传感光纤-砂土界面力学性质的试验研究

近年来分布式光纤感测技术在岩土与地质工程领域的应用研究已成为一个研究热点,但工程实践表明,埋入式传感光纤与被测岩土体之间的变形协调性会对监测结果产生显著的影响,该问题一直制约着光纤感测技术在工程监测中的推广。本文通过一系列室内拉拔试验,对比了3种预埋于砂土中的单模光纤在不同上覆压力的作用下的拉拔力-拉拔位移曲线,并建立了一个用于描述光纤-砂土界面力学性质的三段式的拉拔模型,分析峰值拉拔力、残余拉拔力、有效拉拔位移和残余拉拔位移4个参数在不同上覆压力作用下的变化情况。分析结果揭示传感光纤-砂土界面的力学特性和应力传递规律,为分布式光纤传感技术在岩土体变形监测中的应用,尤其在变形监测光纤的选用标准方面,提供了参考依据。     

分布式传感光纤与土体变形耦合性能测试方法研究

分布式光纤传感作为新兴技术已用于岩土体的变形监测,其中传感光纤与土体的变形耦合性能是重要的研究内容之一。文章设计了土条的三点弯曲试验,将传感光纤预埋在土条中,借助高空间分辨率OBR分布式光纤传感技术、激光位移传感器以及PIV摄影测量技术,对光纤与土体的变形耦合性能进行了分析讨论。结果表明:当土条变形较小时,土体与光纤耦合性能良好,传感光纤可以准确测量相应位置土体的应变分布情况;当变形较大时,传感光纤与土体将发生相对滑移,土体变形难以完全传递给传感光纤,光纤与土体的变形耦合性能随土体变形的增大逐渐降低。提出了采用应变传递系数表征纤-土的变形耦合性能。     

考虑变形协调的土体剪切位移分布式测试研究

岩土体的剪切破坏是地质工程领域较为常见的诱灾机制,岩土剪切变形的监测对于岩土工程防灾减灾至关重要。光纤传感技术因其可实现高灵敏度的分布式应变监测,成为获取岩土剪切位移信息的潜在手段之一。本文利用全分布式光频域反射(OFDR)技术及粒子图像测速(PIV)技术,开展了土体剪切位移监测可行性的试验研究。在充分考虑直埋式应变传感光缆和周围土体变形协调的基础上,探究了剪切试验中光缆应变测值与土体剪切位移之间的关联,并提出了实现两者转换的光纤应变积分法。试验结果显示:在光缆和土体耦合良好的阶段,光缆伸长计算值与土体剪切位移之间存在线性关系,使用高精度、高空间分辨率的OFDR技术监测土体剪切位移具备可行性;在光缆上布设管式锚固点或提高围压可以增加光缆和土体的耦合性能,进而获得更好的剪切位移监测效果。     

埋入式应变感测光缆-冻土界面渐进破坏机制研究

冻胀融沉作用引起的地基土体变形是冻土地区工程建设的典型地质灾害,光纤传感技术为冻土变形的精细化、分布式实时监测提供了重要的技术手段。为探究分布式光纤应变传感在监测冻土变形方面的可行性,利用自主研制的光缆-冻土界面力学特性试验仪,探究了不同干密度和初始含水率的冻土试样中缆-土界面的破坏机制。试验结果表明,光纤应变监测结果准确地反映出缆-土界面呈现渐进性破坏特征,应变软化模型能够较好地描述界面的力学特性。在冻结过程中,土体内液态水相变成冰,引起了冻结锋面移动和水分迁移,使得界面的力学特性存在显著的差异性。不同深度处缆-土界面剪应力的演化过程反映了在光缆拉拔过程中与冻土的变形协调状态,表明光缆测量范围、界面耦合性与土体干密度、初始含水率密切相关。该研究为光纤传感技术在寒区冻土地基变形监测中的应用提供了参考。     

基于PPP-BOTDA的膨胀土裂隙发育特征的分析与表征方法研究

为了解非饱和膨胀土在干湿循环过程中土体应变的状态、变化以及土体裂隙的发育规律,在室内设计了一个长150cm、宽10cm、高60cm的模型箱,将传感光纤分4组按不同深度埋入土中,每组传感光纤包括4种类型,采用高空间分辨率的分布式光纤应变测量技术PPP-BOTDA,对干湿循环过程中土体的应变状态进行了监测。试验发现:埋深较浅的光纤受到裂隙发育的影响,在空间上,光纤应变状态呈现不均匀的拉压分布;在时间上,随着土体含水率的降低,裂隙区域的光纤应变呈现出先压缩后拉伸的变化规律,而且光纤应变变化同总裂隙张开度具有一定的相关性;随着光纤埋藏深度的加深,由于受土体裂隙的影响减小,光纤应变分布较为均匀;吸湿过程中,土体裂隙逐渐闭合,裂隙区域光纤应变由拉伸状态转变为压缩状态,而裂隙两侧区域光纤应变逐渐转变为拉伸状态。结果表明,通过PPP-BOTDA技术可以反映膨胀土干湿过程中土体的应变状态,并对土体裂隙进行准确的定位,从而为土体变形监测及灾害评价提供了新的技术手段。     

低围压下锚固点应变传感光缆与土体变形耦合性试验研究

应变传感光缆与被测土体之间的耦合性是决定分布式光纤监测准确性的关键。为解决土工模型试验中传感光缆与被测松填砂土间的变形耦合性问题,本文研制了一种锚固点应变传感光缆,并利用自制的光缆-土体耦合性试验装置,开展了相关的光缆拉拔试验,探究了低围压下锚固点对应变传感光缆与砂土之间耦合性的影响及作用机理。研究结果表明:光缆的轴向应变随拉拔位移的增大而增大,但应变传递被限制在0.35 m以内;相同拉拔位移下,锚固点应变传感光缆比普通传感光缆需要更大的拉拔力;锚固点大大降低了应变梯度,使应变在一定范围内呈现出平均化的特征,影响范围为锚固点前后0.05~0.075 m以内。提出了耦合性的提升率指标,以此定量评价锚固点对增强光缆与土体耦合性的作用效果。本次试验中锚固点的提升率为97.41%,表明锚固点可有效增强光缆与土体的耦合性;同时,提出了一个力学模型来模拟锚固点应变传感光缆在松填砂土中的拉拔过程,准确地描述了光缆拉拔力与锚固点受力和光缆表面摩擦力之间的关系。研究成果对于土工模型试验中分布式光纤测试技术的应用提供了科学依据。     

光纤光栅传感技术在GFRP抗浮锚杆现场拉拔试验中的应用

光纤测试技术是将光纤布拉格光栅（FBG）传感器用光纤连成一串,通过构建多点光栅测试系统实现传感,它具有精度高、抗干扰能力强、空间分辨率高和连续数据采集等特点。将光纤光栅传感技术应用到原型玻璃纤维增强复合材料（GFRP）抗浮锚杆受力测试中,同步测试了锚杆杆体-锚固体界面、锚固体-周围岩土体界面以及锚固体内的应变,实现GFRP抗浮锚杆多界面全长受力测试。测试结果表明,光纤光栅传感技术能准确记录拉拔过程中GFRP抗浮锚杆各界面的应变变化,揭示锚杆杆体-锚固体界面、锚固体内、锚固体-周围岩土体界面的轴向应力和剪应力分别随荷载水平和锚固深度变化的分布规律,但不同界面处荷载的传递深度和剪应力沿深度的影响范围有所差异。该测试技术和传感器埋设工艺有众多优势,在岩土工程科学研究与工程应用领域具有广阔的前景。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中,变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标,其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展,其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要,然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响,阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上,开展了基于BOTDA感测技术的光纤-砂 土界面耦合性能拉拔试验,从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外,数据拟合R2均在0.99以上,显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性;由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa,与给定值基本一致;通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系,得出光纤-土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导,同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

填料粗粒含量对筋土界面拉拔性状的影响

基于可视化拉拔系统及数字照相量测技术,针对5种不同粗粒含量 （粒径>5 mm颗粒的质量百分数）的粗粒土开展拉拔试验,探讨了粗粒含量 对筋土界面强度指标、颗粒位移演化及土工格栅应变等的影响。研究表明：界面黏聚力c与界面摩擦角 随 增加呈不同程度增加; 从20%增长至35%后,土工格栅末段出现应变及拉拔力峰值时所对应的格栅拉拔位移均减少,但各段土工格栅应变量增加;随着 的增加,筋土界面粗粒土颗粒位移矢量方向逐渐趋于水平,其位移量显著减小。同时,筋土界面空洞明显减少; 增加使筋土界面的粗粒土颗粒位移减小,而间接影响区范围扩大,使一定高度范围内的粗粒土颗粒被间接带动,在宏观上使界面似黏聚力增加; 增加后,位于筋土界面V3处的土颗粒最大位移速度减小。位于间接影响区的V1、V2处的土颗粒最大位移速度因受间接影响区范围扩大,颗粒扰动加强而有少量增大。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中，变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标，其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展，其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要，然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响，阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上，开展了基于BOTDA感测技术的光纤—砂 土界面耦合性能拉拔试验，从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外，数据拟合R2均在0.99以上，显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性；由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa，与给定值基本一致；通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系，得出光纤—土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导，同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

拉拔作用下土工合成材料在风化料-废弃轮胎橡胶颗粒轻质土中的变形行为研究

风化料-废弃轮胎橡胶颗粒轻质土密度小、透水性强,可以有效减小结构变形。然而筋材在此类轻质土中的变形规律尚不清楚。为此,考虑不同的橡胶颗粒质量比(10%、15%和30%)和不同的法向压力(30、50、100kPa),基于自主研发的传感型土工合成材料(SEGB),开展了SEGB筋材的拉拔试验。SEGB具有拉敏效应,可以通过测试电阻变化确定自身应变,实现分布式变形测量。基于单向拉伸试验和直剪试验结果,分别建立了筋材全应力-应变曲线的双线性本构模型和筋土界面作用的双曲线本构模型,并以此为基础推导了筋材在拉拔过程中的荷载传递方程。通过有限差分法求解该方程,得到了拉力、应变、位移和界面剪应力等指标在筋材上的分布情况。通过对比分析试验结果和数值计算结果,认为所建立的本构模型是有效的。橡胶颗粒质量比对筋土界面的摩擦特性有影响,且存在最优值。拉力、应变、位移和界面剪应力的最大值均出现在筋材的拉拔端,而后沿着筋材减小并逐步稳定。土体中筋材在较高法向应力下表现出黏塑性状态,且应变水平较高,但位移值较小。与高法向应力相比,低法向应力下筋材的界面剪应力分布更加均匀。     

黏性土体干缩变形分布式光纤监测试验研究

土体变形监测是岩土工程监测中的一项重要工作,具有规模大、工程环境差异性大、实时动态监测等特点,因此,常规的一些点式监测手段已不能满足要求。布里渊散射光时域反射测量技术（BOTDR）是一项新型光电传感监测技术,它利用布里渊散射光的光谱和光时域测量技术,可对沿光纤的轴向应变进行分布式监测。应用这一技术对土体干缩变形进行了监测,并对土体干缩变形规律进行了分析,验证了该技术应用于土体变形监测中的可行性。     

岩溶塌陷光纤传感试验装置的标定试验

根据岩溶土洞(塌陷)变形演化特点,分析土体与传感光纤之间的力学关系,简化塌陷力学模型,加工塌陷模拟试验装置并进行试验。首先通过对光纤加载和卸载来模拟土洞形成过程顶板荷载的变化及分析传感光纤相应的变形和轴向应变特点,然后研究了土洞规模变化对光纤传感监测的影响。研究表明:在土洞形成过程中,因土洞规模和上覆土层荷载不一而导致的应力场的分布变化,以及不同光缆对应力场变化响应灵敏性的差异,是影响分布式光纤传感技术在岩溶土洞中应用的关键因子。文中所标定的光纤传感试验装置能较好地显示岩溶土洞形成演化过程中的应变变化特征,说明分布式光纤传感技术可应用于岩溶土洞的监测预警。      

基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究

在基坑开挖和支护过程中深部土体的水平位移监测是一项十分重要的工作。布里渊光时域反射计（BOTDR）是近年来国际上研发成功的一项新型的分布式光电传感技术。通过该技术,将传感光纤按照一定的工艺粘贴在埋置于土体中的测斜管上,由传感光纤实测的应变分布,可以实现深部土体水平位移的在线监测。通过室内的模型模拟试验,由实测的光纤应变可以准确地得到测斜管上任意一点的水平位移。结合南京市某深基坑进行的现场试验,探讨了基于BOTDR的分布式光纤传感器应用于基坑深部土体水平位移监测的具体施工工艺,验证了该技术在实际工程中应用的可行性。     

拉拔作用下土工合成材料在风化料-废弃轮胎橡胶颗粒轻质土中的变形行为研究

风化料-废弃轮胎橡胶颗粒轻质土密度小、透水性强,可以有效减小结构变形。然而筋材在此类轻质土中的变形规律尚不清楚。为此,本文考虑了不同的橡胶颗粒含量(10%、15%和30%)和不同的法向压力(30 kPa、50 kPa和100 kPa),基于自主研发的传感型土工合成材料(SEGB),开展了SEGB筋材的拉拔试验。SEGB具有拉敏效应,可以通过测试电阻变化确定自身应变,实现分布式变形测量。基于单向拉伸试验和直剪试验结果,分别建立了筋材全应力应变曲线的双线性本构模型和筋土界面作用的双曲线本构模型,并以此为基础推导了筋材在拉拔过程中的荷载传递方程。通过有限差分法求解该方程,得到了拉力、应变、位移和界面剪应力等指标在筋材上的分布情况。通过对比分析实验结果和数值计算结果,认为所建立的本构模型是有效的。橡胶颗粒含量对筋土界面的摩擦特性有影响,且存在最优值。拉力、应变、位移和界面剪应力的最大值均出现在筋材的拉拔端,而后沿着筋材减小并逐步稳定。土体中筋材在较高法向应力下表现出粘塑性状态,且应变水平较高,但位移值较小。与高法向应力相比,低法向应力下筋材的界面剪应力分布更加均匀。     

土层锚固体复合界面单元形式及力学效应研究

土层锚固技术在岩土工程中已得到越来越广泛应用。简单介绍了已有土层锚固界面单元形式的研究现状,分析了土层锚固界面层的特点,提出一种新的复合界面单元,该复合界面单元由接触单元和实体单元构成,其中接触单元作为锚固体与土体之间的滑动摩擦单元,实体单元体现锚杆拉拔时对周围土体的体胀特性。利用ANSYS数值模拟软件,将新的复合单元应用于锚固体与土体之间的界面层,模拟并分析锚杆拉拔时界面层的破坏特征,得到随荷载增大时界面层剪应力分布的变化过程,并将界面层的破坏分为3个阶段,即线性阶段、滑移扩展阶段、滑移阶段。通过土层锚杆原位拉拔试验,得到土层锚杆拉拔的荷载-位移曲线,分析曲线变化特征,并对数值模拟结果进行了验证。     

试验条件对土工格栅与膨胀土界面拉拔性状的影响

采用高密度聚乙烯（HDPE）单向土工格栅,以及南水北调中线工程新乡段的膨胀性泥灰岩风化土,在填土尺寸为600 mm×600 mm×600 mm的大型叠环式剪切试验机上进行一系列拉拔试验,研究了土工格栅与试验箱侧壁距离、拉拔速率、上覆荷载大小等试验条件因素对筋土界面拉拔性状的影响。结果表明：不排水条件下,土工格栅与试验箱侧壁的距离,对峰值拉拔力、界面强度与切向刚度的影响不大;拉拔速率较大时,拉拔力增长较快,其拉拔力峰值和界面强度较大;上覆荷载和拉拔力不同,格栅的变形量及筋土相对位移量不同,不同上覆荷载下界面摩阻力沿格栅埋入长度分布的非均匀程度不同,并可导致较小上覆荷载下界面平均摩阻力反而较大的反常行为。     

地面塌陷分布式光纤感测模型试验研究

突发性地面塌陷对城市安全构成巨大威胁,掌握塌陷土体变形过程对地面塌陷事故的预测预报至关重要。基于分布式光频域反射（optical frequency domain reflectometry,简称 OFDR ）和粒子图像测速（particle image velocimetry,简称 PIV）技术,开展了地面塌陷模型试验,研究了塌陷过程中土体沉降的时空分布规律,并探究了不同应变感测光缆锚固方式对光纤监测结果的影响。结果表明：光纤应变监测曲线准确地反映了不同塌陷阶段上覆土体的变形状态,揭示了土体内部应变的演化机制;在光缆上设置圆片锚板,可以有效增强光缆与土体界面的耦合变形程度;在一定的埋置深度下,随着锚板尺寸的增大,光缆与土体间的变形协调性越好。研究结果显示,分布式应变传感技术在地面塌陷变形监测中具有较好的适用性,为该类地质灾害的早期识别提供了一种有力的工具。     

分布式光纤应变测量技术在地质灾害防治中的应用

文章简要总结了光纤应变传感测量技术特点、应用领域及前景。对基于布里渊散射技术的分布式光纤应变测量技术（BOTDR）的工作原理、特点进行了详细阐述。以地质灾害监测实践为基础，分析了光纤应变分布和灾害体变形的对应关系。结果表明，将BOTDR技术应用于地质灾害监测中是可行的。文章还对BOTDR应用于地质灾害监测中的几个关键技术问题进行了系统总结。     

应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键问题探讨

在总结上世纪80年代以来岩溶塌陷监测预报方法的基础上,从岩溶塌陷自身特点和光纤传感技术监测原理出发,对目前光纤传感技术应用于岩溶塌陷监测预报急需解决的关键技术问题进行了探讨分析,主要包括环境温度影响、光纤敷设和预报模型建立三个方面。光纤本身的光学特性决定环境温度变化会影响光纤的变形测量,其解决办法主要是进行温度补偿和监测数据修正处理;光纤敷设,主要是解决光纤与岩土体同步变形问题,其办法是通过室内实验确定适宜的胶结剂和最优配比;建立光纤应变与岩土体变形的关系模型是应用光纤传感技术进行岩溶塌陷监测预报的关键,其解决办法为室内模拟实验。