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边坡全维度监测技术与模型试验研究

高校地质学报 2024年第2期30卷 207-217页

作者：程刚张昊宇朱鸿鹄施斌吴静红华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心)计算机学院北京101601 南京大学地球科学与工程学院南京210023 苏州科技大学土木工程学院苏州215011 长安大学生态地质与灾害防控自然资源部重点实验室西安710054

中国是世界上地质灾害最严重的国家之一,其中滑坡常年位于各类地质灾害首位,因此对滑坡灾害进行深层次的研究至关重要。边坡工程常常会受到人类工程活动与自然地质作用叠加效应的影响,从而增加了对边坡变形失稳机理的科学认知难度。为... 详细信息

中国是世界上地质灾害最严重的国家之一,其中滑坡常年位于各类地质灾害首位,因此对滑坡灾害进行深层次的研究至关重要。边坡工程常常会受到人类工程活动与自然地质作用叠加效应的影响,从而增加了对边坡变形失稳机理的科学认知难度。为精准掌握边坡状态信息与变形失稳过程,可通过建立全维度的监测体系以实现边坡状态信息的动态解译与表征,据此获得更加精准、可靠、直观的边坡稳定性评价依据。文章围绕边坡破坏模式及典型边坡监测技术,在厘清边坡变形演化过程的基础上,对边坡“天—空—地—体”一体化监测技术体系进行了全面分析;概述性总结了基于DFOS的边坡监测技术,重点阐述了基于DFOS的边坡多源多场监测研究思路与实施路径;系统性梳理了基于典型监测技术与DFOS技术的边坡物理模型试验研究过程与结果,以期为开展边坡加固方案设计与防灾减灾控灾提供重要的参考依据。

关键词：边坡破坏模式 “天—空—地—体”全维度监测技术分布式光纤感测技术多源多场模型试验

基于分布式光纤感测的岩土体变形监测研究综述

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激光与光电子学进展 2022年第19期59卷 41-60页

作者：程刚王振雪朱鸿鹄李冬艳马茜华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心)计算机学院北京101601 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023 南京大学(苏州)高新技术研究院江苏苏州215123

随着我国各类复杂重点工程建设的深入推进,工程安全问题引起了越来越多的关注,然而对岩土体进行变形监测是保障工程安全的重要手段之一。与传统的电磁法、声发射、经纬仪、水准仪、位移计、应变计等岩土体变形监测技术相比,分布式光纤... 详细信息

随着我国各类复杂重点工程建设的深入推进,工程安全问题引起了越来越多的关注,然而对岩土体进行变形监测是保障工程安全的重要手段之一。与传统的电磁法、声发射、经纬仪、水准仪、位移计、应变计等岩土体变形监测技术相比,分布式光纤感测技术具有实时性、高精度、全分布、长距离和抗干扰等优势,已成为当前岩土体变形监测研究及应用领域的关注焦点。本文总结了光纤感测技术在岩土体变形监测中的应用现状,介绍了几种典型的分布式光纤感测技术原理及适用场景,探讨了光纤感测技术在岩土体变形监测应用中的关键问题,分析了光纤感测技术在边坡、水利、隧道、管道、铁路等工程及地面沉降与塌陷方面监测中的应用成果与挑战。最后,展望了光纤感测技术在岩土体变形监测中亟需攻破的难题与对策。

关键词：光纤光学岩土体变形监测分布式光纤感测技术关键问题研究综述

DFOS在矿山工程安全开采监测中的研究进展

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煤炭学报 2022年第8期47卷 2923-2949页

作者：程刚王振雪施斌朱鸿鹄李刚强张平松魏广庆华北科技学院计算机学院北京101601 南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001 南京大学(苏州)高新技术研究院江苏苏州215123

近几十年来,国内外矿山科研人员围绕“如何精准高效保障矿山安全开采”进行了大量的探索研究,通过经验观察、理论计算、数值模拟和室内外试验,在安全开采监测新方法、新技术和新应用等方面取得了一批重要成果,推动了我国矿山工程安全开... 详细信息

近几十年来,国内外矿山科研人员围绕“如何精准高效保障矿山安全开采”进行了大量的探索研究,通过经验观察、理论计算、数值模拟和室内外试验,在安全开采监测新方法、新技术和新应用等方面取得了一批重要成果,推动了我国矿山工程安全开采监测技术的不断进步和监测理论的不断完善。分布式光纤感测技术因具有全分布、高精度、实时性、大范围和抗干扰等优势,已成为当前矿山工程监测及应用领域的研究焦点。以我国当前煤炭开采面临的客观问题为背景,重点对采动覆岩变形破坏这一矿山工程安全开采核心问题的研究方法进行了系统性评述,从技术原理、传感器选型与系统布设等方面详细介绍了几种典型的分布式光纤感测技术(FBG,UWFBG,OTDR,BOTDR,BOTDA,BOFDA,DAS)的特点及其在矿山工程中的适用场景,并结合矿山工程安全开采监测要求进行了光纤传感器选型、仪器设备选型和监测系统设计的对比分析,总结了DFOS技术在当前矿山工程采动覆岩变形破坏、采动断层活化、煤柱稳定性、支承压力、破碎带注浆效果评价、井筒变形、采空区地面沉降、含水层压力、帷幕墙变形、露天矿边坡与光纤微震以及矿山温度监测与隐形火灾探测等重点方向中的应用进展,概述性地对矿山各应用方向中的理论与技术难点进行了梳理,探究了矿山工程安全开采监测技术的发展趋势,对DFOS技术在矿山工程安全开采监测中面临的覆岩变形破坏与光缆数据互馈作用、感测光纤与岩土体耦合性能、海量光纤感测数据的人工智能算法、覆岩变形破坏的光纤监测表征方法、矿山大变形监测的光纤适用性、多源多场监测系统的构建方法、技术应用的规范化与标准化等关键问题和挑战进行了论述,并结合监测数据响应特征、光缆岩土体耦合性能、光纤数据的人工智能算法与表征方法、智慧化全程监控多源多场监测等应用提出了相应的对策。

关键词：矿山工程安全开采监测分布式光纤感测技术应用进展挑战与对策

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岩土体灾变感知与应用

中国科学：技术科学 2023年第10期53卷 1639-1651页

作者：施斌朱鸿鹄张诚成孙梦雅张巍张泰银南京大学地球科学与工程学院南京210023

地球宜居性是21世纪的前沿科学问题.作为人类赖以生存的岩土体,在自然力和人类活动多场作用下不断运动着,它的失稳会直接诱发各类地质与岩土工程灾害,影响人居环境、工程安全及社会经济可持续发展.因此,岩土体灾变信息的获取质量决定了... 详细信息

地球宜居性是21世纪的前沿科学问题.作为人类赖以生存的岩土体,在自然力和人类活动多场作用下不断运动着,它的失稳会直接诱发各类地质与岩土工程灾害,影响人居环境、工程安全及社会经济可持续发展.因此,岩土体灾变信息的获取质量决定了防灾减灾的成效.岩土体是自然历史的产物,其内部存在各种力学不连续界面,可分为物质界面、状态界面和运动界面三类,它们控制着岩土体的稳定性;针对这些界面高隐蔽性、强不确定性的特点,从原位观测技术时空连续性角度,论述了观测技术从检测、探测、监测,最后到感知的演进过程;介绍了分布式光纤感测技术的原理与特点,它是实现岩土体灾变感知的理想手段.本文重点展现了作者团队20年来在岩土体灾变光纤感知理论和技术方面取得的成果,包括岩土应变感知耦合理论、岩土水分与渗流感知方法、岩土灾变事件识别与预测模型,以及岩土体灾变光纤感知技术体系等四个方面;介绍了岩土体灾变感知技术应用于采场覆岩物质界面感知、地面沉降状态界面感知和库区边坡灾变运动界面感知的三个典型案例,并展示了新的科学发现和认识.最后指出了岩土体灾变光纤感知技术今后的发展方向和前沿研究课题.

关键词：岩土体界面灾变感知分布式光纤感测技术应用

分布式光纤传感技术在采煤塌陷残余变形监测上的应用

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合肥工业大学学报（自然科学版） 2016年第2期39卷 260-264页

作者：方星刘建奎安徽省地质矿产勘查局安徽合肥230001 安徽省地质环境监测总站安徽合肥230001

文章针对采煤塌陷区深部岩土体分层变形监测的难题,介绍了分布式光纤感测技术原理及测试方法,并通过工程试验,验证了该方法应用于采空区残余变形监测的可行性。结果表明:分布式光纤感测技术应用于采煤塌陷残余变形具有明显的优势,不仅... 详细信息

文章针对采煤塌陷区深部岩土体分层变形监测的难题,介绍了分布式光纤感测技术原理及测试方法,并通过工程试验,验证了该方法应用于采空区残余变形监测的可行性。结果表明:分布式光纤感测技术应用于采煤塌陷残余变形具有明显的优势,不仅可以监测地层的沉降变形大小,还可以精确定位深部变形岩层的层位和深度;根据光纤应变测试曲线可对被测岩土层进行分层,划分出采煤塌陷"三带",即冒落带、导水裂隙带和弯曲沉降带。

关键词：分布式光纤感测技术采煤塌陷残余变形沉降煤层三带

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边坡全维度监测技术与模型试验研究进展

高校地质学报 2023年

作者：程刚张昊宇朱鸿鹄施斌吴静红苏州科技大学土木工程学院长安大学生态地质与灾害防控自然资源部重点实验室南京大学地球科学与工程学院华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心)计算机学院

我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，其中滑坡常年位于各类地质灾害首位，因此对滑坡灾害进行深层次的研究至关重要。边坡工程常常会受到人类工程活动与自然地质作用叠加效应的影响，从而增加了对边坡变形失稳机理的科学认知难度。... 详细信息

我国是世界上地质灾害最严重的国家之一，其中滑坡常年位于各类地质灾害首位，因此对滑坡灾害进行深层次的研究至关重要。边坡工程常常会受到人类工程活动与自然地质作用叠加效应的影响，从而增加了对边坡变形失稳机理的科学认知难度。为精准掌握边坡状态信息与变形失稳过程，可通过建立全维度的监测体系以实现边坡状态信息的动态解译与表征，据此获得更加精准、可靠、直观的边坡稳定性评价依据。本文围绕边坡破坏模式及典型边坡监测技术，在厘清边坡变形演化过程的基础上，对边坡“天-空-地-体”一体化监测技术体系进行了全面分析；概述性总结了基于DFOS的边坡监测技术，重点阐述了基于DFOS的边坡多源多场监测研究思路与实施路径；系统性梳理了基于典型监测技术与DFOS技术的边坡物理模型试验研究过程与结果，以期为开展边坡加固方案设计与防灾减灾控灾提供重要的参考依据。

关键词：边坡破坏模式 “天-空-地-体”全维度监测技术分布式光纤感测技术多源多场模型试验

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边坡多场光纤神经感知与安全保障体系

科学技术与工程 2023年第35期23卷 15010-15019页

作者：程刚张昊宇李刚强游钦凉王振雪王子怡华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心)计算机学院北京101601 南京大学地球科学与工程学院南京210023 南京大学(苏州)高新技术研究院苏州215123 华北科技学院(中国煤矿安全技术培训中心)矿山安全学院北京101601

人类工程活动往往易引发边坡灾害,进而对施工人员安全与工程进度产生重要影响。为获取边坡实时状态信息,基于光电联合监测技术,开展边坡变形、温度、渗流及地电等多场光纤神经感知研究,精准掌握边坡时空连续状态。通过引用物联网、大数... 详细信息

人类工程活动往往易引发边坡灾害,进而对施工人员安全与工程进度产生重要影响。为获取边坡实时状态信息,基于光电联合监测技术,开展边坡变形、温度、渗流及地电等多场光纤神经感知研究,精准掌握边坡时空连续状态。通过引用物联网、大数据、人工智能等技术,对多场信息进行数据清洗、关联挖掘、聚类分析,挖掘出影响边坡稳定性的控制因素,分析各控制因素的叠加效应,在此基础上建立集异常感知、信息传输、数据处理、决策预警为一体的边坡多场安全保障体系,对边坡潜在风险进行识别、评估及预警,进而作出科学决策并实施应急预案,为保障边坡工程安全与防灾减灾提供参考依据。

关键词：边坡多场监测分布式光纤感测技术光纤神经感知一体化安全保障体系

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基于OFDR技术的基坑底部隆起变形研究

基于OFDR技术的基坑底部隆起变形研究

作者：马飞苏州科技大学

学位级别：硕士

基坑开挖时,下层土体产生卸荷应力,并且会受到围护结构挤压,导致土体向上隆起。基坑隆起监测是基坑监测中不可缺少的一部分,对基坑隆起的监测可以对基坑的安全状态进行判断,保证基坑在安全状态下进行开挖。本文使用分布式光纤感测技术... 详细信息

基坑开挖时,下层土体产生卸荷应力,并且会受到围护结构挤压,导致土体向上隆起。基坑隆起监测是基坑监测中不可缺少的一部分,对基坑隆起的监测可以对基坑的安全状态进行判断,保证基坑在安全状态下进行开挖。本文使用分布式光纤感测技术进行基坑隆起的监测,其具有精度高、自动化程度高、连续测量等优势,目前已广泛应用于基坑监测中。通过设计监测装置,以及室内标定试验,建立了一套基于OFDR的基坑隆起监测流程,并将其应用于实际工程监测中。本文的主要研究工作如下:1、研究基坑隆起变形特点。基坑隆起变形主要由两部分构成,一是卸荷产生的第一类弹性变形,二是由于围护结构挤压产生的第二类弹性变形,并且还受到孔隙水、土质、渗流作用、浮力和是否设置工程桩等因素影响。现有基坑隆起监测技术多采用水准测量法,该方法精度低、自动化程度低,且监测装置易受影响导致监测结果不准确。通过与传统监测设备相结合,将光纤与土体的耦合转化为沉降环与土体的耦合,使监测设备更加简易,并且更易保护测量段光纤。2、研究设计基于OFDR分布式光纤感测技术的基坑隆起监测装置。对装置的结构组成进行设计研究,最终设计出了基于OFDR的基坑隆起监测装置,并进行了室内标定。试验结果表明,0.9mm应变感测光缆与2mm应变感测光缆对于应变的测量效果基本一致,两种应变感测光缆在拉伸至30mm时均发生断裂,表明对于1.4m的光缆其最大拉伸量为25mm。3、结合基于OFDR的拉伸式隆起监测装置,设计出了一套基于该装置的监测流程。首先需通过理论计算得出基坑隆起可能的最大值,根据可能隆起的最大值制作拉伸式隆起监测装置,其测量段光纤所能产生的变形要大于可能的最大隆起量。然后按照布点、定位、钻孔、清孔、放入监测装置、回填的步骤进行监测装置的埋设,最后使用OFDR解调仪获取数据并进行数据处理后得到基坑隆起变形量。4、将基于OFDR的基坑隆起监测装置于苏州地铁基坑中进行了实际工程应用。结合基坑开挖特点、变形特点、危险截面位置等布设监测点位,根据基坑尺寸、地质条件以及施工方案利用残余应力法及自重应力抵消法进行可能最大隆起量的计算,最终装置确定为6cm的量程,并进行了工程实测。结果表明该装置适用于实际工程的隆起监测,监测与传统监测装置的监测数据相近。采用Abaqus有限元模拟软件对基坑进行模拟,得到测点所处监测断面处的隆起变形云图,将理论计算结果、基于OFDR的隆起监测装置实测值、有限元模拟结果进行对比分析,结果表明理论计算结果与有限元模拟结果与实测值相近,说明基于OFDR的基坑隆起监测装置能够准确、有效的对基坑隆起变形进行监测,分布式光纤感测技术能够应用于基坑隆起监测。对于第二类回弹变形主要影响因素地连墙埋设深度进行数值模拟分析,结果表明随着地连墙深度增加,坑底变形特征由倒“U”型变为双峰型或三峰型。

关键词：基坑隆起变形基坑隆起监测分布式光纤感测技术数值模拟

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地面沉降分布式光纤监测土–缆耦合性分析

岩土工程学报 2019年第9期41卷 1670-1678页

作者：张诚成施斌朱鸿鹄魏广庆南京大学地球科学与工程学院江苏南京210023 加州大学伯克利分校土木与环境工程系美国伯克利94720 苏州南智传感科技有限公司江苏苏州215123

地层、钻孔回填材料和传感光缆之间的耦合性是决定地面沉降钻孔全剖面分布式光纤监测精度的关键因素。提出了地层-钻孔回填材料-传感光缆耦合性的明确定义和地层变形光纤监测数据有效性的评价方法。地层、回填材料和传感光缆达到完全耦... 详细信息

地层、钻孔回填材料和传感光缆之间的耦合性是决定地面沉降钻孔全剖面分布式光纤监测精度的关键因素。提出了地层-钻孔回填材料-传感光缆耦合性的明确定义和地层变形光纤监测数据有效性的评价方法。地层、回填材料和传感光缆达到完全耦合应满足两个条件:地层-回填材料界面与回填材料-传感光缆界面剪应力均不能超过其抗剪强度;地层应变能有效地传递至纤芯。提出了回填材料与传感光缆处于黏结状态的临界围压与临界深度;传感光缆弹性模量、半径或最大应变梯度越小,则临界围压或深度也越小;当回填材料、传感光缆及其界面参数确定时,临界围压或深度仅与最大应变梯度有关。基于经典应变传递模型与Goodman假设建立了地层-钻孔回填材料-传感光缆应变传递模型,并研究了传感光缆、回填材料以及地层性质对应变传递特性的影响,结果表明:传感光缆半径和弹性模量、钻孔半径、地层剪切模量越小,或回填材料剪切模量、地层-回填材料界面黏结系数越大,则应变传递性能越好;围压对应变传递特性的影响则取决于回填材料与地层参数之间的相对关系。最后,采用苏州盛泽地面沉降光纤监测数据验证了该评价方法的有效性。研究结果为钻孔地层剖面的全剖面、精细化分布式光纤监测提供了理论依据。

关键词：地层变形分布式光纤感测技术耦合性界面抗剪强度应变传递