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。     

考虑结构性黏土应变软化效应的桩靴竖向承载特性研究

为评估桩靴在结构性较强的黏土场地贯入时,土体的应变软化效应对桩靴竖向承载特性的影响,首先采用VUSDFLD子程序定义结构性黏土不排水抗剪强度s_u随累积绝对塑性剪应变ξ的变化关系,使现行的耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian,简称CEL)数值分析方法能够模拟结构性黏土的应变软化效应。然后,基于改进后的CEL数值分析方法,分析土体灵敏度S_t、土体应变软化参数ξ_{9 5}及土体脆性参数β对桩靴上方土体回流及竖向承载特性的影响。结果表明：S_t、ξ₉₅及β均会对桩靴上方土体回流及桩靴竖向承载力产生影响,其中反映结构性黏土脆性特性的参数β影响最显著。与未考虑土体应变软化效应的情况相比,考虑结构性黏土应变软化效应的桩靴竖向承载力因子和极限孔穴高度明显偏低。此外,建立了桩靴在结构性较强的海洋黏土场地预压贯入时的归一化极限孔穴高度及桩靴深贯入竖向承载力预测公式,预测结果较合理。研究成果也可为实际工程中评估桩靴深贯入竖向承载力、预测桩靴最终贯入深度提供参考。     

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。     

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。     

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。     

考虑中主应力变化的原状黄土变形特性研究

为研究在高围压条件下考虑中主应力变化的原状黄土变形特性,利用西安理工大学真三轴仪对原状黄土进行了控制固结围压和中主应力b值的等b等p(p为球应力)剪切试验,试验给出了高围压条件下各主应变之间的关系,得到了不同高围压条件下的破坏应变与不同b值阶段的影响规律。结果表明：高围压条件下,所有b值阶段的ε₃均为膨胀变形;b=0.2为中主应变变形临界点,0≤b<0.2为中主应变膨胀变形,0.22)、小主应变的b值敏感度K(ε₃)和广义应变的b值敏感度K(ε_s)在b值为0～0.7之间均增长,0.7～0.9之间受b值变化影响减弱,0.9～1.0受b值变化影响最大。K(ε_v)基本在0～5范围内,说明在不同中主应力阶段破坏体应变受b值变化的影响程度较小。     

分布式光纤监测技术在三峡库区马家沟滑坡中的应用

针对传统感测技术的不足,本文开展了滑坡分布式光纤感测技术(DFOS)研究。对当前主要的几种DFOS技术及其相关原理做了简单的介绍,重点阐述了分布式传感光纤在三峡马家沟滑坡的布设方式。根据马家沟滑坡的工程地质环境特点,在抗滑桩内布设应变和温度感测光纤;沿坡体走向,采用直埋和定点相结合的方式开槽植入感测光纤;沿坡体纵向,在不同高程设置光纤综合监测孔,将分布式感测光纤粘贴于测斜管外壁和直埋于测斜孔内,同时在孔内布设FBG准分布传感器。监测结果表明:各类应变传感光纤均有效识别和定位了边坡表面变形的异常位置,证明了DFOS技术应用于滑坡监测的优越性。     

基于分布式光纤传感技术的采动覆岩变形监测

采用基于布里渊背向散射的分布式光纤传感技术（BOTDR）,监测煤层采动过程中覆岩的变形情况。以淮南矿区某工作面为例,在煤层开采之前,通过钻孔安装工艺将分布式传感光缆植入到覆岩中,然后进行封孔注浆,使传感光缆与围岩变形协调。随着工作面的逐步推进,通过获取和分析传感光缆的应变分布特征及其动态变化过程,得到了煤层采动过程中覆岩的变形及破坏状态。最大拉应变位于孔深5m处,应变量是8350με;最大压应变位于孔深37m,应变量约为-550με。光缆应变与地层具有很好的对应关系,在岩性相对较软的地层（如泥岩）中,拉应变值相对较大,而在岩性相对较硬的地层（如砂岩）中,应变量较小且多为压应变。根据光缆的应变分布得到的沿钻孔方向地层的最大变形量为34mm,巷道围岩松动圈范围约为6m。研究结果表明,BOTDR分布式光纤传感技术能够准确地获取覆岩的变形分布及其变化情况,该技术的应用可以为深部煤层的安全高效开采提供可靠的依据。     

徐水县北楼村漕河地裂缝形成机理及其演化

依据现场调查、工程探测和室内测试分析,探讨了徐水县北楼村漕河地裂缝的形成机理和演化过程。北楼村漕河地裂缝沿河道发育,属张性拉裂缝,呈现逐年向上游、下游扩展的趋势。地裂缝的发生主要是由当地超量开采地下水引起的。特别是农田灌溉机井的大量抽水,使第四系松散层地下水水位急剧下降,水力坡度加大,含水砂层发生渗透变形,砂层被淘空,导致漕河两侧地表沉降。而相比于河道两侧,河道内地表沉降量小,致使河道中心土体中产生次生拉张应力,形成地裂缝。因而,有必要进一步研究地裂缝的灾害效应,为地裂缝灾害的预测防治提供科学依据。     

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。     

中拉萨地块晚白垩世曲桑格勒花岗岩的成因: 地球化学、锆石U-Pb年代学及Sr-Nd-Pb-Hf同位素的约束

目前关于班公湖-怒江缝合带的构造演化时限及俯冲方向仍存在较多争议.中拉萨地块北缘发育众多白垩纪岩浆岩,是认识拉萨地块白垩纪时期的岩浆成因机制和构造动力学过程的有效探针.在对尼玛县曲桑格勒花岗正长岩体详细的野外地质调查基础上,对其岩相学、地球化学、锆石U-Pb年代学及Sr-Nd-Pb-Hf同位素特征开展了综合研究.曲桑格勒花岗岩的地球化学特征显示其具有较高的SiO₂（75.23%~77.66%）、总碱（K₂O+Na₂O）（8.41%~8.94%）含量,低A1₂O₃（11.96%~12.38%）、CaO（0.18%~0.55%）含量,里特曼指数（σ₄₃）为2.05~2.33,铝指数（A/CNK）为0.99~1.03;富集大离子亲石元素（LILE）如Rb、Th、U、K、Pb,亏损高场强元素（HFSE）如Nb、Ta、P、Ti;轻稀土元素（LREE）富集,重稀土元素（HREE）相对亏损,轻重稀土分异偏低（LREE/HREE=2.42~5.00）,呈现典型的“海鸥型”配分模式,具有强烈的负Eu异常（δEu=0.048~0.078）,无明显Ce异常（δCe=0.739~1.471）.锆石饱和温度计算结果显示曲桑格勒花岗岩的结晶温度为763.50~850.65℃,平均795.2℃,这些特征与A型花岗岩相符.通过LA-ICP-MS方法测得正长花岗岩锆石206Pb/238U年龄加权平均值为101±1 Ma（MSWD=0.45）,表明曲桑格勒花岗岩的岩浆作用发生在晚白垩世早期,具有正的ε_Hf（t）值（4.44~5.85）,一阶段、二阶段模式年龄分别为536~592 Ma、702~781 Ma;（87Sr/86Sr）_t为0.706 2~0.710 6、（143Nd/144Nd）_t为0.512 315~0.512 441、ε_Nd（t）为-6.27~-3.82,（206Pb/204Pb）_t为18.653~18.794、（207Pb/204Pb）_t为15.709~15.731、（208Pb/204Pb）_t为38.960~39.100;构造环境判别图解显示其具有拉萨地块与羌塘地块后碰撞阶段上地壳的变质泥质岩部分熔融的特点,因此曲桑格勒花岗岩应该是碰撞后伸展阶段岩浆活动的产物.结合区域构造演化历史认为曲桑格勒花岗岩源自加厚的拉萨地块中上地壳,受减薄减压效应影响深部前寒武纪变质基底发生部分深熔作用,形成具有以上地壳为主要岩浆源特点的A型花岗岩.      

硬脆性流纹岩变形分析的综合刚度法

天然岩石在压缩荷载作用下内部裂隙的闭合、张开、扩展过程直接影响岩石的力学性能。在经典移动点回归法的基础上,引入泊松比进行修正提出了一种6阶段变形划分方法——综合刚度法。不同加载路径下流纹岩的单轴压缩试验结果分析表明:（1）采用综合刚度法可以准确获得硬脆性岩石试样接触应变ε₀、裂隙闭合应变ε_c、弹性应变ε_e、裂隙稳定扩展应变ε_i、裂隙不稳定扩展应变ε_d和峰后应变值ε_f;（2）单轴压缩下流纹岩试样裂隙闭合应变达到峰前总应变的44.2%,峰前裂隙扩展应变和峰后应变均较小,脆性特征明显;（3）单轴压缩弹性阶段加卸载试验表明,采用综合刚度法能更准确剔除试样接触应变,获得裂隙闭合应变。综合刚度法更加适用于硬脆性岩石的变形分析,可以准确剔除试样接触应变并获得更准确的各阶段应变,特别是裂隙闭合应变,可以作为评价岩石内裂隙密度的定量参数。     

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。     

地铁深基坑开挖效应土体小应变参数敏感性分析——以厦门地区为例

小应变硬化模型（HSS）可以同时考虑土体剪切硬化和压缩硬化,以及土体剪切模量在微小应变范围内随应变衰减的行为,因此在深基坑开挖数值分析中具有很好的适用性。为研究厦门地区土层HSS模型刚度参数E₅₀ref,G₀ref和γ_0.7对深基坑数值分析结果的敏感性,基于敏感性分析和正交试验原理,选择厦门地区典型土层残积砂质黏性土、粉质黏土和淤泥质土,以坑外地表沉降值及围护墙的最大弯矩值作为控制指标,分别进行了单一控制土层的参数敏感性研究。结果表明:要在深基坑数值分析中精确计算地表沉降和围护墙弯矩,最重要是控制好土层G₀ref的取值,其次是E₅₀ref,而γ_0.7的影响相对小一些;随开挖深度加深,G₀ref对地表沉降的影响逐渐降低,E₅₀ref和γ_0.7的影响有所提高;E₅₀ref对围护墙弯矩的影响随开挖进行有所降低,G₀ref和γ_0.7的影响则有增大趋势,其中G₀ref相对较明显。土体小应变行为对于基坑施工效应有重要影响,在相关设计和施工中应予以重视。分析结果可为深基坑有限元分析中获得更合理的地层变形和结构内力响应提供有益参考。     

使用BOTDR技术进行隧道监测的光纤护套效应

基于BOTDR的布里渊应变监测技术已在岩土工程领域得到了初步的应用,但一系列的试验及工程应用表明,不同类型的光缆得到的测试结果呈现较大的差别性,原因就是光纤护套效应。以BOTDR的光纤应变监测技术为基础,并通过精准定位(温度刺激)、应变测量范围(漂移量)及温度测量等一系列试验,对新型应变光缆、套装光缆以及铠装光缆的工程性能进行了对比试验研究,得到了光纤护套效应对巷道监测结果的影响,甄别了适用于不同工程应用的光缆类型,并保证监测结果与实际变形及温差变化的一致性。这些研究工作初步解决了使用BOTDR技术进行巷道应变监测的光缆选型的问题,为基于BOTDR的应变监测技术的工程应用提供了理论基础。     

基于振动台试验的抗滑桩加固斜坡桥基研究

基于工程实践中研究斜坡桥基抗震加固的需要,设计并完成前后排抗滑桩加固滑坡桥基的振动台模型试验。通过加载不同频率、加速度峰值的正弦波,分析振动时桥墩基桩、抗滑桩的受力变形规律,探讨滑坡破坏发展过程和动力响应特性。试验结果显示,前后排抗滑桩均应与桥基保持合理距离,有利于桥墩基础的受力变形;受桥梁上部结构的动力影响,桥墩基桩应变沿桩深衰减,衰减速度与土体抗力相关;当后排抗滑桩开裂后,桩身应变骤降,桩后土压力出现卸荷效应,但抗滑桩仍有潜在的承载能力,同时滑坡从稳定性最差的区域开始破坏,逐渐产生频段耦合效应,在后排抗滑桩达到承载极限前,频段耦合效应显著,达到承载极限后,卸荷效应显著。     

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。      

冻结粉土动强度的荷载效应及长期极限动强度

荷载效应包括速率效应和疲劳效应两部分．速率效应使冻土的动强度和退荷回弹动弹模随应变速率加快而提高;疲劳效应使冻土的动强度随振频增加而下降,但在低应变速率下却使动强度略有提高．在高应变速率下动强度大于静强度,在低应变速度下动强度小于静强度,其间存在一个临界应变速率．通过动强度－破坏振次关系,可确定长期极限动强度．     

北京宋庄地裂缝灾害特征及影响因素分析

近年来由于北京市平原区地裂缝灾害凸显,不仅加速地表水土流失,而且对灾害区基础设施建设造成严重影响。为分析地裂缝形成原因,缓解及减轻地裂缝灾害造成的经济、财产损失,本文以新发现的宋庄地裂缝作为靶区,通过地质调查、InSAR监测、槽探、钻探等方法,揭示了宋庄地裂缝空间发育特征,从地质构造、地层岩性、地面沉降等方面,深入分析成因。结果显示:（1）宋庄地裂缝影响长度达8.7 km,NEE向延伸,受灾体主要展现出拉张形变;（2）区域拉张应力场为宋庄地裂缝形成提供内动力条件,构造影响下的第四系沉积厚度差异及地层岩性不均一,为宋庄地裂缝形成提供重要地质背景;（3）南苑-通县断裂为宋庄地裂缝形成提供了应力积累和传递媒介;（4）地下水超采引发的土体水平、垂向变形是地裂缝形成的诱发条件。受基底伸展变形、隐伏断裂及地下水开采影响,土体发生水平及垂向变形,使得在非饱和带断层区附近形成拉应力集中区,当达到土体抗拉强度时,形成盲裂缝,在雨水侵蚀或潜水位回升作用下,扩展至地表形成裂缝及串珠状土洞。     

削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究

采用高空间分辨率的PPP-BOTDA光纤感测技术,研发出一种适合于土体变形监测的特种感测光缆。通过水平向和垂直向感测光缆植入,对边坡模型在坡顶局部加载和削坡过程土体内部变形场进行了分布式监测,获得了荷载和削坡作用下坡体变形场的分布规律,并对边坡模型进行了有限元数值分析和计算评价。分布式光纤感测技术监测结果表明:在坡顶局部加载作用下土体水平向拉张变形最大值发生在坡体中部,这与数值模拟结果一致;但在削坡作用下,坡体水平向拉张变形最大值发生在坡体上部,表明削坡作用改变了边坡模型的变形规律,上层土体在坡顶局部荷载作用下易发生倾倒变形。研究结果也表明,作者研制的特种感测光缆具有良好的感测性能,可以对土体变形场进行准确有效监测。