采水型地裂缝发育演化模型试验研究

为了研究苏南地区采水型地裂缝成因演化机制,设计建成了抽水与潜山条件大型物理模型系统,运用光纤传感监测技术手段,模拟地裂缝演化进程,并对其分布规律、成因机制做出总结归纳。试验结果表明:（1）模型试验中光纤传感技术能够较为准确地对水位、应力-应变分布等参数进行监测;基于光纤传感技术的模型试验系统为地裂缝研究提供新的方法与手段;（2）岩土体张应力集中区与地裂缝发育位置基本对应,岩土体的张应力集中是判断地裂缝发育阶段的重要标志;（3）通过地裂缝走向玫瑰花图显示,模型平坦区地裂缝发育方向沿排水孔呈放射状分布;而潜山区域地裂缝发育具明显的方向一致性,且与潜山等高线平行;（4）地裂缝分布同时受抽水差异性沉降及潜山形态位置控制。     

物理模型试验光纤传感测试方法应用进展

室内模拟试验是岩土力学与工程地质领域科学研究的重要手段之一。光纤传感测试是一种高精度、实时性、分布式和并行式的测试技术,构建物理模型试验光纤传感测试方法,推动了模拟试验技术的进步,为现场工程可以提供更可靠的指导。本文列举了常用模型试验光纤传感测试技术,综述了岩土力学与工程地质在5个方面应用模型试验光纤传感测试的进展,并对光纤传感器的结构形式、温度补偿、传感器标定、布设工艺等应用关键问题进行了总结,探讨了光纤与模型材料变形同步、协调和相容的关系。表明基于光纤传感技术的多尺度、多源信息模型试验研究将成为未来岩土力学与工程室内试验的热点。     

应用于海洋环境和海洋工程的光纤传感技术

随着海洋经济的高速发展,加强海洋国防安全、提高海洋资源开发能力和保护海洋生态环境作为相辅相成的三个方面日益受到重视。有效的传感检测技术是保证海洋安全、高效资源开发、防止污染、维持生态平衡、实时监测等方面至关重要的技术,也成为当前海洋领域内研究的热点。基于光纤传感器相比较于传统电传感器的独特优势,本文从海防及民生安全、海底自然灾害预测、海洋能源有效勘探、海洋工程安全监控,及海洋环境在线监测等几个方面阐述适用于海洋环境的光纤传感技术原理、系统及特点,为光纤传感技术在海洋中的大力推广起到一个抛砖引玉的作用。     

基于BOTDR的地裂缝分布式光纤监测技术研究

地裂缝的监测是防治地裂缝危害的一项重要工作。本文采用基于BOTDR的分布式光纤感测技术对已有地裂缝和潜在地裂缝进行了分布式监测,详细介绍了BOTDR分布式光纤感测技术原理和地裂缝分布式监测方法,并以无锡杨墅里地裂缝作为监测点进行了现场试验研究。研究结果表明：基于BOTDR的分布式光纤感测技术可十分有效地对地裂缝的变形进行监测; 采用定点布设的方法,可提高感测光纤的监测精度和量程,测量精度可以达到0.1mm; 2m长的定点间距,量程可达30mm; 通过网格化铺设感测光缆,可对一定区域内的多条地裂缝进行监测; 在同一方向上,不同点距的结合,可提高地裂缝监测的定位精度。     

基于概率积分法的潜山型地裂缝空间预测方法研究

苏南地区锡北镇地裂缝灾害活跃,且为典型的基岩潜山型抽水沉降地裂缝。以无锡锡北镇杨墅里地裂缝为研究对象（31.703174°~31.705488°N,120.452707°~120.453410°E）,基于非连续介质理论,运用概率积分方法建立基岩潜山条件下的抽水沉降裂缝空间预测数学模型。运用该理论模型计算得出基岩潜山上覆岩土体的差异性沉降规律、地表倾斜程度及地表曲率变化规律,并指出地表倾斜程度与地表曲率为地裂缝易发位置的重要评价指标。将地裂缝空间预测数学模型计算出的沉降规律、地裂缝发生位置等结果与物理模型试验结果进行对比研究,结果显示：1）当W"（x）=0时,地表倾斜函数取得极值,此时x=±0.8 m,表明距模型左边界2.6 m与4.2 m处地表倾斜程度最大,差异性沉降最为明显。2）当W"'（x）=0时,地表曲率函数取得极值,x=0,表明在距模型左边界3.4 m处地表曲率最大,为拉应力集中位置。3）模型试验地裂缝集中发生2.4~2.6 m、3.3~3.5 m和3.9~4.2 m这3处;基于概率积分方法的潜山型地裂缝空间预测结果与物理模型试验结果基本一致。预测模型能够合理解释物理模型试验中潜山山腰及潜山山顶三处地裂缝的发生位置,验证了其正确性,为地裂缝空间预测方法提供了新的研究思路。

     

基于BOTDR的地裂缝分布式光纤监测技术研究

地裂缝的监测是防治地裂缝危害的一项重要工作。本文采用基于BOTDR的分布式光纤感测技术对已有地裂缝和潜在地裂缝进行了分布式监测,详细介绍了BOTDR分布式光纤感测技术原理和地裂缝分布式监测方法,并以无锡杨墅里地裂缝作为监测点进行了现场试验研究。研究结果表明:基于BOTDR的分布式光纤感测技术可十分有效地对地裂缝的变形进行监测;采用定点布设的方法,可提高感测光纤的监测精度和量程,测量精度可以达到0.1mm;2m长的定点间距,量程可达30mm;通过网格化铺设感测光缆,可对一定区域内的多条地裂缝进行监测;在同一方向上,不同点距的结合,可提高地裂缝监测的定位精度。     

基于分布式光纤传感技术的流速测量方法研究

简要介绍了分布式光纤传感技术的流速测量方法的主要仪器设备。在研究加热光纤与流水之间传热过程的基础上,推导了流速与光纤稳定温升、加热功率等参数之间的基于分布式光纤传感技术的流速测量方法的理论方程。设计了模型试验,对不同流速与加热功率下,光纤温升情况进行了试验研究。在试验数据分析的基础上,研究了静水与流水中光纤温升情况,结果表明：所有温升曲线都可以分为上升和稳定两个阶段,流水中的光纤温升明显低于静水中的光纤温升,两者的差值随着功率及流速的不同而不同。加热功率越大,两者温差越大;流速越大,温差越大。研究了加热功率对静水中光纤温升的影响,通过分析发现：静水中的光纤稳定温升与加热功率之间存在着良好的线性关系。重点分析了在一定功率下,流速与光纤稳定温升之间的关系,结果表明光纤稳定温升与水流速度呈非直线的反比关系。最后,对该方法进行了讨论,提出了下一步研究建议。     

基于分布式光纤传感技术的渗流监测理论研究

从阐述多孔介质传热过程出发,逐一分析了在非渗流及渗流情况下,光纤与多孔介质之间的传热过程,详细分析了光纤与水流对流的传热过程,推导了多孔介质中渗流水和光纤之间的换热系数计算公式。在一定假设条件下,推导了导热系数（渗流流速）、加热功率和温升的非渗流情况与渗流情况监测理论方程,为分布式光纤传感技术监测渗流的应用提供了坚实的理论基础。     

表水侵蚀地裂缝物理模型试验研究

地表水入渗侵蚀是地裂缝出露地表的一个重要诱发因素。肯尼亚裂谷区因其特殊的构造环境背景,降雨侵蚀地裂缝极其发育。本文以东非肯尼亚裂谷地裂缝为原型,建立了降雨侵蚀条件下隐伏岩土体破裂扩展出露地表的地质模型,通过物理模型试验揭示了地裂缝发育过程中土体内部水力侵蚀破坏的演化规律。试验结果表明：(1)表水侵蚀地裂缝可将其破裂扩展过程分为3个阶段：均匀入渗阶段,侵蚀掏空阶段、塌陷致灾阶段。(2)隐伏岩土体破裂的影响区域是表水入渗的优势通道,该区域水力侵蚀强烈。(3)当侵蚀塌陷形成时,土体内部含水率和孔隙水压力出现同步的陡变。土体内部含水率的突变反映了裂隙的发育以及局部塌陷的形成,从而可以揭示土体内部侵蚀塌陷的进程。此次基于表水入渗的物理模型试验研究可为地裂缝的监测防控提供科学理论支撑。     

基于分布式光纤应变传感技术的隧道沉降监测研究

隧道沉降是评估隧道结构安全性和稳定性的重要指标,通过分布式光纤监测技术,可以获得被测部位的应变分布情况,但不能直观地反映出隧道各个部位的沉降量大小。提出了基于分布式光纤应变的隧道沉降反演模型,将光纤应变曲线和隧道沉降曲线联系起来,并通过理论推导、数值模拟、室内试验,验证了模型的可行性。通过北京轨道交通新机场线07标暗挖区间分布式光纤监测项目,对隧道临时支护的破除阶段进行了监测,获得了不同工况下隧道拱顶处的应变曲线,并借助提出的隧道沉降反演模型,对隧道拱顶沉降进行了计算,计算结果和现场实测结果能够较好的吻合,其误差可以满足工程需要。研究结果可以为分布式光纤传感技术应用于隧道沉降监测提供理论与试验基础。     

基于光纤检测技术的夹泥灌注桩模型试验

将分布式光纤传感技术用于夹泥灌注桩定量检测。建立了加热光纤与桩身介质的单层圆筒壁一维传热模型,利用桩体中光纤的温升变化规律检测夹泥桩的含泥量。开展含泥量分别为0、33.3%、50.0%、66.7%、100.0%的夹泥桩光纤检测模型试验,确定合适的加热功率范围和加热时间,并对光纤传感器进行标定,研究不同夹泥桩中光纤温升变化情况和桩身介质导热系数,发现在相同加热功率下,随着含泥量增大,光纤温升速率变快、增加幅度变大。进一步分析表明,含泥量与桩身介质导热系数之间存在确定的线性关系,并推导出两者数量关系式。通过声波检测对比试验,分析了该技术的测量精度。结果表明,桩体含泥量大于10%时,光纤检测法的精度与声波检测法较为接近。通过以上研究,为定量检测灌注桩的完整性提供了一种思路。     

基于光纤传感技术的土工格栅变形及受力研究

光纤传感技术具有精度高、灵敏度高的特点,在变形测量方面具有独特优势。但由于缺乏有效的封装保护技术,目前将光纤传感器用于土工合成材料变形监测的应用和研究比较少。文章通过对光纤传感器的封装结构进行设计,较好地解决了光纤传感器与被测物体间的协调变形问题,并延长了光纤传感器的使用寿命。基于此封装结构,通过室内土工格栅加筋边坡模型试验,选取土工格栅的加筋层数及筋材的布设方式作为变量,研究了土工格栅在加筋过程中的变形及受力特性。研究结果表明:在垂直方向上,上层筋材的应变大于下层筋材的应变;在水平方向上,单层变形最大处位于加载点正下方范围内。增加加筋层数,能够使得各层格栅的变形得到分担,同时有效限制坡面的法向位移,尤其是坡面中上部分的法向位移;土工格栅能够显著提高边坡的极限承载力。通过对光纤传感器的研究,表明其能够灵敏监测被测物体的微小变形与受力,实际使用中较为稳定,验证了本文封装结构设计的可行性,弥补了传统测量方法的缺陷。     

基于光纤传感技术静压桩承载力时效性机理分析

在桩身预埋FBG（fiber bragg gating）光纤传感器,利用静压桩隔时复压试验的优势,观测开口PHC管桩的承载力、桩端阻力以及桩侧摩阻力随休止时间的变化情况。试验表明,桩极限承载力在沉桩结束一定时间范围内随时间大致呈对数型增长,沉桩284 h后提高幅度达140%,时效性系数为0.52;桩端阻力和桩侧摩阻力在休止期内的提高幅度分别为6.28%和475.37%,说明试验场地条件下试桩承载力的提高主要源于桩侧摩阻力。试验结果显示,桩极限承载力及桩侧摩阻力的发展符合3阶段增长模型,时间界点分别为21.5 h和279 h。研究成果可为基桩时效性研究及相关设计提供依据。     

基于分布式光纤技术的采动影响下覆岩变形演化规律试验研究

为了解决在实际工程中岩层变形难以用常规测试方法进行监测的问题,采用分布式光纤传感技术的布里渊频域分析技术(BOFDA)和布里渊频移(BFS)分析技术,根据现场的煤层采动过程,在试验室建立4 200 mm×250 mm×1 600 mm(长×宽×高)的采场覆岩模型,通过预埋于模型内部的4条水平传感光纤和5条垂直传感光纤,对模型开挖过程中的覆岩变形特征进行测试。将光纤测试结果与近景摄影数字图像处理技术获得的岩层位移进行对比,揭示了光纤频移值和岩层工作面来压及覆岩结构演化的对应关系,获得了基于光纤频移值的两带发育、演化范围的表征方法。研究表明,使用BOFDA分布式光纤技术监测采动覆岩活动特征与矿压显现规律是可行的,试验结果为分布式光纤测试技术在现场监测煤矿上覆岩层"两带"变形提供了理论依据与试验保障。     

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。     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

基于分布式光纤测试技术的大直径嵌岩桩承载性能研究

采用分布式光纤传感技术对赫章特大桥195 m主墩下的大直径嵌岩桩承载特性进行了系统的研究分析。首先采用室内模型试验验证了光纤技术在桩基测试中应用的可行性;然后通过现场埋设和施工过程中的数据采集、整理与分析,系统研究了大直径嵌岩桩的承载特性及其荷载传递机制;依托工程的实测变形量进一步证明了光纤测试技术的可行性和正确性。基于全分布式光纤传感技术的研究结果对大直径嵌岩桩理论及其工程应用具有参考价值,同时对光纤测试技术在桩基测试中的应用具有借鉴作用。     

基于光纤传感的石膏矿地面塌陷监测预警系统

近年来,江苏省邳州市北部石膏矿区发生了20多起采空塌陷灾害。由于传统的采空区地表土体变形监测方法均难以满足采空区地面塌陷监测超前预报的要求,为解决石膏矿区采空塌陷监测预警机制缺乏的问题,邳北石膏矿区开展了基于光纤传感技术的监测预警工作。根据前期调查分析和数值模拟等成果推导石膏矿地面塌陷机理,并采用光纤传感器对采空区上覆松散层底部含水层地下水位动态监测、深部岩土体位移监测及微震监测。在监测过程中,当水位变动幅度、岩土体位移突然超出正常波动值时或接收到较强震动信号时触发报警,在地面塌陷发生前期进行有效的预警,为防灾减灾工作提供充足的准备时间。通过监测预警工作的实施,验证了这些监测预警手段的有效性,可以为矿区地面塌陷地质灾害的监测、预报以及防治提供数据基础与科学依据,也可为石膏矿和其它类似条件的地面塌陷地质灾害防治和监测预警工作提供参考。