本發明涉及一種埋入式光纖路基沉降觀測裝置及觀測方法，具體涉及一種適用于路基沉降監測的埋入式光纖路基沉降觀測裝置及觀測方法，屬于路基沉降監測技術領域。

背景技術：

現代化交通建設對路基沉降的要求尤其嚴格，不僅要求路堤穩定，對工后沉降、不均勻沉降以及路面平整度等均有不同的要求，否則工程達不到應有的舒適性，導致后期維護費用過高等問題。目前，由于軟土具有含水量高、壓縮性大、滲透性差、孔隙比大、強度低和靈敏度高等特點，在軟土地基上修建高等級公路仍然存在很多問題：其一，軟土地基的沉降和差異沉降過大的問題；其二，在路基填筑過程中出現的穩定問題。可見，沉降控制問題是軟土地區高速公路建設的重要問題之一。現有的沉降儀雖具有測量方法簡便、自動化測量水平較高、測量精度較高的特點，但仍然存在系統比較復雜、現場埋設較困難，造價較高，以及基準點(不動點)的選取較為困難等缺點。如何改進和提高目前軟基沉降測量的準確性和精度，研制出新型沉降儀，并在工程中合理、方便地進行應用，是軟基沉降監測的重要內容，也是建設管理中亟需解決的問題。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種埋入式光纖路基沉降觀測裝置及觀測方法，可以精確地量測路基的沉降變形，以此來指導施工和后期維護。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種埋入式光纖路基沉降觀測裝置，包括第一至第二光纖光柵壓力感測裝置、第一至第二光纖光柵溫度感測裝置、電纜、光纖光柵解調儀、終端接收設備、尼龍導管、pe保護管以及一端帶有管帽的pvc管；所述第一光纖光柵溫度感測裝置固定在第一光纖光柵壓力感測裝置旁，第二光纖光柵溫度感測裝置固定在第二光纖光柵壓力感測裝置旁；第一光纖光柵壓力感測裝置的一端通過電纜與光纖光柵解調儀輸入端連接，另一端通過尼龍導管與pvc管另一端連接，第一光纖光柵溫度感測裝置通過電纜與光纖光柵解調儀輸入端連接；第二光纖光柵壓力感測裝置的一端通過電纜與光纖光柵解調儀輸入端連接，另一端通過尼龍導管與pvc管另一端連接，第二光纖光柵溫度感測裝置通過電纜與光纖光柵解調儀輸入端連接；光纖光柵解調儀輸出端與終端接收設備連接；所述電纜和尼龍導管的外側面包裹有pe保護管。

作為本發明裝置的一種優選方案，所述第一至第二光纖光柵壓力感測裝置均包括金屬圓筒套、聚氨酯變形彈性體、光纖bragg光柵、通氣孔、進水接口、測量腔以及水室；聚氨酯變形彈性體固化于金屬圓筒套內，從與光纖光柵溫度感測裝置連接的電纜中伸出光纖，光纖bragg光柵刻蝕于光纖頭部，光纖bragg光柵置于金屬圓筒套軸線上，并準直地固化于聚氨酯變形彈性體中，測量腔和水室均位于金屬圓筒套內，且測量腔一端與聚氨酯變形彈性體相通，另一端與水室相通，水室通過進水接口與尼龍導管連接，且在水室頂部開有通氣孔穿過金屬圓筒套。

作為本發明裝置的一種優選方案，所述第一至第二光纖光柵溫度感測裝置均包括金屬圓筒套、聚氨酯變形彈性體、光纖bragg光柵以及測量腔；聚氨酯變形彈性體固化于金屬圓筒套內，從與光纖光柵溫度感測裝置連接的電纜中伸出光纖，光纖bragg光柵刻蝕于光纖頭部，光纖bragg光柵置于金屬圓筒套軸線上，并準直地固化于聚氨酯變形彈性體中，測量腔位于金屬圓筒套內，且與聚氨酯變形彈性體相通。

一種基于如上所述埋入式光纖路基沉降觀測裝置的觀測方法，包括如下步驟：

步驟1，將第一光纖光柵壓力感測裝置和第一光纖光柵溫度感測裝置放置在一個圓柱形護筒內，并蓋上鋼板，將圓柱形護筒和鋼板埋設于施工區待測點；

步驟2，將一端帶有管帽的pvc管、第二光纖光柵溫度感測裝置、第二光纖光柵壓力感測裝置、光纖光柵解調儀、終端接收設備均置于非施工區，保持pvc管始終為豎直狀態，第二光纖光柵壓力感測裝置和第二光纖光柵溫度感測裝置放置在一混凝土墩臺內；

步驟3，打開pvc管的管帽，向pvc管和尼龍導管中注入無氣水，排出尼龍導管內的空氣，當第一和第二光纖光柵壓力感測裝置上的通氣孔均有無氣水流出時，封閉兩個通氣孔并密封圓柱形護筒，當pvc管內的無氣水到達管頂時，停止注水，并用管帽密封pvc管；

步驟4，打開光纖光柵解調儀和終端接收設備，讀取第一和第二光纖光柵壓力感測裝置、第一和第二光纖光柵溫度感測裝置的初始讀數，分別記為δλb1(p+t)施工區、δλb1(p+t)非施工區、δλb1(t)施工區、δλb1(t)非施工區，觀測此時混凝土墩臺的沉降量，記為s非施工區1；

步驟5，根據工程要求的觀測周期，讀取第一和第二光纖光柵壓力感測裝置、第一和第二光纖光柵溫度感測裝置的讀數，分別記為δλbi(p+t)施工區、δλbi(t)施工區、δλbi(p+t)非施工區、δλbi(t)非施工區，并觀測混凝土墩臺的沉降量，記為s非施工區i；

步驟6，根據步驟4和步驟5的讀數，計算路基總的沉降量。

作為本發明方法的一種優選方案，所述總的沉降量計算公式為：

δλbi施工區＝δλbi(p+t)施工區-δλbi(t)施工區

δλbi非施工區＝δλbi(p+t)非施工區-δλbi(t)非施工區

式中，i＝1,2,…,n，n為總的觀測次數；k施工區為第一光纖光柵壓力感測裝置系數；k非施工區為第二光纖光柵壓力感測裝置系數；δλbi(p+t)施工區和δλbi(t)施工區分別為第i次觀測時第一光纖光柵壓力感測裝置和第一光纖光柵溫度感測裝置的讀數；δλbi(p+t)非施工區和δλbi(t)非施工區分別為第i次觀測時第二光纖光柵壓力感測裝置和第二光纖光柵溫度感測裝置的讀數；s非施工區i為第i次觀測時混凝土墩臺的沉降量。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

1、本發明裝置采用了光纖作為壓力量測元件，相比傳統的電磁類傳感器，具有傳感機制簡單、精度高、線性度好、抗干擾能力強的顯著優點。

2、本發明應用光纖光柵溫度感測裝置消除了溫度對光纖光柵壓力感測裝置中的變形材料的影響，從而提高了裝置的精度。

3、本發明是一種將路基中沉降轉換為路基內和堤外觀測處壓力感測裝置中液位差的沉降觀測方法，相對于傳統沉降板觀測方法而言，本發明裝置在非施工區進行觀測讀數，不會影響施工，也不易被施工破壞。

4、相較于傳統沉降板觀測需要分節接高標桿和多次轉點測量，工作量較大且易受場地限制；本發明裝置中采用的測量儀器操作簡單方便，易于掌握，大大提高了測量效率。

5、本發明在光纖光柵壓力感測裝置的水室壁側上開了通氣孔，用于排除內部氣泡，當氣泡排出后，使用螺絲擰緊通氣孔。這種做法，使得裝置氣密性大為提升，測量結果更為準確。

6、本發明在尼龍導管外層采用了pe保護管，pe是聚乙烯塑料，由該材質制作的材料具有韌性好、強度高、耐高溫、抗腐蝕、無毒、耐磨等特點，從而大大提高了裝置的耐久性。

7、傳統沉降板在路堤填筑結束后易被覆蓋，無法繼續用于工后沉降的測量。若采用在路面布設沉降釘進行觀測，測量不便且測量人員的安全易受過往車輛的威脅。而本發明埋入式光纖沉降觀測裝置因布設于路堤土體內部，不易被破壞，可以繼續用于運營期的工后沉降監測，安全有效，同時減少了后期沉降監測費用，社會效益和經濟效益良好。

附圖說明

圖1是本發明埋入式光纖路基沉降觀測裝置的整體架構圖。

圖2是光纖光柵壓力感測裝置部分的放大圖。

圖3是光纖光柵溫度感測裝置部分的放大圖。

圖4是光纖光柵解調儀部分的放大圖。

圖5是pvc管部分的放大圖。

圖6是光纖光柵壓力感測裝置的內部結構示意圖。

圖7是光纖光柵溫度感測裝置的內部結構示意圖。

圖8是埋入式光纖沉降觀測裝置監測路基沉降示意圖。

圖9是施工區、非施工區壓力感測裝置所在處的放大圖。

其中，1-光纖光柵壓力感測裝置，2-光纖光柵溫度感測裝置，3-電纜，4-光纖光柵解調儀，5-終端接收設備，6-尼龍導管，7-pe保護管，8-pvc管，9-管帽，10-無氣水，11-圓柱形護筒、12-方形鋼板、13-原地基、14-砂墊層、15-新鋪土層、16-堤外觀測處、17-光纖、18-金屬圓筒套、19-聚氨酯變形彈性體、20-bragg光柵、21-通氣孔、22-進水接口、23-測量腔、24-水室、25-混凝土墩臺。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，埋入式光纖路基沉降觀測裝置包括光纖光柵壓力感測裝置1、光纖光柵溫度感測裝置2、光纖光柵解調儀4、終端接收設備5、pvc(聚氯乙烯)管8、尼龍導管6、pe保護管7。

其中，光纖光柵壓力感測裝置1的基本原理為：敏感元件光纖17bragg光柵20埋入在聚氨酯變形彈性體19中，水室24中的無氣水10進入測量腔23腔體中并作用在聚氨酯變形彈性體19上，聚氨酯變形彈性體19受壓引起光纖光柵周期λ改變，這樣會使通過光纖光柵的反射光波長發生改變，經過光纖光柵解調儀4解調可測出測點處的壓力值。

光纖光柵壓力感測裝置組裝如圖6所示：將聚氨酯變形彈性體19固化于厚壁金屬圓筒套18中，光纖光柵置于圓筒軸線上，并準直地固化于聚氨酯變形彈性體19中，金屬圓筒套18套筒內預留測量腔23和水室24，測量腔23與聚氨酯變形彈性體19相通，水室24通過在壁底和壁頂各預留一進水接口22，用來連通測量腔23和外界尼龍導管6，水室壁側開一通氣孔21，用來排出多余空氣。

其中，光纖光柵溫度感測裝置2的基本原理為：敏感元件光纖17bragg光柵20埋入在聚氨酯變形彈性體19中，外界溫度變化，聚氨酯變形彈性體19變形引起光纖光柵周期λ改變，這樣會使通過光纖光柵的反射光波長發生改變，經過光纖光柵解調儀4解調可測出測點處的壓力值。

光纖光柵溫度感測裝置的組裝如圖7所示：將聚氨酯變形彈性體19固化于厚壁金屬圓筒套18中，光纖bragg光柵20置于圓筒軸線上，并準直地固化于聚氨酯變形彈性體19中，金屬圓筒套18套筒內預留測量腔23，測量腔23與聚氨酯變形彈性體19相通，用來傳遞外界溫度變化。

本發明光纖沉降觀測裝置的基本原理：以pvc管8中無氣水10為媒介，在pvc管8底部連接兩個光纖光柵壓力感測裝置1，其中一個光纖光柵壓力感測裝置1放置于非施工區，另一個光纖光柵壓力感測裝置1埋設于施工區，施工時，位于施工區測點處的壓力感測裝置1發生沉降，從而引起其內水壓變化，而埋置于壓力感測裝置1中的光纖bragg光柵20可以精確地捕捉到水壓變化和溫度變化，通過在壓力感測裝置1旁埋置溫度感測裝置2可以消除溫度對反射波長的影響，轉化為只由水壓力作用下的反射波長變化，那么經過解調儀4解調便可得出測點處的水壓值，水壓值又可以方便地轉化為水頭高度。實際操作中，通過以非施工區的壓力感測裝置1為參考點就可以計算埋設于測點處的壓力感測裝置1的水頭差值，即為所求相對沉降值。

光纖沉降觀測裝置的組裝：

①檢查儀器：其中包括光纖光柵壓力感測裝置1、光纖光柵溫度感測裝置2和光纖光柵解調儀4的精確性，連接電纜3的防水、絕緣性能，以及pvc管8和尼龍導管6的氣密性。

②分別把每個光纖光柵溫度感測裝置2固定在相應的光纖光柵壓力感測裝置1旁。

③將光纖光柵壓力感測裝置1和光纖光柵溫度感測裝置2一塊放入固定在方形鋼板12的圓柱形護筒11內，壓力感測裝置1一端連接電纜3，一端連接尼龍導管6，溫度感測裝置2一端連接電纜3，將壓力感測裝置1、溫度感測裝置2的電纜3和壓力感測裝置1的尼龍導管6分別從pe保護管7中穿出并預留一段在pe保護管7中，以保護尼龍導管6和電纜3。再將從pe保護管7中穿出的多余部分尼龍導管6截掉，尼龍導管6的另一端連接pvc管8接口，連接接頭處用帶有鋼絲的軟管保護。

④再分別將pvc管8兩側的兩套光纖光柵壓力感測裝置1和光纖光柵溫度感測裝置2的電纜3與光纖光柵解調儀4端口連接好，同時將光纖光柵解調儀4與終端接收設備5連接。

⑤向pvc管8和尼龍導管6內慢慢地注入干凈的無氣水10，同時排出尼龍導管6內的空氣，待兩個光纖光柵壓力感測裝置1上的通氣孔21都有無氣水10流出，一段時間后封閉通氣孔21并密封圓柱形護筒11。當pvc管8內的水位達到管頂，并且保證整個尼龍導管6內無氣泡存在時，停止注水，并用管帽9密封pvc管8。

基于埋入式光纖沉降觀測裝置的觀測方法，如圖8所示：

(1)在施工區和非施工區之間的原地基13上挖設溝渠，并在溝渠上面鋪設砂墊層14，將其中一張方形鋼板12連同其內的壓力感測裝置1埋設到待測點，再新鋪土層15，使得壓力感測裝置1和尼龍導管6在施工期間受到保護，防止受到擠壓破壞。

(2)從施工區引出的電纜3、尼龍導管6和pvc管8均安置在非施工區域的堤外觀測處16，pvc管8底部用砂墊層14保護，周圍固定以使其保持豎直，同時在非施工區空曠處修建一混凝土墩臺25將另一套光纖光柵壓力感測裝置1和溫度感測裝置2放置其中并固定起來。

(3)在安置和檢查好所有儀器后，打開光纖光柵解調儀4和終端接收設備5，開始測量光纖光柵壓力感測裝置1和光纖光柵溫度感測裝置2的初始讀數，分別記為δλb1(p+t)施工區、δλb1(t)施工區、δλb1(p+t)非施工區、δλb1(t)非施工區；此外，基于精度考慮，采用定期水準觀測非施工區處用來保護壓力感測裝置1的混凝土墩臺25沉降量記為s非施工區1；

(4)根據工程要求的觀測周期，每次需要觀測時，分別量測光纖光柵壓力感測裝置1和光纖光柵溫度感測裝置2，記為δλbi(p+t)施工區、δλbi(t)施工區、δλbi(p+t)非施工區、δλbi(t)非施工區，并采用水準測量觀測混凝土墩臺25(即非施工區處壓力感測裝置1)的自身沉降量，記為s非施工區i。

如圖9所示，先設定非施工區光纖光柵壓力感測裝置所在處為基準點，基準點與pvc管液面之間高度為hi，施工區壓力感測裝置與pvc管液面之間高度為hi。通過測量施工區壓力感測裝置處的水壓力，可以計算出hi的值。

δλbi施工區＝δλbi(p+t)施工區-δλbi(t)施工區

式中：k施工區為埋設在施工區的光纖光柵壓力感測裝置系數；δλbi(p+t)施工區為在水壓和溫度作用下的光纖光柵中心反射波長的變化，即第i次埋設在施工區域光纖光柵壓力感測裝置在解調儀上的示數，單位pm；δλbi(t)施工區為在溫度作用下的光纖光柵中心反射波長的變化，即第i次埋設在施工區域光纖光柵溫度感測裝置在解調儀上的示數，單位pm；ρ為無氣水的密度，g為重力加速度。

通過測量非施工區壓力感測裝置處的水壓力，可以計算出hi的值：

δλbi非施工區＝δλbi(p+t)非施工區-δλbi(t)非施工區

式中，k非施工區為埋設在非施工區的光纖光柵壓力感測裝置系數；δλbi(p+t)非施工區為在水壓和溫度作用下的光纖光柵中心反射波長的變化，即第i次埋設在非施工區域光纖光柵壓力感測裝置在解調儀上的示數，單位pm；δλbi(t)非施工區為在溫度作用下的光纖光柵中心反射波長的變化，即第i次埋設在非施工區域光纖光柵溫度感測裝置在解調儀上的示數，單位pm。

δi＝hi-hi的值可看為第i次測量時施工區壓力感測裝置相對于基準點的高度。

隨著沉降的發生，施工區壓力感測裝置隨土體一起沉降，即s。δ的值也會發生相應的變化，假如非施工區壓力感測裝置保持靜止狀態，兩次δ值的差δi+1-δi即為沉降值s；若非施工區壓力感測裝置發生豎向沉降s非施工區，則實際沉降為兩者之和，即s＝δi+1-δi+s非施工區。

出于精度考慮，我們這里假設非施工區壓力感測裝置發生豎向沉降，那么埋入式光纖沉降觀測裝置沉降量s表達式為：

δλbi施工區＝δλbi(p+t)施工區-δλbi(t)施工區

δλbi非施工區＝δλbi(p+t)非施工區-δλbi(t)非施工區

式中，i＝1,2,…,n，n為總的觀測次數；k施工區為埋設在施工區的光纖光柵壓力感測裝置系數；k非施工區為放置在非施工區的光纖光柵壓力感測裝置系數；δλbi(p+t)施工區和δλbi(t)施工區分別為第i次埋設在施工區域光纖光柵壓力感測裝置和光纖光柵溫度感測裝置在解調儀上的示數；δλbi(p+t)非施工區和δλbi(t)非施工區分別為第i次放置在非施工區域光纖光柵壓力感測裝置和光纖光柵溫度感測裝置在解調儀上的示數；s非施工區i為第i次位于非施工區域的混凝土墩臺自身沉降量。δλbi+1施工區、δλbi+1非施工區的計算公式分別同δλbi施工區、δλbi非施工區，將i改為i+1即可。

以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。