[发明专利]一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法

权利要求书

1.一种基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)在测斜仪的测斜管外缘凸起导槽的表面中心线上布置对称的U型光纤光栅串，光纤光栅紧密贴合在测斜管表面上，构成光纤光栅应变传感器；

2)在滑坡需要监测的位置钻孔，将光纤光栅应变传感器逐节拼接放入钻孔内，使得布设的光纤光栅U型平面和被监测边坡的滑动方向平行；将光纤光栅应变传感器与光纤光栅解调仪连接，记录下光纤光栅应变传感器的初始波长信号；

3)光纤光栅解调仪实时监测光纤光栅的波长变化，利用标定好的光纤光栅应变灵敏系数K_ε，计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变ε(z)：

式中，测斜管的底部为坐标原点，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅波长值分别为λ_u和λ_d，其初始值分别为λ_u0和λ_d0，λ_u0≈λ_d0＝λ₀；

4)根据材料力学中，悬臂梁在弯曲状态下的扰度曲线积分公式，结合复合辛普森积分公式，建立不同位置处的测斜管扰度w(z_n)和平均轴向应变ε(z)的关系可以表示为式10：

式中，R是测斜管的外半径，h是光纤光栅测点的布设间距，l是拼接的测斜管总长，z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h，n是测点总数；

5)在滑坡监测中，假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致，根据不同位置处测斜管所测的扰度可以实时判断滑坡的内部变形情况。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于式10的推导过程如下：

假定滑坡和测斜管是协调变形，即假定滑坡体的内部变形和测斜管的弯曲变形保持协调一致；测斜管的变形特征可以等效为悬臂梁弯曲变形结构进行分析：

悬臂梁的扰度和曲率半径之间关系式如式1所示：

式中，w(z)是测斜管的扰度，ρ(z)是曲率半径，z是沿测斜管轴向的坐标；

测斜管的曲率半径和平均轴向应变的关系式如式2所示：

式中，R是测斜管的外半径，ε(z)是测斜管的平均轴向应变；

结合式1和式2，可得到式3：

对式3左右两边进行二重积分，可以得到测斜管的扰度和平均轴向应变的关系式4为：

在测斜管不同位置上布置若干光纤光栅测点，测斜管的底部为坐标轴原点，沿轴线的测点记为z_i和z_i+1/2，表示为式5：

z_i＝2ih，z_i+1/2＝z_i+h， (5)

式中，n是测点总数；h是光纤光栅测点的布设间距，l是拼接的测斜管总长；i＝0,1,2,……,n；

结合式4和5，基于复合辛普森积分公式，测斜管的扰度和平均轴向应变的关系可以表示为式6：

其中，

根据式7、8和9，测斜管的扰度和平均轴向应变的关系可以表示为式10：

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的滑坡内部位移监测方法，其特征在于式11的推导过程如下：

1)测斜管中前后对称的光纤光栅的波长的漂移与温度和应变的关系为式12和式13：

式中，ΔT是温度变化值，距离测斜管底部z处的前后对称的光纤光栅所感应的应变为Δε_u和Δε_d，K_T是光纤光栅温度灵敏系数，K_ε是光纤光栅应变灵敏系数；

2)悬臂梁在线弹性内弯曲时，根据平截面假定可知，悬臂梁的前后表面应变值满足式14：

Δε_u＝-Δε_d (14)

3)根据式12、13和14，同时λ_u0≈λ_d0＝λ₀，可以计算出测斜管不同截面处的平均轴向应变和波长的关系为式11：