案例分享：OFDR監(jiān)測(cè)壓實(shí)黏土梁的彎曲行為

01

概述

OFDR分布式光纖應(yīng)變測(cè)量技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如橋梁、管道以及大壩等構(gòu)筑物的變形監(jiān)測(cè)，但應(yīng)用于土體變形監(jiān)測(cè)的研究較少。本文借助壓實(shí)粘土梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，通過在土體內(nèi)部植入應(yīng)變感測(cè)光纜，監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部的變形信息，驗(yàn)證了OSI分布式光纖感測(cè)技術(shù)應(yīng)用于土體變形測(cè)量的可行性，并討論了實(shí)際工程應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題。

02

測(cè)試過程

本文所用壓實(shí)粘土梁長(zhǎng)360mm、橫截面80mm。當(dāng)粘土梁堆積至20、40和60mm的高度（在圖1中標(biāo)記為H1、H2和H3）時(shí)，將光纖鋪設(shè)在模型上表面，然后通過側(cè)壁上的通孔連接到OSI解調(diào)儀。光纖在安裝過程中需保持輕微的拉伸，以提高其對(duì)壓縮變形的敏感性。

(A)試驗(yàn)裝置圖；(B) 試驗(yàn)裝置及監(jiān)測(cè)方案示意圖 (單位：mm)
圖1 彎曲試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，試驗(yàn)詳情見表1。C1測(cè)試研究粘土在加載-卸載條件下的力學(xué)行為。此外，對(duì)M1組中每級(jí)加載后的應(yīng)變進(jìn)行了兩次采集，兩次讀數(shù)的間隔是三分鐘。

表1 試驗(yàn)方案

03

測(cè)試結(jié)果

梁在特定位置的應(yīng)變分布如圖2所示，傳感光纖的位置和選定的分析點(diǎn)如圖2D所示。

圖2 土梁ML1的應(yīng)變發(fā)展過程
(A)H1；(B)H2；(C)H3；(D)興趣點(diǎn)和光纖位置示意圖

在初始加載階段，粘土的壓縮應(yīng)變隨荷載呈線性增加。中性軸上方的粘土處于壓縮狀態(tài)，而下方處于拉伸狀態(tài)，中性軸位于半高以下，隨著載荷的增加，中性軸上移。

當(dāng)加載到62.75N時(shí)，H1的應(yīng)變測(cè)量值急劇下降，隨后裂紋萌生。H2層在初始階段處于壓縮狀態(tài)，表明中性軸低于半高。H3的應(yīng)變測(cè)量如圖2C所示。140、180和220mm處的拉伸應(yīng)變的變化趨勢(shì)與100mm和260mm處的不同。這種差異也被認(rèn)為是由應(yīng)力集中造成的。

當(dāng)荷載達(dá)到62.75N時(shí)，梁的底部開始產(chǎn)生拉裂，并延伸到梁的頂部。由于傳感光纖與周圍土體之間的耦合減弱，拉應(yīng)變的增加受到了限制。隨后，拉伸區(qū)發(fā)生塑性變形，拉伸區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，呈現(xiàn)為中性軸上移。隨著荷載的持續(xù)增加，拉伸區(qū)的粘土達(dá)到其屈服點(diǎn)。之后，梁底部出現(xiàn)裂縫。

完整測(cè)試過程及結(jié)果，詳見OFDR監(jiān)測(cè)壓實(shí)黏土梁的彎曲行為（可點(diǎn)擊）。

來源：Geotechnical Testing Journal, 45(3), 627-643.

題名：Monitoring flexure behavior of compacted clay beam using high-resolution distributed fiber optic strain sensors

作者：李豪杰，朱鴻鵠*，張春新，Reddy, N. G., 吳海穎