具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测设备，所述设备包括高压液压管1、高精度光栅光纤压力传感器2、铠装连接光纤7、基准传感器9和光纤解调仪13；高压液压管1横向埋置于道路路基11中并分节段布置，高精度光栅光纤压力传感器2通过卡箍式三通3设置在各节段的高压液压管1之间令高压液压管1形成密封管体，高压液压管1中充注有防冻液；基准传感器9和光纤解调仪13设置于道路路基11外侧，基准传感器9设置在高压液压管1终止端，高精度光栅光纤压力传感器2和基准传感器9通过铠装连接光纤7依次连接并接入光纤解调仪13。

高压液压管1的起始端设置有塞头8，基准传感器9通过卡箍式三通3在终止端与高压液压管1连接，卡箍式三通3另一端设置有塞头8。

高精度光栅光纤压力传感器2连同其位置处的高压液压管1和铠装连接光纤7均封装于沉降盒4中。沉降盒4内设置有用于固定高精度光栅光纤压力传感器2和高压液压管1的半环形卡扣10，高压液压管1的上下两侧设置有小滚轮19；沉降盒4两侧设置有高压液压管1和铠装连接光纤7的穿孔，沉降盒4内设置有沉降盒内部加肋21。

沉降盒4以外部分的高压液压管1和铠装连接光纤7外设置有PVC管5，多余的高压液压管1盘放于液压管盘槽6内。

高压液压管1在路基中横向设置多道，各高压液压管1均汇总接入一个终止端并配置一个基准传感器9；各高压液压管1上的高精度光栅光纤压力传感器2通过铠装连接光纤7和FC/APC接头接入同一个光纤解调仪13。高精度光栅光纤压力传感器2横向布设间距为2m，纵向布设间距为4～6m。基准传感器9设置在道路路基11外侧的砼基础10之上。

通过上述设备实施的基于光栅阵列的冻土路基变形场优化监测方法，包括以下步骤：

步骤一：将设备中高压液压管1起始端用塞头8进行密闭封堵，在终止端注入防冻液后进行管体打压测试后用塞头8进行密闭封堵；

步骤二：将铠装连接光纤7的一个端头通过FC/APC接头接入光纤解调仪13，测量光栅光纤埋设后的初始波长值，计算出高精度光栅光纤压力传感器2埋设位置处的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感器9的液位差，即为路基此时的相对沉降变形；

步骤三：提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译形成测量标高位置处的路基沉降变形场。

其中，设备的布置过程为：

步骤一：道路路基11施工至监控量测标高后沿横断面放线测量，确定路基横纵向光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设的具体位置；

步骤二：通过机械开挖出传感设备布设沟位，开挖深度30cm，将沟槽底部整平后垫5cm细砂，依次布设每个横向断面的传感设备；

步骤三：在传感设备布设完成后，对铠装连接光纤7的完好程度进行检测，确保传感器全部存活；

步骤四：将铠装连接光纤7和高压液压管1汇总于节点位置，节点位置处布设基准传感器9，于天然地面12位置处浇筑砼基础10，将基准传感器9固定于砼基础10上，再次对所有铠装连接光纤7的完好程度进行检测；

步骤五：将路基开槽位置回填，采用机械整平，完成光栅阵列式路基沉降监测传感设备铺设。

本发明的工作机理为：

利用高精度光栅光纤压力传感器与高压液压管组成的传感器实现冻土路基变形场的测量与解译，即以高压液压管中的液位压差作为间接测量变量，将高精度光栅光纤压力传感器封装于沉降盒内，当土体与沉降盒发生，沉降盒所在位置处高压液压管液压发生相对变化，通过该位置与基准位置之间的液位压差反算出相对高差的变化，得到相对沉降变形。本发明基于克里金空间插值模型进行高精度光栅光纤压力传感器空间优化布设，提出以横向间距L1＝2m、纵向间距L2＝4～6m的冻土路基变形场一体化监测布设原则，能在合理预测精确度与有限成本范围，能实现高精度、大范围、大变形的冻土路基变形场实时监测与解译，改善了传统冻土路基监测方法“应测而未测，测而不全面”的现状，形成面向区域化、韧性化、自动化的冻土路基变形场监测技术，提出的光栅阵列式路基沉降监测传感设备系统安装便捷、操作简单、设备体积小，易于在工程现场开展工作且可以在短时间内掌握。

参见附图对本发明进行进一步详细的说明：

所述设备包括：21mm高压液压管1、高精度光栅光纤压力传感器2、卡箍式三通3、250mm×250mm×50mm沉降盒4，50mmPVC管5，液压管盘槽6，铠装连接光纤7。

21mm高压液压管1通过固定间距L1布设的若干个卡箍式三通3连接为不泄漏的整段管体，在顶部卡箍式三通3顶端接口布设高精度光栅光纤压力传感器2，各个高精度光栅光纤压力传感器2通过铠装连接光纤7连接。

各个卡箍式三通3之间预留足够冗余长度的21mm高压液压管1，将多余21mm高压液压管1盘放于液压管盘槽6内，其余段落21mm高压液压管1外套50mmPVC管5，随后将高精度光栅光纤压力传感器2封装于250mm×250mm×50mm沉降盒4中，重复上述过程，组装形成光栅阵列式路基沉降监测传感设备。

监测时：

道路路基11施工至监控量测标高后沿横断面放线测量，确定路基横纵向光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设的具体位置，通过机械开挖出传感设备布设沟位，开挖深度30cm，将沟槽底部整平后垫5cm细砂，依次布设每个横向断面的传感设备，在传感设备布设完成后，对铠装连接光纤7的完好程度进行检测，确保传感器全部存活，将铠装连接光纤7和21mm高压液压管1汇总与节点位置，节点位置处布设基准传感器9，于天然地面12位置处浇筑砼基础10，将基准传感器9固定于砼基础10上，再次对所有铠装连接光纤7的完好程度进行检测。最后，将路基开槽位置回填，采用机械整平，完成光栅阵列式路基沉降监测传感设备铺设。

将光栅阵列式路基沉降监测传感设备中21mm高压液压管1起始端头用塞头8进行密闭封堵，在21mm高压液压管1终止端头注入防冻液后进行管体打压测试后用塞头8进行密闭封堵。将铠装连接光纤7的一个端头通过FC/APC接头接入光纤解调仪13，测量光栅光纤埋设后的初始波长值，计算出高精度光栅光纤压力传感器2埋设位置处的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感器9的液位差，即为路基此时的相对沉降变形。提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译形成测量标高位置处的路基沉降变形场。

本发明设备组成可分为以下两个系统：

1、光栅阵列式路基沉降监测传感设备系统

光栅阵列式路基沉降监测传感设备由21mm高压液压管、高精度光栅光纤压力传感器、卡箍式三通、250mm×250mm×50mm沉降盒，50mmPVC管，液压管盘槽，铠装连接光纤组成。

根据冻土路基结构形式确定光栅阵列式路基沉降监测传感设备布设标高，对传感器横向布设间距和纵向布设间距进行普通克里金空间插值优化分析，以最小估计均方差、平均预测精确度作为变形场预测的评估准则，结合监测成本测算，确定最优传感器布设参数。相关计算结果如附图6-7所示，建议横向布设间距取2m，纵向布设间距取4～6m。按道路宽度7m，纵向长度100m的路基监测场为例，共计布设光栅阵列传感68～104个。

取横向间距L1＝2m，根据待测路基宽度确定横断面高精度光栅光纤压力传感器布设数量，高精度光栅光纤压力传感器设计测量范围为0～50kPa、测量精度±0.5％F.S.、测量分辨率＜0.02％F.S.。每个压力传感器均以卡箍式三通连接于21mm高压液压管上，卡箍式三通之间预留2m长的21mm高压液压管，即相邻传感之间可产生2m的相对沉降，冗余长度的21mm高压液压管盘放于液压管盘槽，每个压力传感器通过铠装连接光纤串联成阵列，将每个压力传感器均封装于250mm×250mm×50mm的沉降盒，组装形成光栅阵列式路基沉降监测传感设备。

取纵向间距L2＝4～6m，依次完成每个横断面光栅阵列式路基沉降监测传感设备的布设，各回路传感设备集中汇总后接入设定的基准传感器，再从基准传感器接入数据采集系统进行测试。

2、数据采集与变形场解译系统

光纤光栅解调仪波长范围1527～1568nm、波长分辨率1pm，动态范围45dB，解调仪与光栅阵列式路基沉降监测传感设备通过FC/APC接头连接。

传感器埋设后测量初始初始波长值，后续监测获取测量波长值，计算各测点位置的液位压力，再计算出该位置处相对于基准传感位置处的液压差，即为该测点路基此时的相对沉降变形。重复以上计算过程，计算出监测场内各个位置处的相对沉降变形。

液位压力计算过程如下：

dλ_B＝(1-P_e)λ_BP/E (1)

式中，λ_b为光栅光纤的中心波长，n_eff为纤芯的有限折射率，E为光纤光栅压力传感探头的杨氏模量，P_e为光纤材料的有效弹光系数，ν为光纤材料的泊松比，P₁₁和P₁₂为光纤材料的各向弹光系数，P为测试压力。

相对沉降变形值计算过程如下：

式中，△H为测点基准测点A与任一测点B之间的液位差，μ_A、μ_B分别为测点A、B处的液位测试压力，γ_w为防冻液的容重(冰点60℃时为10.92kN/m³)。

路基沉降变形场计算解译方法如下：

提取各个测点位置的沉降变形值进行普通克里金空间插值解译，计算过程表示为：

式中，z*(x₀)为路基沉降变量在x₀处的值估计值，m为路基沉降变量在搜寻邻域内的期望值，z(x_i)为路基沉降变量在搜寻邻域内的真实值，λ_i为搜寻邻域内的加权值，m(x_i)为在每一个评估位置的重新估计期望值。

以无偏性和估计方差最小作为选取λ_i的标准，即当满足以下条件时λ_i最优：

式中，E[]表示求取路基沉降变量变量期望值，Var[]表示求取路基沉降变量变量方差。求解式(5)关于权重因子λ_i的线性方程组，得到路基沉降变量插值的最小估计方差，再根据式(4)预测未知点的路基沉降变量值，解译得出路基沉降变形场区域变量值。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。