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原文传递基于光纤光栅的高陡边坡及危岩落石监测技术与应用研究

论文题名：	基于光纤光栅的高陡边坡及危岩落石监测技术与应用研究
关键词：	铁路工程;高陡边坡;危岩落石;安全监测;光纤光栅传感技术;有限元分析
摘要：	边坡工程是交通设施建设中常见的土木工程形式，高陡边坡的失稳和崩塌落石等地质灾害严重威胁着交通运输安全。随着我国高速公路、高速铁路的快速发展，高陡边坡的安全问题越来越突出，开展高陡边坡的在线安全监测与预警迫在眉睫。目前边坡安全监测大都采用传统的电磁类传感和仪器，这类设备不具备在线监测以及抗自然界电磁干扰等能力。而基于光纤光栅技术的传感器具备电磁类传感无法比拟的技术优势：其光信号可远距离传输、具有抗雷击等电磁袭扰、可串接复用等，这些优势特别适用于野外恶劣环境下的工程健康监测。　　本文在中国铁路总公司（原国家铁道部）和中铁二院工程集团、国家自然科学基金委等重大基金的支持下，以高陡边坡和危岩落石为研究对象，重点研究其安全运营中重要、关键物理量的光纤光栅传感安全监测新原理、新方法和新技术，注重理论设计与工程实际应用紧密结合，将提出的监测新原理和方法以及研制的光纤光栅传感器应用于实际边坡工程现场和落石冲击试验现场。　　在边坡安全监测方面，通过建立边坡模型并开展离心加速变形试验，研究了边坡的变形失稳特征和机理，在此理论研究基础上，针对边坡内部变形的特殊需求，提出了一种通过监测埋入到坡体内部的柔性杆的变形反演出边坡内部变形特征的测量方法，对该方法进行了传感器模型的试验验证。针对传统的光纤光栅锚杆测力方法存在的操作不便且无法标定等缺陷，研制了一种新型光纤光栅锚杆测力计；根据边坡表面位移监测要求，研制并开发出一种斜面结构的光纤光栅位移传感器，并通过工程实际验证了这些传感器及仪表的有效性。　　采用ANSYS显式动力学分析了防护网受落石冲击过程，研究了危岩落石防护网的受力变形特征和光纤光栅传感测量方法与实施技术。根据数值分析结果，提出了一种温度自补偿的拉力传感转换弹性结构体。在理论分析的基础上，基于该弹性体制造了两种量程的光纤光栅拉力传感器。此外，根据防护网振动冲击监测要求，研制了一种增敏结构的光纤光栅振动传感器，以及一种全金属封装的光纤光栅振动传感器，并在工程现场应用。　　研究过程中，将理论设计与工程实际应用紧密结合，对吊水岩边坡的内部变形长期在线监测进行了研究，引入了一种变形数据处理与分析方法。通过对吊水岩边坡两个光纤光栅变形监测点几个月的数据利用该方法处理，得出该吊水沿边坡处于非稳定的加速变形状态。将光纤光栅位移传感器应用于吊水岩大桥的伸缩缝位移监测，传感器长期工作性能稳定，监测结果与实际情况一致。同时，开展了贵广铁路某边坡的锚杆应力长期监测，获得了锚杆不同长度处的应力变化情况。同时验证了研究工作的可靠和有效性。　　将光纤光栅拉力传感器、振动传感器以及应变光栅应用于落石冲击试验中，有效的获得了整个试验过程中钢丝绳拉力和钢柱应变的动态响应过程监测数据，监测结果与防护网的动力学有限元分析结果吻合。此外，根据防护网的冲击数值模拟和两次现场试验结果，提出了五种落石冲击判别响应模式，对落石冲击判别监测具有重要的实际意义。
作者：	郭永兴
专业：	机械电子工程
导师：	周祖德;张东生
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文