土體干縮開裂分布式光纖監(jiān)測(cè)與早期探測(cè)技術(shù)研究

概述

掌握土體干縮裂隙發(fā)育過程中內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)的發(fā)育規(guī)律，是研究土體干縮裂隙形成機(jī)理的重要前提，但常規(guī)監(jiān)測(cè)方法無法獲得土體內(nèi)部的變形特征，無法滿足土體干縮開裂研究的要求。唐朝生課題組提出了一種基于分布式光纖傳感技術(shù)（DFOS-OFDR）的土體干縮開裂過程精細(xì)化監(jiān)測(cè)新方法，發(fā)現(xiàn)DFOS-OFDR解調(diào)儀（OSI-S）能夠精確獲得土體干縮裂隙發(fā)育過程中應(yīng)變場(chǎng)的時(shí)空演化特征，實(shí)現(xiàn)裂隙的精準(zhǔn)定位，并能提前感知裂隙的形成。

測(cè)試過程

將取回的黏性土自然風(fēng)干研磨，并通過一個(gè)2mm篩。隨后將土與適量水混合，使待用泥漿的目標(biāo)含水率達(dá)到約69%（液限的1.9倍）。然后將泥漿在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)5分鐘以去除所有氣泡，然后逐次倒入長500mm、寬50mm、高50mm的有機(jī)玻璃模具中。應(yīng)變光纜布設(shè)是先將800g漿液（20mm高）加入有機(jī)玻璃模具中，并進(jìn)行振動(dòng)以獲得平面表面，應(yīng)變光纜放在泥漿頂部，然后將400g剩余的泥漿（10mm高）倒入模具中，并進(jìn)行振動(dòng)以去除氣泡。值得注意的是土樣中光纜的兩端是不固定的，可以隨著土體的收縮自由沉降。應(yīng)變光纜全程連接在DFOS-OFDR解調(diào)儀。試驗(yàn)使用的監(jiān)測(cè)裝置示意圖如圖1所示。干燥試驗(yàn)在室溫30±1℃下進(jìn)行。為了更好地捕捉干燥過程中土體裂隙的萌生和發(fā)育，用數(shù)碼相機(jī)每5min進(jìn)行一次高分辨率圖像的拍攝，頻率與DFOS-OFDR解調(diào)儀（OSI-S）采樣相同。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

測(cè)試結(jié)果

3.1 應(yīng)變曲線隨干燥時(shí)間的演變

圖2a顯示了干燥0min到5500min的應(yīng)變曲線的時(shí)空演化過程。隨著干燥的進(jìn)行，應(yīng)變分布曲線由未變形狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎w壓縮狀態(tài)，這意味著試樣由于失水而有體積收縮的趨勢(shì)，從而擠壓內(nèi)部應(yīng)變光纜。圖中存在兩個(gè)明顯的壓縮區(qū)域（A1和A2），其中應(yīng)變峰值從-250 με 到-3000 με（A1）和-500 με到-10000 με（A2）。試樣中水的蒸發(fā)是從土體表面開始，隨著蒸發(fā)過程的持續(xù)，土顆粒之間的孔隙開始形成水-氣半月板，從而導(dǎo)致毛細(xì)吸力的增加和張拉應(yīng)力的積累。當(dāng)累積的張拉應(yīng)力增加超過土體抗拉強(qiáng)度時(shí)，土體便會(huì)出現(xiàn)干縮開裂。隨著第一道裂隙的出現(xiàn)（4930min），拉應(yīng)變出現(xiàn)并壓應(yīng)變繼續(xù)減小，這表示一旦土體開裂，裂隙寬度的增加會(huì)增加光纜上的拉應(yīng)力，并產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)變。

圖20~5500 min干燥過程中土體裂隙形態(tài)的演化及應(yīng)變曲線時(shí)空的演化

如圖2b所示，應(yīng)變曲線上在0.29m、0.36m、0.20m和0.10m四個(gè)位置上有4個(gè)應(yīng)變峰值，與4道裂隙的位置完全吻合。裂隙1、2、3和4在5500min時(shí)的應(yīng)變峰值分別為8457.11με，3552.48 με，-719.67 με和-736.39 με。對(duì)應(yīng)的裂隙寬度分別為6.41 mm，6.61 mm，4.45 mm和4.54 mm，可以明顯看出較寬的裂隙通常對(duì)應(yīng)較大的拉應(yīng)變。

3.2 土體干縮裂隙的早期探測(cè)

前一節(jié)得到的結(jié)果表明DFOS-OFDR技術(shù)可以準(zhǔn)確獲取裂隙的位置。為了檢驗(yàn)所提出的技術(shù)是否能夠進(jìn)行土體干縮裂隙萌生位置的早期探測(cè)，研究了四道裂隙的寬度及其應(yīng)變狀態(tài)隨干燥時(shí)間的變化。光纜獲得的應(yīng)變狀態(tài)演化不僅能反映干縮開裂前的土體收縮情況，而且能反映土體裂隙擴(kuò)展的全過程。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)DFOS-OFDR技術(shù)是否能夠提前預(yù)測(cè)土體干縮開裂，本研究提出了3個(gè)參數(shù)：Tm（DFOS-OFDR監(jiān)測(cè)到土體開裂的時(shí)間），Tc（通過肉眼觀察或數(shù)字圖像處理技術(shù)得到的土體開裂時(shí)間）和ΔTp（提前預(yù)測(cè)的時(shí)間間隔，定義為Tm和Tc之差）。

圖3為裂隙寬度和應(yīng)變狀態(tài)隨干燥時(shí)間的變化情況。第一道裂隙（裂隙1）在4955min出現(xiàn)，而DFOS-OFDR在4930min便已經(jīng)探測(cè)到裂隙的萌生，說明DFOS-OFDR技術(shù)可以提前約25min探測(cè)到土體干縮開裂。同理，對(duì)于裂隙2、裂隙3和裂隙4，對(duì)應(yīng)的ΔTp值分別為55、40和40min。DFOS-OFDR解調(diào)儀（OSI-S）的精度可達(dá)1 με。如此高的精度使得DFOS-OFDR能夠準(zhǔn)確地感知土體內(nèi)部的任何微小變形，從而能夠早期探測(cè)到土體裂隙。對(duì)于每道裂隙，DFOS-OFDR技術(shù)預(yù)測(cè)裂縫形成的提前時(shí)間是不同的，這是因?yàn)殡m然在試驗(yàn)中使用了相對(duì)均勻的泥漿，但泥漿不能完全均勻，這會(huì)影響光纜在土體內(nèi)部的分布，從而影響早期探測(cè)的提前時(shí)間。

圖3 裂隙寬度與裂隙位置應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)結(jié)論

DFOS-OFDR技術(shù)可用于監(jiān)測(cè)土體表面和內(nèi)部干縮裂隙的演化。DFOS-OFDR獲得的應(yīng)變分布曲線可以準(zhǔn)確捕獲土體收縮特性和裂隙萌生位置，并且得到裂隙寬度與對(duì)應(yīng)應(yīng)變狀態(tài)隨干燥時(shí)間變化的關(guān)系，可以為早期探測(cè)裂隙的位置提供幫助。與傳統(tǒng)的離散應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法相比，DFOS-OFDR是一種分布式、無損、準(zhǔn)確、高效、高分辨率的土體干縮開裂監(jiān)測(cè)和早期探測(cè)技術(shù)，為研究土體表面和內(nèi)部干縮裂隙提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

審核編輯 ：李倩