)測技術 195 

7.3.6 螺旋彈簧式光纖變形監(jiān)測技術 195 

7.3.7 光纖雙向傳感器 198 

7.4 傳感器與傳感光纜的現(xiàn)場布設 199 

7.4.1 傳感器的現(xiàn)場布設 199 

7.4.2 傳感光纜的現(xiàn)場布設 209

第八章 土工模型試驗光纖測試技術 215 

8.1 土工模型試驗的測試要求 215 

8.2 光纖感測技術 215 

8.3 傳感器與傳感光纜研發(fā) 216 

8.3.1 FBG傳感器 216 

8.3.2 傳感光纜 219 

8.4 傳感光纜的安裝要點 222 

8.5 測試實例 223 

8.5.1 小型土體模型試驗光纖測試 223 

8.5.2 中型土體模型試驗光纖測試 226 

8.5.3 覆巖變形物理模型試驗光纖測試 231 

8.6 土工離心機模型 FBG測試系統(tǒng) 235 

8.6.1 概述 235 

8.6.2 測試系統(tǒng) 236 

8.6.3 微型 FBG傳感器 237 

8.6.4 感知桿件制作 237 

8.6.5 FBG解調儀 238 

8.6.6 邊坡離心模型試驗 239

第九章 巖土工程光纖監(jiān)測技術研究 244 

9.1 概述 244 

9.2 樁基光纖測試技術研究 244 

9.2.1 主要問題 244 

9.2.2 光纖測試方案 245 

9.2.3 監(jiān)測實例 252 

9.3 隧道光纖監(jiān)測技術研究 254 

9.3.1 主要問題 254 

9.3.2 光纖監(jiān)測方案 255 

9.3.3 監(jiān)測實例 262 

9.4 基坑光纖監(jiān)測技術研究 266 

9.4.1 主要問題 267 

9.4.2 光纖監(jiān)測方案 268 

9.4.3 監(jiān)測實例 272

第十章 地質災害光纖監(jiān)測技術研究 278 

10.1 概述 278 

10.2 鉆孔全斷面光纖監(jiān)測技術 278 

10.2.1 鉆孔全斷面光纖監(jiān)測概念 278 

10.2.2 鉆孔全斷面光纖監(jiān)測系統(tǒng) 279 

10.3 地面沉降光纖監(jiān)測技術研究 282 

10.3.1 主要問題 282 

10.3.2 分布式光纖監(jiān)測方案 282 

10.3.3 蘇州盛澤地面沉降監(jiān)測 284 

10.4 地裂縫光纖監(jiān)測技術研究 287 

10.4.1 主要問題 287 

10.4.2 分布式光纖監(jiān)測方案 288 

10.4.3 無錫四房巷地裂縫監(jiān)測 291 

10.5 邊坡光纖監(jiān)測技術研究 293 

10.5.1 主要問題 293 

10.5.2 邊坡監(jiān)測方案 294 

10.5.3 三峽庫區(qū)馬家溝滑坡分布式光纖監(jiān)測 298

參考文獻 312

名詞術語 327 

索引 332