定位和測量土木工程工作中的變形的方法
2023-07-07 23:39:31 1
專利名稱：定位和測量土木工程工作中的變形的方法
技術領域：
本發明涉及用於定位和測量土木工程結構中的變形的方法。
背景技術：
在建造高速公路或鐵路路線的過程中，要進行大量的土木工程工作來支持公路或鐵路的基礎設施。但某些地帶有未經確認的天然或人工洞穴。在此情況下，建造新公路或軌道時可能會出現意想不到的下陷，或者在其後的運作中，會因這類薄弱區域的超載、水的滲透、乾旱和振動而引發嚴重事故。
為了避免這類事故，在進行土木工程工作之前必須先對地帶進行系統探測。事實上，要對通常容易下陷的土地進行這類探測。
然而，有些本不易發生自然坍坡(巖崩)的地帶以前曾被不為人所知的地下軍事設施佔用。
系統探測非常昂貴，此外，必須在指定的公路或軌道下面以及附近、彼此非常嚴密地進行系統探測，這樣才能保證絕對的安全。
另外，即使某地段並不存在洞穴，在連續的潮溼期和乾旱之后土壤仍可能在公路或鐵軌的某些路段下會有不均勻的下沉，這種下沉可能導致地面下陷，下陷的幅度固然有限，但在用於高速列車的軌道的情況下尤其會對安全造成影響。
為了降低填實(路基)下陷的危險，人們通常會在土壤上和填實中鋪設機織或非機織土工合成織物薄層(蓋板)或帶，以在土壤下陷的情況下加固填實。在此情況下，土工合成織物的線(紗線)承受著相當大的力，這會導致線伸長變形並導致線斷裂，從而使填實發生坍塌。
為了檢測預定義臨界值下土木工程結構中的變形，FR 2 72 78 677提議在土工合成織物中併入平行線，所述平行線能夠傳輸信號，並且被校準成在斷裂值下預定義的伸長率。通過在線上發送信號並檢測對所述信號是否存在響應，來測量所得到的變形臨界值。
所述線可以是電線，也可以是光纖。可都通過線或不通過線來進行所述測量，並且只有將兩組平行線彼此垂直放置才能對預定義臨界值下的變形進行定位。
發明內容
本發明的目的是提供一種方法，其使用一種帶有單組線(優選鋪設成與結構的長度平行)的土工合成織物，一方面能夠對變形進行定位，另一方面能夠在線斷裂之前測量發生變形的線的伸長率。
本發明通過以下事實來實現其目的將至少一個裝備有複數個能夠傳輸信號的平行光纖的土工合成織物應用在結構中或結構下，其中所述光纖包括布拉格光柵(Bragggrating)，其均勻相隔並且分布在波長相同的一系列N1個連續光柵中，所述系列鋪設在相同組中，每組具有波長不同的N2個連續系列；以及在至少兩個光纖中，以使得傳輸到每個所述光纖的入射光的波長與布拉格光柵所反射的光的波長之間的差值測量一方面能夠定位結構的變形，另一方面能夠測量發生變形的所述光纖的伸長率的方式來確定一系列中的光柵數目N1與一組中的系列數目N2。
因此，本發明利用應變計中所用的、特別是WO 86/01303中所說明的布拉格光柵的已知特性。
在所有光纖中將布拉格光柵彼此成相等距離放置，但在至少一對光纖中系列或組的長度不同，從而允許通過確定相對於入射光的相應波長已發生扭曲的反射光的波長來對結構性變形進行簡單的定位，其中所述變形的幅度表示相關位置中光纖的伸長幅度。
有利的是，在至少兩個光纖中，一系列的光柵數目N1相等，且一組中的系列數目N2互為質數。
因此，舉例而言，假設兩個布拉格光柵之間的距離為1米，數目N1為10，則光柵系列延伸10米以上。再假設第一光纖中每組含有七個系列，並因此處理七個不同頻率，而第二光纖中每組含有十個系列，數字10與7互為質數。因此，第一光纖組延伸70米，而第二光纖組延伸100米長。這兩個光纖使我們能夠精確地定位一總長度為700米的結構。如果土工合成織物進而含有第三光纖，其中布拉格光柵相隔1米且10個連續布拉格光柵成一系列，並且每組含有三個系列，數字3與7和10互成質數，則這三個光纖使我們能夠精確地定位長度為2100米的結構中的變形。所述變形最近定位到10米，這對應於10個布拉格光柵為一系列的長度。這一精確程度完全適合於監視土木工程結構。
顯然，兩個光纖上的布拉格光柵的分布原則可以與以上所舉的例子不同。
因此，舉例而言，根據另一分布原則，在至少一個光纖中，一系列中的光柵數目N1與另一光纖中的一組的光柵數目相等。
舉例而言，第一光纖含有由10個系列構成的一組，且每一系列含有100個相同的相隔1米的布拉格光柵。第二光纖含有若干個由10個系列構成的組，且每一系列含有10個相隔1米的布拉格光柵。這兩個光纖能提供對1千米長的結構中的變形的準確定位。
本發明還涉及一種用於應用所述方法的土工合成織物。
根據本發明，這一土工合成織物的特徵在於，其含有複數個平行光纖，所述光纖含有以若干個由對應於相同波長的N1個連續光柵構成的系列均勻間隔的布拉格光柵，所述各系列本身分布在由對應於不同波長的N2個連續系列構成的相同組中。
有利的是，在生產土工合成織物期間插入所述光纖。其應當優選地鋪設在薄層或蓋板的主要方向上，但必要時也可交叉鋪設。
有利的是，所述光纖包含一個護套，用於保護其免受由於土壤中的侵害性媒介而引起的剪切破壞，並且保護其免受PH值較高的水(接觸混凝土)及其他腐蝕性媒介的影響。
有利的是，將光纖鋪設在所述土工合成織物的長度方向上。
通過閱讀以下以實例方式且參照附圖進行的說明，將明了本發明的其他優點和特徵，其中圖1是具有含布拉格光柵的光纖的土工合成織物的透視圖；圖2顯示兩個光纖中由不同系列構成的相同組中的布拉格光柵的第一分布形式；及圖3顯示兩個光纖中不同組的相同組中的布拉格光柵的第二分布形式。
具體實施例方式
圖1是土工合成織物1的透視圖，其中土工合成織物1具有含低反射率布拉格光柵3的光纖2a至2e並且經設計用以加固土木工程結構(例如高速公路或鐵路線的填實)。
布拉格光柵3(例如)以1m的距離沿光纖2a至2b均勻相隔，並且分布在包含數目為N1個相同光柵3的系列4中；換句話說，能夠反射在缺乏應力的情況下具有明確確定的波長、並具有根據縱向施加在相應光纖上的應力而改變值的反射光的波長的那部分入射光。在圖1所示的實例中，五個光纖2a至2b的系列4包含相同數目的N1個光柵3，並因此延伸相同長度。
對應於不同波長的若干連續的系列4構成光柵組5，並且沿光纖的整個長度重複。
土工合成織物1中至少有兩個光纖包含具有數目為N2的不同組的組5，且我們甚至可以生產出一種土工合成織物1，其中所有光纖2a至2e均包含具有數目為N2的不同組的布拉格光柵組5。
數目N2優選互為質數，以提供對土工合成織物1的可能變形進行精確定位。
光纖2a及2b應當優選鋪設在卷繞於卷盤上以供運輸的土工合成織物1的長度方向上。
舉例而言，使光纖2a至2e彼此成1米距離進行鋪設。一旦土工合成織物1在土壤上鋪平，光柵3便形成正方形網格。但在不超出本發明的範疇的情況下，所述網格不一定是正方形。但是，所述網格不應過寬，以允許在水平面中橫截面較小的下層洞穴頂的偶然下陷上方檢測到變形。
土工合成織物1通常約5.5米寬，如果要加固的土木工程結構的寬度大於土工合成織物1的寬度，那麼要並排鋪設若干土工合成織物帶。這些帶也可添加到要加固的結構中。
為了避免光纖2a至2b出現剪切破壞(例如土壤中的侵蝕劑所導致的破壞)，並且保護其免受水、高PH值和其他腐蝕劑的影響，將光纖2a至2e放置在適當的保護護套中。
光纖2a至2b在土工合成織物的一端連接到控制系統10，所述控制系統10包含用以在光纖2a至2e的核心中傳輸光的構件，用以測量由布拉格光柵3反射的光的頻率的構件，用以測量在運作期間所反射的光的波長與在不存在應力時(即建造所述結構期間)所反射的光的波長的差值的構件，用以指示可能變形的位置與由於結構性變形而引起的光纖伸長率的計算構件，用以存儲數據的構件，用以顯示結果的構件，以及(必要時)用以發出報警的報警構件。
在圖2及3中，用參考標記B、V、R、J和M來表示對應於預定的不同波長的光柵系列4。
在圖2中，光纖2a含有若干個組5，其中組5含有參考標記為B、V、R、J和M的五個系列，且光纖2b含有若干個組5，其中組5含有參考標記為B、V、R、J的四個系列。
應注意，在對應於光柵3的二十個系列4的土工合成織物長度上，控制系統10應通過以下事實來識別出一個系列(例如左起第14個系列)中的變形光纖2a上標記為J的波長已發生偏移，且光纖2b上標記為V的波長已發生偏移，且兩個波長的每個組合對應於一精確的系列位置。
在圖3中，光纖2b中每組含有參考標記為B、V、R、J和M的五個系列，且光纖2a含有(例如)參考標記為B、V、R、J和M的五個系列，但光纖2a的每個系列的長度均等於光纖2b的一組的長度。
同樣，在對應於光纖2b的二十五個系列和光纖2a的一組的土工合成織物長度上，通過對應於光纖2b上的每一系列的波長以及光纖2a上的相鄰系列的波長，來精確地識別光纖2b的這一系列的每個位置(從圖3中左起)。
控制系統10通過直接讀取0與3％或4％之間的變形範圍中由布拉格光柵3反射的光的波長，來定位和測量結構運作期間其中的任何變形所帶來的光纖2a至2c經受的局部應力，並用來定位3％或4％與光纖斷裂(根據所使用的光纖，其在約8％或更高的變形水平下斷裂)之間的範圍中的變形水平。
在鋪設土工合成織物1並建造了結構或底層結構之後，進行初始測量來界定系統的基準狀態。通過識別在土工合成織物1寬度方向上對準的所有光纖2a和2b的光柵3的波長，來找出光纖的每個光柵的位置。
在建造之後發生變形的情況下，在發生變形處布修改拉格光柵3所反射的光的波長，而其他布拉格光柵的波長保持不變。因此，我們可獲得變形的位置和測量。
權利要求
1.一種用於定位和測量一土木工程結構中的變形的方法，其特徵在於將含有複數個平行且能夠傳輸信號的光纖(2a至2e)的至少一個土工合成織物(1)應用在所述結構中或所述結構下，所述光纖含有以若干個由對應於相同波長的N1個連續光柵構成的系列(4)均勻相隔的布拉格光柵(3)，所述系列本身分布在相同組中，每組含有對應於不同波長的N2個連續系列，且在至少兩個光纖中，以使得在所述光纖的每一者中傳輸的入射光的波長與所述布拉格光柵所反射的光的波長之間的差值測量一方面能夠定位所述結構所經受的變形，另一方面能夠測量發生變形處的所述光纖的伸長率的方式，來確定一系列中的光柵的數目N1與一組(5)中的系列(4)的數目N2。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在至少兩個光纖中，一個系列(4)中的光柵的數目N1相等，且一組(5)中的系列(4)的數目N2互為質數。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在至少一個光纖中，一個系列中的光柵的數目N1等於另一光纖中的一組中的光柵的數目。
4.一種應用根據權利要求1至3中任一權利要求所述的方法的土工合成織物，其特徵在於其含有複數個平行光纖(2a至2e)，所述光纖含有以若干個由對應於相同波長的N1個連續光柵構成的系列(4)均勻相隔的布拉格光柵(3)，所述各系列(4)本身分布在由對應於不同波長的N2個連續系列構成的相同組(5)中。
5.根據權利要求4所述的土工合成織物，其特徵在於所述光纖(2a至2e)包含一護套，用以保護其免受由於土壤中的侵害性媒介而引起的剪切破壞並免受腐蝕。
6.根據權利要求4或5中任一權利要求所述的土工合成織物，其特徵在於所述光纖(2a至2e)鋪設在所述土工合成織物的長度方向上。
7.根據權利要求4至6中任一權利要求所述的土工合成織物，其特徵在於所述光纖是在所述土工合成織物的製造期間插入所述土工合成織物中的。
全文摘要
本發明涉及一種用於定位和測量土木工程結構中的變形的方法，所述方法的特徵在於將含有複數個平行且能夠傳輸信號的光纖(2a至2e)的至少一個土工合成織物(1)應用在所述結構中或所述結構下；所述光纖含有以若干個由對應於相同波長的N1個連續光柵構成的系列(4)均勻相隔的布拉格光柵(3)，所述各系列本身分布在相同組中，每組含有對應於不同波長的N2個連續系列；且特徵在於在至少兩個光纖中，以使得在所述光纖中的每一者中傳輸的入射光的波長與所述布拉格光柵所反射的光的波長之間的差值測量一方面能夠定位所述結構所經受的變形，另一方面能夠測量發生變形處的所述光纖的伸長率的方式，來確定一系列中的光柵的數目N1與一組(5)中的系列(4)的數目N2。
文檔編號E02D33/00GK1938559SQ200480042528
公開日2007年3月28日 申請日期2004年3月24日 優先權日2004年3月24日
發明者菲利普·戴爾馬, 阿蘭·南希, 馬克·富特, 約翰·弗萊肯, 埃爾斯·斯庫布斯 申請人:法國曇卡土合成材料公司, 纖維光學感應器及感應系統公司