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R^2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。

分布式光纤传感技术在采煤塌陷残余变形监测上的应用

文章针对采煤塌陷区深部岩土体分层变形监测的难题,介绍了分布式光纤感测技术原理及测试方法,并通过工程试验,验证了该方法应用于采空区残余变形监测的可行性。结果表明:分布式光纤感测技术应用于采煤塌陷残余变形具有明显的优势,不仅可以监测地层的沉降变形大小,还可以精确定位深部变形岩层的层位和深度;根据光纤应变测试曲线可对被测岩土层进行分层,划分出采煤塌陷"三带",即冒落带、导水裂隙带和弯曲沉降带。

地下连续墙受力变形光纤监测与数值模拟研究

地下连续墙是一种常见的深基坑支护方式,具有刚度大、防渗性能好、适应范围广等优点,但其受力变形规律较为复杂。基于超弱光纤光栅感测技术,对某地铁车站基坑地下连续墙水平位移进行实时监测。将监测数据与数值模拟结果进行对比,验证了数值分析模型选取的合理性,并基于该数值分析模型研究了不同厚度软土层中,地下连续墙水平位移的变化规律,通过墙体位移梯度(D_(w))和软土位移梯度(D_(r))进行临界厚度比计算。研究结果显示:水平位移随软土厚度的变化呈“凸肚”状,沿深度方向划分为相对稳定区、线性增长区、最大变形区和线性下降区。利用D_(w)和D_(r)标定出临界厚度比为0.24;土压力变化在基坑前四步开挖过程中较为稳定,而在第五步开挖与施工后40 d变化显著。上述研究结果为类似工程的设计、施工和监测方案的制定提供了重要参考。

基于密集分布式光纤光栅感测技术的基坑底部隆起研究

依托上海地铁轨道交通某地铁站工程,采用密集分布式光纤光栅感测技术(FBG)对深基坑开挖中坑内土体隆起、基坑上部结构沉降和中心立柱桩变形问题进行了研究,建立了基坑隆起剖面的光纤监测系统,获得基坑底部土体多场多参量随时空的变化。监测结果表明:FBG监测技术可以实现基坑开挖全过程的监测,能够获取从下到上不同深度处的土体的隆起量。基坑在开挖后,由于卸荷与土体的应力释放,底部土体的隆起会呈现中间大两侧小的现象,上部结构监测中也验证了这一点,布设在混泥土支撑上与中心立柱同一竖直方向的静力水准相较于两侧的静力水准产生了相对的隆起量。研究成果为实现基坑隆起的智能监测提供了技术支持,为基坑开挖的安全评价提供了参考依据。

边坡全维度监测技术与模型试验研究

中国是世界上地质灾害最严重的国家之一,其中滑坡常年位于各类地质灾害首位,因此对滑坡灾害进行深层次的研究至关重要。边坡工程常常会受到人类工程活动与自然地质作用叠加效应的影响,从而增加了对边坡变形失稳机理的科学认知难度。为精准掌握边坡状态信息与变形失稳过程,可通过建立全维度的监测体系以实现边坡状态信息的动态解译与表征,据此获得更加精准、可靠、直观的边坡稳定性评价依据。文章围绕边坡破坏模式及典型边坡监测技术,在厘清边坡变形演化过程的基础上,对边坡“天—空—地—体”一体化监测技术体系进行了全面分析;概述性总结了基于DFOS的边坡监测技术,重点阐述了基于DFOS的边坡多源多场监测研究思路与实施路径;系统性梳理了基于典型监测技术与DFOS技术的边坡物理模型试验研究过程与结果,以期为开展边坡加固方案设计与防灾减灾控灾提供重要的参考依据。

分布式温度感测技术在金坛地区地层导热性能评价中的应用

为了确定常州市金坛地区地下热物性系数,为浅层地热能的开发提供理论依据,基于线热源理论将分布式温度感测技术(distributed temperature sensing,DTS)与现场热响应技术(thermal response test,TRT)相结合,利用分布式热响应试验(distributed thermal response test,DTRT)及主动加热光纤的热响应试验(active heating optical fiber thermal response test,ATRT),对该地区不同深度地层的导热系数进行了监测计算和分析评价,并比较了不同技术的监测结果。试验结果表明:基于DTS技术的DTRT相比于传统TRT,可以实现各土层导热系数的分布式测试;ATRT计算得出的各层导热系数分布趋势与DTRT趋势大体相同,证明了将ATRT应用到导热系数的测试中的可行性。并且,相比TRT和DTRT,ATRT耗时更短耗能更低的优势,这也使得ATRT技术在地温场监测中具有较大的潜力。

基于分布式光纤感测技术的苏州盾构隧道管片变形监测分析

随着我国城市化进程的加快,地铁盾构隧道以其经济优势以及对城市地面交通影响小等特点,成为了解决城市道路拥堵的一个重要途径。然而,随着服役时间的增加,隧道本身会出现各种不同程度的变形破坏问题,需要及时全面监测、诊断及维护。文章阐述了分布式光纤感测技术的监测优势,详细介绍了分布式光纤感测技术在盾构隧道监测中的监测内容、监测方案。以苏州地铁2号线盾构隧道管片变形监测为例,监测结果表明:在盾构管片变形最大的施工期,盾构隧道的变形问题更多的集中在管片接缝处,管片本身的变形远小于管片接缝处变形,应变异常区域往往提示管片伸缩缝变形过大或渗漏水处。光纤传感技术在隧道监测中具有广泛的应用前景。

分布式光纤感测技术在成都地区旋挖成孔灌注桩桩身内力测试中的应用

采用布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术(BOFDA)在单桩竖向静载荷试验的同时对旋挖成孔灌注桩进行桩身内力测试,通过测试得到桩身轴力分布、桩侧摩阻力分布及桩端阻力的大小及分布规律,为优化基桩设计和指导基桩施工提供技术依据和建议。文章的研究成果表明,成都地区软岩中旋挖成孔灌注桩按嵌岩桩设计严重低估了侧摩阻力的作用,有很大的优化空间。

深基坑支护桩布里渊光时域分布式监测方法研究

支护桩是深基坑支护结构中的关键组成部分,其支护效果直接影响到深基坑的稳定性,因此对支护桩应力应变状态的监测十分重要。该文选择了一种能够单端测量的分布式光纤感测技术—布里渊光时域反射计(简称BOTDR),将其应用于深基坑支护桩的变形监测,介绍了这一技术的基本原理、需解决的关键问题及实施技术路线,并结合南京某深基坑工程,验证了这一技术方法的监测效果。结果表明,基于BOTDR的监测方法可以对深基坑支护桩进行全分布式监测,方法可行,结果准确,为深基坑支护桩监测提供了一种新的技术手段。

地面沉降分布式光纤监测土–缆耦合性分析

地层、钻孔回填材料和传感光缆之间的耦合性是决定地面沉降钻孔全剖面分布式光纤监测精度的关键因素。提出了地层-钻孔回填材料-传感光缆耦合性的明确定义和地层变形光纤监测数据有效性的评价方法。地层、回填材料和传感光缆达到完全耦合应满足两个条件:地层-回填材料界面与回填材料-传感光缆界面剪应力均不能超过其抗剪强度;地层应变能有效地传递至纤芯。提出了回填材料与传感光缆处于黏结状态的临界围压与临界深度;传感光缆弹性模量、半径或最大应变梯度越小,则临界围压或深度也越小;当回填材料、传感光缆及其界面参数确定时,临界围压或深度仅与最大应变梯度有关。基于经典应变传递模型与Goodman假设建立了地层-钻孔回填材料-传感光缆应变传递模型,并研究了传感光缆、回填材料以及地层性质对应变传递特性的影响,结果表明:传感光缆半径和弹性模量、钻孔半径、地层剪切模量越小,或回填材料剪切模量、地层-回填材料界面黏结系数越大,则应变传递性能越好;围压对应变传递特性的影响则取决于回填材料与地层参数之间的相对关系。最后,采用苏州盛泽地面沉降光纤监测数据验证了该评价方法的有效性。研究结果为钻孔地层剖面的全剖面、精细化分布式光纤监测提供了理论依据。

分布式光纤探测地裂缝的理论基础探讨

地裂缝监测是科学认识其成灾机制并进行灾害防治必不可少的工作。高空间分辨率分布式光纤感测(DFOS)技术的发展及其在地质和岩土工程监测中的应用,为地裂缝的精细化探测提供了技术支撑。本文探讨了DFOS技术探测地裂缝的理论基础。以地裂缝形成过程中土体的张拉破坏模式为例,结合传感光缆应变的特点,提出了基于线应变的地裂缝形成判定准则:Rs=ε3/εt(其中,εt为土体的极限拉应变,ε3为最小主应变)。当Rs小于1时,最小主应变小于极限拉应变,土体未发生张拉破坏;当Rs大于1时,土体发生张拉破坏,地裂缝形成。在此基础上,对DFOS探测地裂缝过程中存在的空间分辨率效应、传感光缆-土体界面效应、应变局部化效应、温度效应和应变传递效应及其对策进行了分析和讨论。在实际应用中需针对不同的地质条件和监测需要,对这些效应进行分析和处理,以提高监测结果的准确性。

从岩土体原位检测、探测、监测到感知

本文阐述了岩土体原位观测的重要性,简要回顾了岩土体原位观测技术的演化历史,将观测技术分为5类,即测量、遥测、检测、探测和监测,并分别讨论了这5类观测技术的特点与不足;据此,进一步阐述了岩土体多场感知的概念,重点讨论了多场感知技术的内涵与特点,认为时空连续的岩土体感知技术是地质与岩土工程原位观测的一个新范式;最后,简要介绍了实现岩土体多场感知的分布式光纤感测技术及其应用。

保压蜗壳外围混凝土应变及脱空分布式光纤监测

采用基于PPP-BOTDA分布式光纤应变感测技术,将特制的感测光缆安装到水轮机保压蜗壳表面及外围混凝土内,对充水试验和保压卸压过程中蜗壳结构的应变分布和变化进行监测,实测光纤应变量与计算结果接近。当充水试验加压到2.6MPa和4.1MPa时,钢蜗壳表面的环向平均实测应变分别为330με和590με。感测光缆有效监测到了蜗壳在首次加压到1MPa时的应力调整现象,以及卸压后约-20με的残余应变。试验中还观察到了卸压后外围混凝土的收缩,混凝土结构环向压应变约为70~100με,计算得到蜗壳和混凝土脱空的隙缝开度为0.5~1.4mm,监测成果可为蜗壳结构的设计优化提供参考。

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。

边坡多场光纤神经感知与安全保障体系

人类工程活动往往易引发边坡灾害,进而对施工人员安全与工程进度产生重要影响。为获取边坡实时状态信息,基于光电联合监测技术,开展边坡变形、温度、渗流及地电等多场光纤神经感知研究,精准掌握边坡时空连续状态。通过引用物联网、大数据、人工智能等技术,对多场信息进行数据清洗、关联挖掘、聚类分析,挖掘出影响边坡稳定性的控制因素,分析各控制因素的叠加效应,在此基础上建立集异常感知、信息传输、数据处理、决策预警为一体的边坡多场安全保障体系,对边坡潜在风险进行识别、评估及预警,进而作出科学决策并实施应急预案,为保障边坡工程安全与防灾减灾提供参考依据。

基于蒸发增强型DTS技术的管道常温液体渗漏监测试验研究

管道渗漏的实时监测和渗漏点的精准定位对保障排水管道安全运行具有重要作用。为了弥补常规管道渗漏监测方法存在的不足,基于分布式温度感测技术,在蒸发式湿度测量原理的基础上提出了一种蒸发增强型分布式温度传感(EEDTS)监测法。通过室内试验研究了EEDTS光缆对管道常温液体渗漏监测的可行性,并探究了风速和湿度对监测结果的影响。试验结果表明:采用EEDTS法监测管道渗漏具有良好的可行性,当环境湿度为38%RH~73.9%RH时,实测温差为2.46~5.13℃,且风速大的环境形成的温差会更大,更有利于管道渗漏的识别。该方法简单易行,具有体积小、抗电磁干扰、分布式、实时监测等优点,为管道常温液体渗漏的监测提供了新的思路。

采动覆岩变形分布式光纤物理模型试验研究

采动覆岩变形破坏对开采巷道的安全构成威胁,同时易造成地面塌陷,对地面构筑物的安全和地质环境产生影响。因此,对煤层采动覆岩变形进行监控,具有重要的现实意义。论文针对煤层采动覆岩变形破坏的一般规律,利用分布式光纤感测技术,开展了采动覆岩变形物理模型试验研究。采用将感测光缆竖直植入物理模型内部的布设方法,获得了煤层采动过程中覆岩变形分布式监测结果。将光纤测试结果与常规近景摄影结果进行对比,结果基本吻合;同时,揭示了采动覆岩变形破坏规律和覆岩离层的演化过程。利用经验公式计算得出"导高"均值约为30.6cm,这与光纤监测数据分析估算得到的30cm基本一致。试验结果表明:将分布式光纤感测技术引入采动覆岩破坏模型试验是可行且准确的,为以后的相关研究提供了一种新的思路与方法。

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆之间的耦合性,是决定分布式光纤感测（DFOS）技术能否利用一个钻孔精细化监测钻孔地层剖面变形分布的关键。利用自主研制的可控围压光缆–土体相互作用特性试验装置,探究了0～1.6MPa围压下传感光缆与松填砂土以及击实砂–黏混合土之间的耦合性。试验与理论分析结果表明：在拉拔状态下,光缆–土体界面呈现渐进性破坏特征;在低围压下,光缆轴向应变随拉拔位移的增大而增大,且不断向光缆尾部传递;在高围压下,应变的扩展与传递被限制在很小的范围内;理想弹–塑性拉拔模型可较好地描述光缆–土体界面的渐进性破坏特性。提出采用光缆–土体耦合系数ζc–s定量描述光缆与土体之间的耦合性,将10000με下的ζc–s值作为评价长期监测条件下两者耦合性的指标,并根据0.5,0.75,0.9三个ζc–s值将两者的耦合性分为强、较强、较弱以及弱4类。一定围压下,光缆与土体具有强耦合性;对于松填砂土与击实砂–黏混合土,该临界围压值分别为0.55 MPa与0.17 MPa。以苏州盛泽地面沉降为例,分析了钻孔回填料与传感光缆之间的耦合性,结果表明：距地表约16 m深度以内两者具有较强耦合性;而约16m深度以下两者具有强耦合性,传感光缆的应变数据可准确反映地层的变形。这一研究成果为DFOS技术应用于钻孔剖面地面沉降监测提供了坚实的理论依据。

一种海上风电大直径超长钢管桩的内力测试方法

桩身内力是静载试桩研究中一项重要的测试参数,对工程设计的优化、施工工艺的选择起到至关重要的作用,关系到工程成本、工程安全。对于复杂的海上风电大直径超长钢管桩的内力测试,传统的方法存在传感器成活率低、测试间断、精度差等缺陷,因此引入了基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术--BOFDA法。通过实例验证,该方法测试数据连续、测试距离长、抗干扰能力强,分析得到的侧摩阻力可作为优化桩长的重要依据,为相关测试研究提供参考与指导。

基于Si-DTS的砂性土渗流量监测试验研究

为了改善分布式光纤在监测砂性土渗流时存在的对周围土体温差较小、渗流量较小的地方无法监测,以及测量精度低等不足,提出了一种基于硅橡胶加热光缆的分布式温度光纤感测技术(Si-DTS)。首先分析了该监测方法的基本原理;然后,设计了砂性土渗流模拟试验装置,并对砂性土中不同渗流量下的渗流场进行了室内试验。通过试验确定了Si-DTS实测温度与渗流量之间存在的线性关系,证明了采用硅橡胶加热光缆能够有效地提高DTS监测的敏感性,可实现结构渗流量的分布式监测。后续又设计了模拟渗流装置以及监测方案,对砂性土中不同渗流量进行了模拟试验研究,得到了温度介值与渗流量之间的相关性。最终,提出了砂性土中渗流量定量监测的方法。