分布式光纤传感技术在岩土与地质工程
中的应用研究进展
交通1401 杨星皓35
首先分析了光纤传感技术的特点，介绍了光纤传感技术的市场发展趋势；其次，从岩土与地质工程应用的角度分别阐述了光纤传感技术在光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理４个方面的研究进展，讨论了光纤传感技术在工程应用中存在的关键技术问题；最后，结合研究进展及应用中的关键技术问题，对光纤传感技术的发展进行了展望，指出了仍需研究的相关课题。结果表明：光纤传感技术在岩土与地质工程应用领域具有广阔的前景和技术优势。
近年来，伴随中国经济发展，公路、桥梁、石油、矿山等岩土与地质工程建设迅速。由于岩土与地质工程的设计基准期较长，使用环境比较恶劣，且受到外界环境荷载、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，工程结构将不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，健康问题日益凸显，例如边坡的失稳破坏、混凝土结构开裂变形、地基基础沉降等同时，中国是世界上地质灾害最严重的国家之一，灾害种类多，分布广，危害大，对地质工程造成不同程度的损伤破坏。因此，为了保证工程设施的安全使用，对其进行安全监测并准确评估灾害后的结构健康和剩余寿命显得尤为重要，这已经成为岩土与地质工程发展的迫切要求和当前各国学者研究的热点。
长期的工程研究实践表明，工程力学参数测试和工程监测具有长时效性、环境复杂、监测对象的时空限制、施工环境制约的特点。目前，对工程设施的监测多采用电感式、差动电阻式、振弦式和电阻应变计式等传统监测传感器，受传感器材料、使用方法、信号传输等因素限制，具有易受潮、耐久性差、成活率低、实时及自动化监测程度低等缺点，并且多为点式监测，不能满足复杂工程的智能健康监测的需求。
光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测量信号的传感技术，自２０世纪７０年代诞生以来受到强烈关注光纤传感器最早由美国航空航天局尝试性地埋入复合材料内，首先提出了将光纤传感器引入岩土工程领域用于混凝土结构的健康检测。光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、防水防潮、耐久性长、便于安装、灵敏度高，可实现远距离大范围面式监测及传输信号损耗小等优点，逐渐成为一种新的岩土与地质工程健康与安全监测方法。
虽然光纤传感技术有传统传感器不可替代的优点，且在岩土与地质工程中应用范围逐渐扩大，但应用时间较短，未普及，许多关键技术尚未解决。在光纤传感器工程应用过程中，主要经历了光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理等。
复杂岩土与地质工程中同时存在应力场、温度场、渗流场等多场耦合，且工程结构复杂，需要研制新型光纤传感器和设计优化光纤传感系统，使之适用于工程应用环境。随着信息化逐渐成熟，监测技术
由传统的人工手动监测向实时无线自动化监测转变，促进了监测技术自动化、实时化，提高了监测数据类型复杂化、海量化。光纤传感监测数据处理主要有３个方面：①异常监测数据处理，包括数据失真、数据缺失等；②大数据量处理，特别是随着分布式光纤传感技术的推广，监测长度可达８０ｋｍ，且单次监测周期合材料，其目的都是使其与原位材料特性尽可能相近，提高应变传递率。
孙义杰等沿三峡马家沟坡体纵向在不同高程设置光纤综合监测孔，将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内，采用原位土体回填进行封孔，应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置。Ｈａｂｅｌ等采用自制的水泥浆对钻孔植入边坡的光纤进行封孔，增加了光纤和边坡的耦合。张丁丁等给出了钻孔植入光纤光栅传感器的松散层应变传递计算模型，为钻孔植入式光纤光栅监测技术工程应用提供理论依据。光纤光栅进行应变测试时，除了胶结层、封装层形成的传感器要吸收一部分能量外，还经历了光纤光栅传感器—钻孔封孔材料—松散地层的应变传递过程，推导得出平均应变传递率的表达式，另外，Ｉｔｅｎ等研究了光纤传感器剪切位移的定量化描述范围，给出了光纤传感器沿水平方向移动的位移方向角在８５°和９５°之间才可定量化探测问题区域，并研究了其对结构的影响。受安装工艺、光纤抗弯特性及传感器制造水平的制约，光纤传感器的二维监测仍很难实现。
针对传统感测技术的不足, 本文开展了滑坡分布式光纤感测技术(DFOS)研究。对当前主要的几种DFOS 技术及其相关原理做了简单的
介绍, 重点阐述了分布式传感光纤在三峡马家沟滑坡的布设方式。根据马家沟滑坡的工程地质环境特点, 在抗滑桩内布设应变和温度感测光纤; 沿坡体走向, 采用直埋和定点相结合的方式开槽植入感测光纤; 沿坡体纵向, 在不同高程设置光纤综合监测孔, 将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内, 同时在孔内布设FBG 准分布传感器。监测结果表明:各类应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置, 证明了DFOS 技术应用于滑坡监测的优越性。
分布式光纤传感技术在岩土与地质工程
中的应用研究进展
交通1401 杨星皓35
首先分析了光纤传感技术的特点，介绍了光纤传感技术的市场发展趋势；其次，从岩土与地质工程应用的角度分别阐述了光纤传感技术在光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理４个方面的研究进展，讨论了光纤传感技术在工程应用中存在的关键技术问题；最后，结合研究进展及应用中的关键技术问题，对光纤传感技术的发展进行了展望，指出了仍需研究的相关课题。结果表明：光纤传感技术在岩土与地质工程应用领域具有广阔的前景和技术优势。
近年来，伴随中国经济发展，公路、桥梁、石油、矿山等岩土与地质工程建设迅速。由于岩土与地质工程的设计基准期较长，使用环境比较恶劣，且受到外界环境荷载、疲劳效应以及腐蚀和材料老化等不利因素的影响，工程结构将不可避免地产生损伤累积和抗力衰减，健康问题日益凸显，例如边坡的失稳破坏、混凝土结构开裂变形、地基基础沉降等同时，中国是世界上地质灾害最严重的国家之一，灾害种类多，分布广，危害大，对地质工程造成不同程度的损伤破坏。因此，为了保证工程设施的安全使用，对其进行安全监测并准确评估灾害后的结构健康和剩余寿命显得尤为重要，这已经成为岩土与地质工程发展的迫切要求和当前各国学者研究的热点。
长期的工程研究实践表明，工程力学参数测试和工程监测具有长时效性、环境复杂、监测对象的时空限制、施工环境制约的特点。目前，对工程设施的监测多采用电感式、差动电阻式、振弦式和电阻应变计式等传统监测传感器，受传感器材料、使用方法、信号传输等因素限制，具有易受潮、耐久性差、成活率低、实时及自动化监测程度低等缺点，并且多为点式监测，不能满足复杂工程的智能健康监测的需求。
光纤传感技术是以光波为载体、光纤为媒质、感知和传输外部测量信号的传感技术，自２０世纪７０年代诞生以来受到强烈关注光纤传感器最早由美国航空航天局尝试性地埋入复合材料内，首先提出了将光纤传感器引入岩土工程领域用于混凝土结构的健康检测。光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、防水防潮、耐久性长、便于安装、灵敏度高，可实现远距离大范围面式监测及传输信号损耗小等优点，逐渐成为一种新的岩土与地质工程健康与安全监测方法。
虽然光纤传感技术有传统传感器不可替代的优点，且在岩土与地质工程中应用范围逐渐扩大，但应用时间较短，未普及，许多关键技术尚未解决。在光纤传感器工程应用过程中，主要经历了光纤传感系统的优化及光纤传感器的研制、光纤传感器标定、光纤传感器安装工艺、监测数据处理等。
复杂岩土与地质工程中同时存在应力场、温度场、渗流场等多场耦合，且工程结构复杂，需要研制新型光纤传感器和设计优化光纤传感系统，使之适用于工程应用环境。随着信息化逐渐成熟，监测技术
由传统的人工手动监测向实时无线自动化监测转变，促进了监测技术自动化、实时化，提高了监测数据类型复杂化、海量化。光纤传感监测数据处理主要有３个方面：①异常监测数据处理，包括数据失真、数据缺失等；②大数据量处理，特别是随着分布式光纤传感技术的推广，监测长度可达８０ｋｍ，且单次监测周期合材料，其目的都是使其与原位材料特性尽可能相近，提高应变传递率。
孙义杰等沿三峡马家沟坡体纵向在不同高程设置光纤综合监测孔，将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内，采用原位土体回填进行封孔，应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置。Ｈａｂｅｌ等采用自制的水泥浆对钻孔植入边坡的光纤进行封孔，增加了光纤和边坡的耦合。张丁丁等给出了钻孔植入光纤光栅传感器的松散层应变传递计算模型，为钻孔植入式光纤光栅监测技术工程应用提供理论依据。光纤光栅进行应变测试时，除了胶结层、封装层形成的传感器要吸收一部分能量外，还经历了光纤光栅传感器—钻孔封孔材料—松散地层的应变传递过程，推导得出平均应变传递率的表达式，另外，Ｉｔｅｎ等研究了光纤传感器剪切位移的定量化描述范围，给出了光纤传感器沿水平方向移动的位移方向角在８５°和９５°之间才可定量化探测问题区域，并研究了其对结构的影响。受安装工艺、光纤抗弯特性及传感器制造水平的制约，光纤传感器的二维监测仍很难实现。
针对传统感测技术的不足, 本文开展了滑坡分布式光纤感测技术(DFOS)研究。对当前主要的几种DFOS 技术及其相关原理做了简单的
介绍, 重点阐述了分布式传感光纤在三峡马家沟滑坡的布设方式。根据马家沟滑坡的工程地质环境特点, 在抗滑桩内布设应变和温度感测光纤; 沿坡体走向, 采用直埋和定点相结合的方式开槽植入感测光纤; 沿坡体纵向, 在不同高程设置光纤综合监测孔, 将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内, 同时在孔内布设FBG 准分布传感器。监测结果表明:各类应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置, 证明了DFOS 技术应用于滑坡监测的优越性。