路基分层沉降监测系统及其监测方法

本发明涉及交通工程基础设施安全监测，具体涉及一种路基分层沉降监测系统及其监测方法。

背景技术：

1、路基是铁路与公路线路工程的重要组成部分，路基的沉降变形直接影响车辆运营的安全性与舒适性，在路基的长期服役过程中，由列车、汽车等交通工具反复通过所产生的循环动载作用，会导致路基各结构层产生不同程度的累积塑性变形，由于路基是由垫层、底基层、基层等多个层级构成的层状体系，各层材料的刚度、厚度及压实度存在差异，在循环动载作用下各层的变形响应不一致，极易产生分层沉降（即层间不均匀沉降），进而引发层间脱空、反射裂缝、唧泥等工程病害，严重影响路基的长期服役性能。

2、目前，针对路基沉降的监测主要采用以下几种技术手段。

3、对于人工观测沉降板与多点位移计的方法，主要采用沉降板、多点位移计等点式传感器，通过在路基中钻孔并将传感器埋设于不同深度，实现分层沉降的测量，该方法需要在每一监测断面钻探至基岩或不动层以埋设基准锚头，施工工序复杂、对路基完整性破坏大，且基准锚头在长期服役过程中易发生松动或失效，导致测量精度下降，此外，该方法依赖人工定期测量，数据采集效率低、实时性差，难以捕捉路基沉降的连续演化过程。

4、对于基于电磁感应原理的沉降仪方法，中国专利cn101476337b公开了一种路基分层垂直沉降与横向位移自动监测装置，采用激光测量技术集成激光位移传感单元、激光角度传感单元、测量信号控制单元和数据传送单元，实现垂直沉降与横向位移的同时自动监测；

5、中国专利cn209114288u公开了一种路基内部分层变形实时监测系统，由沉降帽、沉降板、碳纤维杆、位移传感器等组成，碳纤维杆并排设置且长度依次增加，最长杆底端锚固在钻孔内。然而，上述装置仍需要在路基中钻孔埋设测杆或沉降管，磁环簧片爪锚固力较弱，难以紧密抓牢钻孔壁，且沉降管与磁环间隙易被土体填充产生阻力，导致测量误差，同时，这类装置仍属于离散点式监测，测点数量有限，难以获得路基全断面的连续沉降场分布。

6、对于基于分布式光纤传感技术的监测方法，近年来分布式光纤传感技术因其大范围、长距离、抗电磁干扰等优势，被逐步引入路基沉降监测领域；中国专利cn206818159u公开了一种适用于高铁路基变形监测与控制的智能土工布，在高强土工布编织成型过程中，将分布式光纤应变传感器和分布式光纤温度传感器作为额外的土工纤维沿土工布的经向植入到土工布中，通过植入的分布式光纤传感器定位路基变形位置并确定变形量；

7、中国发明专利申请cn117822389a提供了一种基于分布式光纤三层埋设的路基路面监测方法及系统，将封装好的分布式光纤在道路结构中进行埋设，基于光纤沿线的应变及温度分布变化情况计算路面面层、路面基层以及路基底部光纤所埋位置处的结构沉降值；

8、中国专利cn211178334u公开了一种基于分布式光纤动静应变测试的路基变形监测系统，通过设置不同的数据采集条件分别实现高精度静应变和低精度动应变的测试；

9、然而，上述基于分布式光纤的现有技术仍存在以下不足：

10、一、依赖深部物理基准点，现有基于分布式光纤的沉降监测方法，如cn117822389a，仍需要在路基底部或基岩处设置物理基准点（如沉降板或基准锚头）以提供沉降计算的绝对参考，这不仅增加了钻孔施工量和工程成本，而且基准点的长期稳定性难以保证，在软土地区或高填方路段，难以找到真正意义上的"不动层"作为基准；即便找到了，基准锚头在循环动载和地下水环境下的长期锚固可靠性也存在较大隐患，一旦基准点发生位移，将导致整个沉降监测数据的系统性偏差。

11、二、监测数据为离散点式而非连续场，无论是传统的多点位移计还是现有分布式光纤方案，其沉降计算结果均为有限个离散点位的沉降值，如cn117822389a仅能计算"光纤所埋位置处"的若干结构层沉降值，无法获得路基全断面的连续沉降场分布，难以准确捕捉局部不均匀沉降的细部特征。

12、三、分层沉降的层间差异沉降获取困难，现有技术虽能获得若干层的绝对沉降值，但对于层间相对沉降（即相邻结构层之间的差异沉降）的精确获取，缺乏有效的技术手段，而层间差异沉降恰恰是导致层间脱空、反射裂缝等病害的直接原因。

13、四、应变沉降转换依赖经验公式或简化模型，现有技术多采用经验公式或简化模型将光纤应变转换为沉降值，缺乏基于力学理论的严格数学推导，在大变形或复杂荷载条件下的转换精度难以保证。

14、综上所述，现有路基分层沉降监测技术存在依赖深部物理基准点、监测数据离散化、层间差异沉降获取困难以及应变沉降转换缺乏力学理论基础等问题，亟需一种能够解决上述问题的新的本技术方案。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种路基分层沉降监测系统及其监测方法，以解决现有技术路基分层沉降监测技术存在依赖深部物理基准点、监测数据离散化、层间差异沉降获取困难以及应变沉降转换缺乏力学理论基础的问题。

2、本发明通过以下本技术方案实现：

3、一种路基分层沉降监测系统，包括：

4、感知层，由铺设于路基各结构层中的光纤集成式智能土工布构成，所述智能土工布中植入有分布式光纤应变传感器，所述智能土工布在路基的每一结构层填筑顶面逐层水平铺设，各层智能土工布中的分布式光纤应变传感器分别感知对应结构层在荷载作用下产生的水平应变分布；

5、数据采集与传输层，包括与各层分布式光纤应变传感器连接的分布式光纤解调仪及数据传输模块，所述分布式光纤解调仪采集各层光纤沿线的应变分布数据，所述数据传输模块将采集数据传输至数据分析平台；

6、数据分析平台，包括应变沉降重构模块和分层沉降分析模块；

7、所述应变沉降重构模块基于光纤轴向应变与垂向位移之间的数学关系，将各层智能土工布测得的水平应变分布重构为对应结构层的垂向位移分布；

8、所述分层沉降分析模块以路基顶面的绝对沉降作为边界条件，自地表向下逐层递推计算各结构层的绝对沉降，并计算相邻结构层之间的层间差异沉降。

9、进一步限定，所述智能土工布在高强土工布编织成型过程中，将分布式光纤应变传感器作为额外的土工纤维沿土工布的经向植入，分布式光纤温度传感器72与分布式光纤应变传感器平行且间隔植入所述高强土工布中；所述高强土工布经向方向间隔设置有多个传感器定位标识，用于分布式光纤应变传感器的物理距离定位。

10、进一步限定，所述智能土工布中的分布式光纤应变传感器呈蛇形或u形连续回路布设，光纤的起始端和末端均引出路基边坡并接入路侧的光纤接线盒。

11、进一步限定，所述分层沉降分析模块采用如下递推公式计算各结构层的绝对沉降：

12、

13、其中，为第层结构层的绝对沉降，为上方相邻结构层的绝对沉降，为第层结构层的竖向压缩量；所述由第层结构层顶面的垂向位移与底面的垂向位移之差确定。

14、进一步限定，所述应变沉降重构模块采用如下公式将光纤轴向应变分布转换为垂向位移分布：

15、（1）

16、其中为沿光纤的轴向应变分布，为垂向位移分布。

17、进一步限定，所述路基顶面的绝对沉降通过接收机测量获得，作为所述分层沉降分析模块的唯一外部边界条件输入。

18、进一步限定，所述分布式光纤解调仪采用布里渊光时域分析技术，空间分辨率不大于1m，应变分辨率不大于10。

19、进一步限定，所述数据分析平台还包括动静分离模块，所述动静分离模块将所述应变分布数据分解为静态分量和动态分量，所述静态分量用于计算路基的长期累积沉降，所述动态分量用于分析循环动载作用下各结构层的刚度衰减。

20、进一步限定，所述数据分析平台还包括三维沉降场重构模块，所述三维沉降场重构模块基于多断面、多层的应变分布数据，采用三维插值方法重构路基全断面的三维沉降云图。

21、一种上述路基分层沉降监测系统的监测方法，包括以下步骤：

22、s1：在路基填筑施工过程中，于每一结构层的填筑顶面逐层铺设光纤集成式智能土工布，所述智能土工布中植入有分布式光纤应变传感器；

23、s2：各层智能土工布铺设完成后，通过分布式光纤解调仪采集各层光纤沿线的初始应变分布数据，作为各层的应变零基准；

24、s3：在路基运营期间，通过分布式光纤解调仪按预设频率采集各层光纤沿线的实时应变分布数据；

25、s4：应变沉降重构模块基于光纤轴向应变与垂向位移之间的数学关系，将各层智能土工布测得的水平应变分布重构为对应结构层的实时垂向位移分布；

26、s5：以路基顶面的绝对沉降作为边界条件，分层沉降分析模块自地表向下逐层递推计算各结构层的绝对沉降，并计算相邻结构层之间的层间差异沉降；

27、s6：当任一结构层的绝对沉降或层间差异沉降超过预设阈值时，发出预警信号。

28、本发明的有益效果在于：

29、本技术方案仅以路基顶面的绝对沉降作为边界条件，自地表向下逐层递推计算各结构层的绝对沉降，彻底规避了对深部物理基准点的依赖，大幅简化了施工工序，消除了基准点长期稳定性隐患，无需深部物理基准点。

30、本技术方案利用分布式光纤的全分布特性，可获得沿光纤全长连续分布的应变数据，进而重构出沿线路方向和深度方向的全断面连续沉降场，实现全断面连续沉降场监测。

31、本技术方案在各结构层界面均铺设智能土工布，可精确获得每一结构层顶面和底面的垂向位移，进而精确计算各结构层的压缩量及相邻结构层之间的差异沉降，为层间脱空、反射裂缝等病害的早期预警提供直接数据支撑，精确获取层间差异沉降。

32、本技术方案基于弹性力学推导出光纤轴向应变与垂向位移之间的数学关系式，避免了现有技术中经验公式或简化模型带来的转换误差。

33、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。