概述

掌握土體干縮裂隙發(fā)育過程中內(nèi)部應(yīng)變場的發(fā)育規(guī)律，是研究土體干縮裂隙形成機理的重要前提，但常規(guī)監(jiān)測方法無法獲得土體內(nèi)部的變形特征，無法滿足土體干縮開裂研究的要求。唐朝生課題組提出了一種基于分布式光纖傳感技術(shù)（DFOS-OFDR）的土體干縮開裂過程精細化監(jiān)測新方法，發(fā)現(xiàn)DFOS-OFDR解調(diào)儀（OSI-S）能夠精確獲得土體干縮裂隙發(fā)育過程中應(yīng)變場的時空演化特征，實現(xiàn)裂隙的精準定位，并能提前感知裂隙的形成。

測試過程

將取回的黏性土自然風干研磨，并通過一個2mm篩。隨后將土與適量水混合，使待用泥漿的目標含水率達到約69%（液限的1.9倍）。然后將泥漿在振動臺上振動5分鐘以去除所有氣泡，然后逐次倒入長500mm、寬50mm、高50mm的有機玻璃模具中。應(yīng)變光纜布設(shè)是先將800g漿液（20mm高）加入有機玻璃模具中，并進行振動以獲得平面表面，應(yīng)變光纜放在泥漿頂部，然后將400g剩余的泥漿（10mm高）倒入模具中，并進行振動以去除氣泡。值得注意的是土樣中光纜的兩端是不固定的，可以隨著土體的收縮自由沉降。應(yīng)變光纜全程連接在DFOS-OFDR解調(diào)儀。試驗使用的監(jiān)測裝置示意圖如圖1所示。干燥試驗在室溫30±1℃下進行。為了更好地捕捉干燥過程中土體裂隙的萌生和發(fā)育，用數(shù)碼相機每5min進行一次高分辨率圖像的拍攝，頻率與DFOS-OFDR解調(diào)儀（OSI-S）采樣相同。

圖1 試驗裝置示意圖

測試結(jié)果

3.1 應(yīng)變曲線隨干燥時間的演變

圖2a顯示了干燥0min到5500min的應(yīng)變曲線的時空演化過程。隨著干燥的進行，應(yīng)變分布曲線由未變形狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎w壓縮狀態(tài)，這意味著試樣由于失水而有體積收縮的趨勢，從而擠壓內(nèi)部應(yīng)變光纜。圖中存在兩個明顯的壓縮區(qū)域（A1和A2），其中應(yīng)變峰值從-250 με 到-3000 με（A1）和-500 με到-10000 με（A2）。試樣中水的蒸發(fā)是從土體表面開始，隨著蒸發(fā)過程的持續(xù)，土顆粒之間的孔隙開始形成水-氣半月板，從而導(dǎo)致毛細吸力的增加和張拉應(yīng)力的積累。當累積的張拉應(yīng)力增加超過土體抗拉強度時，土體便會出現(xiàn)干縮開裂。隨著第一道裂隙的出現(xiàn)（4930min），拉應(yīng)變出現(xiàn)并壓應(yīng)變繼續(xù)減小，這表示一旦土體開裂，裂隙寬度的增加會增加光纜上的拉應(yīng)力，并產(chǎn)生相應(yīng)的拉應(yīng)變。

圖20~5500 min干燥過程中土體裂隙形態(tài)的演化及應(yīng)變曲線時空的演化

如圖2b所示，應(yīng)變曲線上在0.29m、0.36m、0.20m和0.10m四個位置上有4個應(yīng)變峰值，與4道裂隙的位置完全吻合。裂隙1、2、3和4在5500min時的應(yīng)變峰值分別為8457.11με，3552.48 με，-719.67 με和-736.39 με。對應(yīng)的裂隙寬度分別為6.41 mm，6.61 mm，4.45 mm和4.54 mm，可以明顯看出較寬的裂隙通常對應(yīng)較大的拉應(yīng)變。

3.2 土體干縮裂隙的早期探測

前一節(jié)得到的結(jié)果表明DFOS-OFDR技術(shù)可以準確獲取裂隙的位置。為了檢驗所提出的技術(shù)是否能夠進行土體干縮裂隙萌生位置的早期探測，研究了四道裂隙的寬度及其應(yīng)變狀態(tài)隨干燥時間的變化。光纜獲得的應(yīng)變狀態(tài)演化不僅能反映干縮開裂前的土體收縮情況，而且能反映土體裂隙擴展的全過程。

為了進一步評價DFOS-OFDR技術(shù)是否能夠提前預(yù)測土體干縮開裂，本研究提出了3個參數(shù)：Tm（DFOS-OFDR監(jiān)測到土體開裂的時間），Tc（通過肉眼觀察或數(shù)字圖像處理技術(shù)得到的土體開裂時間）和ΔTp（提前預(yù)測的時間間隔，定義為Tm和Tc之差）。

圖3為裂隙寬度和應(yīng)變狀態(tài)隨干燥時間的變化情況。第一道裂隙（裂隙1）在4955min出現(xiàn)，而DFOS-OFDR在4930min便已經(jīng)探測到裂隙的萌生，說明DFOS-OFDR技術(shù)可以提前約25min探測到土體干縮開裂。同理，對于裂隙2、裂隙3和裂隙4，對應(yīng)的ΔTp值分別為55、40和40min。DFOS-OFDR解調(diào)儀（OSI-S）的精度可達1 με。如此高的精度使得DFOS-OFDR能夠準確地感知土體內(nèi)部的任何微小變形，從而能夠早期探測到土體裂隙。對于每道裂隙，DFOS-OFDR技術(shù)預(yù)測裂縫形成的提前時間是不同的，這是因為雖然在試驗中使用了相對均勻的泥漿，但泥漿不能完全均勻，這會影響光纜在土體內(nèi)部的分布，從而影響早期探測的提前時間。

圖3 裂隙寬度與裂隙位置應(yīng)變狀態(tài)的關(guān)系

實驗結(jié)論

DFOS-OFDR技術(shù)可用于監(jiān)測土體表面和內(nèi)部干縮裂隙的演化。DFOS-OFDR獲得的應(yīng)變分布曲線可以準確捕獲土體收縮特性和裂隙萌生位置，并且得到裂隙寬度與對應(yīng)應(yīng)變狀態(tài)隨干燥時間變化的關(guān)系，可以為早期探測裂隙的位置提供幫助。與傳統(tǒng)的離散應(yīng)變監(jiān)測方法相比，DFOS-OFDR是一種分布式、無損、準確、高效、高分辨率的土體干縮開裂監(jiān)測和早期探測技術(shù)，為研究土體表面和內(nèi)部干縮裂隙提供可靠數(shù)據(jù)支撐。