Исследования по распределенному волоконно-оптическому мониторингу и технологии раннего обнаружения сухой усадки и растрескивания грунта

Обзор

Освоение правил развития поля внутренних деформаций при развитии сухих усадочных трещин в грунте является важной предпосылкой изучения механизма образования сухих усадочных трещин в грунте. Однако традиционные методы мониторинга не могут получить характеристики деформации внутреннего грунта и не могут удовлетворить требования по сухой усадке грунта. Требования к исследованиям на растрескивание. Исследовательская группа Тан Чаошэна предложила новый метод усовершенствованного мониторинга процесса усадки и растрескивания почвы при высыхании, основанный на технологии распределенного оптоволоконного зондирования (DFOS-OFDR), и обнаружила, что прибор опроса DFOS-OFDR (OSI-S) может точно получить данные о почве. процесс высыхания и растрескивания. Пространственные и временные характеристики эволюции поля деформации во время развития усадочных трещин могут быть точно позиционированы, а образование трещин можно обнаружить заранее.

Процесс тестирования

Собранную глинистую почву сушили на воздухе, измельчали ​​и пропускали через сито с диаметром ячеек 2 мм. Затем почву смешивают с соответствующим количеством воды для достижения целевого содержания влаги около 69% (в 1,9 раза превышает предел жидкости) готового к использованию раствора. Затем грязь вибрируют на вибростоле в течение 5 минут для удаления всех пузырьков воздуха, а затем одну за другой выливают в формы из плексигласа длиной 500 мм, шириной 50 мм и высотой 50 мм. При прокладке оптического кабеля с натяжением необходимо сначала добавить 800 г жидкого раствора (высотой 20 мм) в форму из плексигласа и вибрировать до получения плоской поверхности. Натяжной оптический кабель помещается поверх раствора, а затем 400 г оставшегося раствора (высотой 10 мм) выливаются в форму и выносятся. Вибрируйте, чтобы удалить пузырьки воздуха. Стоит отметить, что два конца оптического кабеля в образце почвы не закреплены и могут свободно располагаться по мере усадки почвы. Натяжной оптический кабель полностью подключен к демодулятору DFOS-OFDR. Принципиальная схема устройства контроля, используемого в тесте, показана на рисунке 1. Испытание на сушку проводится при комнатной температуре 30±1 градус. Чтобы лучше фиксировать зарождение и развитие трещин в почве в процессе высыхания, использовалась цифровая камера для захвата изображений высокого разрешения каждые 5 минут с той же частотой, что и отбор проб с помощью опросного прибора DFOS-OFDR (OSI-S).

Рисунок 1 Принципиальная схема испытательного устройства

Результаты теста

Эволюция кривой деформации в зависимости от времени высыхания

На рисунке а показана пространственно-временная эволюция кривой деформации от 0 мин до 5500 мин сушки. По мере высыхания кривая распределения деформации постепенно меняется от недеформированного состояния к общему сжатому состоянию, а это означает, что образец имеет тенденцию уменьшаться в объеме из-за потери воды, тем самым сжимая оптический кабель внутренней деформации. На рисунке имеются две очевидные области сжатия (A1 и A2), где пики деформации находятся в диапазоне от -250 µε до -3000 µε (A1) и от -500 µε до -10000. με (А2). Испарение воды в образце начинается с поверхности почвы. По мере продолжения процесса испарения в порах между частицами почвы начинают образовываться водно-воздушные мениски, что приводит к усилению капиллярного всасывания и накоплению растягивающих напряжений. Когда накопленное растягивающее напряжение превышает предел прочности грунта, в грунте возникает усадочное растрескивание. С появлением первой трещины (4930 мин) появляется растягивающая деформация, а сжимающая деформация продолжает уменьшаться, а это означает, что после растрескивания грунта увеличение ширины трещины увеличит растягивающее напряжение на оптическом кабеле и создаст соответствующую растягивающую деформацию.

Рисунок 2. Эволюция морфологии почвенных трещин и пространственно-временная эволюция кривой деформации в процессе высыхания от 0 до 5500 мин.

Как показано на рисунке b, на кривой деформации имеется 4 пика деформации при 0,29 м, 0,36 м, 0,20 м и 0,10 м, которые полностью соответствуют положениям 4-х трещин. Пики деформации трещин 1, 2, 3 и 4 при 5500 мин составляют 8457,11 мкм, 3552,48 мкм, -719,67 мкм и -736,39 мкм соответственно. Соответствующие ширины трещин составляют 6,41 мм, 6,61 мм, 4,45 мм и 4,54 мм соответственно. Ясно видно, что более широкие трещины обычно соответствуют большим деформациям растяжения.

Раннее обнаружение сухих усадочных трещин в почве

Результаты, полученные в предыдущем разделе, показывают, что технология DFOS-OFDR позволяет точно определить местоположение трещины. Чтобы проверить, может ли предлагаемая технология обеспечить раннее обнаружение места зарождения усадочных трещин при высыхании грунта, были изучены изменения ширины четырех трещин и их деформированного состояния со временем высыхания. Эволюция напряженного состояния, полученного оптическим кабелем, может не только отражать усадку грунта до сухого усадочного растрескивания, но и отражать весь процесс расширения грунтовой трещины.

Чтобы дополнительно оценить, может ли технология DFOS-OFDR заранее прогнозировать растрескивание при усадке почвы при высыхании, в этом исследовании были предложены три параметра: Tm (время, когда растрескивание почвы обнаруживается с помощью DFOS-OFDR), Tc (полученное путем наблюдения невооруженным глазом или цифрового изображения). технология обработки) время растрескивания грунта) и ΔTp (заранее прогнозируемый интервал времени, определяемый как разница между Tm и Tc).

На рис. 3 показано изменение ширины трещины и деформированного состояния со временем высыхания. Первая трещина (Трещина 1) появилась на 4955 минуте, а DFOS-OFDR уже обнаружил возникновение трещин на 4930 минуте, что указывает на то, что технология DFOS-OFDR может обнаружить растрескивание при усадке почвы примерно за 25 минут. Аналогично, для трещины 2, трещины 3 и трещины 4 соответствующие значения ΔTp составляют 55, 40 и 40 минут соответственно. Точность демодулятора DFOS-OFDR (OSI-S) может достигать 1 мкс. Такая высокая точность позволяет DFOS-OFDR точно определять любую небольшую деформацию внутри почвы, позволяя заранее обнаруживать трещины в почве. Для каждой трещины время образования трещин, прогнозируемое технологией DFOS-OFDR, различно. Это связано с тем, что, хотя в тесте использовался относительно однородный раствор, он не может быть полностью однородным, что повлияет на распределение оптических кабелей внутри почвы. Это влияет на время выполнения раннего обнаружения.

Рисунок 3. Зависимость между шириной трещины и ее положением, деформированным состоянием.

Результаты эксперимента

Технология DFOS-OFDR может использоваться для мониторинга развития трещин сухой усадки на поверхности почвы и внутри нее. Кривая распределения деформации, полученная с помощью DFOS-OFDR, может точно отражать характеристики усадки грунта и положения зарождения трещин, а также получать взаимосвязь между шириной трещины и соответствующим состоянием деформации со временем высыхания, что может помочь в раннем обнаружении местоположения трещин. . По сравнению с традиционными методами дискретного мониторинга деформации, DFOS-OFDR представляет собой распределенную, неразрушающую, точную, эффективную и с высоким разрешением технологию мониторинга высыхания, усадочного растрескивания почвы и технологии раннего обнаружения. Применяется для исследования поверхности почвы и внутренних трещин сухой усадки. Обеспечьте надежную поддержку данных.