Raziskave o porazdeljenem spremljanju optičnih vlaken in tehnologiji zgodnjega odkrivanja suhega krčenja in razpokanosti zemlje

Pregled

Obvladovanje pravil razvoja polja notranjih deformacij pri nastanku razpok suhega krčenja v tleh je pomemben predpogoj za proučevanje mehanizma nastanka razpok suhega krčenja v zemlji. Vendar pa konvencionalne metode spremljanja ne morejo pridobiti značilnosti deformacije notranjih tal in ne morejo izpolniti zahtev suhega krčenja tal. Zahteve za študije razpok. Raziskovalna skupina Tang Chaosheng je predlagala novo metodo za izboljšano spremljanje krčenja zemlje pri sušenju in procesa razpok, ki temelji na tehnologiji zaznavanja porazdeljenih optičnih vlaken (DFOS-OFDR), in ugotovila, da lahko instrument za zasliševanje DFOS-OFDR (OSI-S) natančno pridobi zemljo proces sušenja in razpokanja. Prostorske in časovne evolucijske značilnosti deformacijskega polja med razvojem razpok zaradi krčenja je mogoče natančno pozicionirati, nastanek razpok pa je mogoče zaznati vnaprej.

Postopek testiranja

Pridobljena glinena prst je bila posušena na zraku, zmleta in presejana skozi 2 mm sito. Tla se nato zmešajo z ustrezno količino vode, da se doseže ciljna vsebnost vlage približno 69 % (1,9-kratna meja tekočine) blata, pripravljenega za uporabo. Blato nato vibriramo na vibracijski mizi 5 minut, da odstranimo vse zračne mehurčke, nato pa enega za drugim vlijemo v kalupe iz pleksi stekla dolžine 500 mm, širine 50 mm in višine 50 mm. Polaganje optičnega kabla je tako, da najprej dodate 800 g gošče (20 mm visoko) v kalup iz pleksi stekla in vibrirate, da dobite ravno površino. Napenjalni optični kabel se položi na vrh zmesi, nato pa se 400 g preostale zmesi (visoke 10 mm) vlije v kalup in odnese. Vibrirajte, da odstranite zračne mehurčke. Omeniti velja, da oba konca optičnega kabla v vzorcu zemlje nista pritrjena in se lahko prosto usedeta, ko se zemlja krči. Napetostni optični kabel je v celoti povezan z demodulatorjem DFOS-OFDR. Shematski diagram nadzorne naprave, uporabljene pri preskusu, je prikazan na sliki 1. Preskus sušenja se izvede pri sobni temperaturi 30±1 stopinja. Da bi bolje zajeli začetek in razvoj razpok v tleh med postopkom sušenja, je bila uporabljena digitalna kamera za zajemanje slik visoke ločljivosti vsakih 5 minut, z enako pogostostjo kot vzorčenje z instrumentom za zasliševanje DFOS-OFDR (OSI-S).

Slika 1 Shematski diagram testne naprave

Rezultati testov

Razvoj deformacijske krivulje s časom sušenja

Slika a prikazuje prostorsko-časovni razvoj deformacijske krivulje od 0 min do 5500 min sušenja. Ko se sušenje nadaljuje, se krivulja porazdelitve deformacij postopoma spremeni iz nedeformiranega stanja v celotno stisnjeno stanje, kar pomeni, da je vzorec nagnjen k krčenju prostornine zaradi izgube vode, s čimer se stisne notranji deformacijski optični kabel. Na sliki sta dve očitni območji stiskanja (A1 in A2), kjer se vrhovi deformacij gibljejo od -250 με do -3000 με (A1) in -500 με do -10000 με (A2). Izhlapevanje vode v vzorcu se začne s površine tal. Ko se proces izhlapevanja nadaljuje, začnejo pore med delci zemlje tvoriti vodno-zračne meniskuse, kar povzroči povečanje kapilarnega sesanja in kopičenje nateznih napetosti. Ko akumulirana natezna napetost preseže natezno trdnost tal, se v tleh pojavijo razpoke zaradi krčenja. Z nastankom prve razpoke (4930 min) se pojavi natezna napetost, tlačna napetost pa se še naprej zmanjšuje, kar pomeni, da ko zemlja razpoka, bo povečanje širine razpoke povečalo natezno napetost na optičnem kablu in povzročilo ustrezno natezno napetost.

Slika 2 Razvoj morfologije razpoke v tleh in prostorsko-časovni razvoj deformacijske krivulje med procesom sušenja od 0 do 5500 min

Kot je prikazano na sliki b, so na krivulji deformacije 4 vrhovi deformacije pri 0,29 m, 0,36 m, 0,20 m in 0,10 m, kar se popolnoma ujemajo s položaji 4 razpok. Deformacijski vrhovi razpok 1, 2, 3 in 4 pri 5500 min so 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με oziroma -736,39 με. Ustrezne širine razpok so 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm oziroma 4,54 mm. Jasno je razvidno, da širše razpoke običajno ustrezajo večjim nateznim deformacijam.

Zgodnje odkrivanje razpok zaradi suhega krčenja v tleh

Rezultati, pridobljeni v prejšnjem razdelku, kažejo, da lahko tehnologija DFOS-OFDR natančno določi lokacijo razpoke. Da bi preizkusili, ali lahko predlagana tehnologija izvede zgodnje odkrivanje mesta iniciacije razpok zaradi krčenja zaradi sušenja tal, so preučevali spremembe širine štirih razpok in njihovih deformacijskih stanj s časom sušenja. Razvoj deformacijskega stanja, pridobljen z optičnim kablom, ne more samo odražati krčenja tal pred razpokanjem zaradi suhega krčenja, temveč tudi celoten proces širjenja razpoke v tleh.

Da bi dodatno ocenili, ali lahko tehnologija DFOS-OFDR vnaprej napove razpoke zaradi sušenja tal zaradi krčenja, je ta študija predlagala tri parametre: Tm (čas, ko DFOS-OFDR zazna razpoke tal), Tc (pridobljeno z opazovanjem s prostim očesom ali digitalno sliko). tehnologija obdelave) čas razpokanja tal) in ΔTp (vnaprej predviden časovni interval, opredeljen kot razlika med Tm in Tc).

Slika 3 prikazuje spremembe širine razpoke in deformacijskega stanja s časom sušenja. Prva razpoka (Razpoka 1) se je pojavila pri 4955 minutah, DFOS-OFDR pa je že zaznal začetek razpok pri 4930 minutah, kar kaže, da lahko tehnologija DFOS-OFDR zazna razpoke zaradi sušenja tal približno 25 minut vnaprej. Podobno so za razpoko 2, razpoko 3 in razpoko 4 ustrezne vrednosti ΔTp 55, 40 oziroma 40 min. Natančnost demodulatorja DFOS-OFDR (OSI-S) lahko doseže 1 με. Tako visoka natančnost omogoča DFOS-OFDR natančno zaznavanje vsake majhne deformacije v tleh, kar omogoča zgodnje odkrivanje razpok v tleh. Za vsako razpoko je čas nastanka razpoke, ki ga predvideva tehnologija DFOS-OFDR, drugačen. To je zato, ker čeprav je bilo v preskusu uporabljeno relativno enakomerno blato, blato ne more biti popolnoma enakomerno, kar bo vplivalo na porazdelitev optičnih kablov v zemlji. To vpliva na čas zgodnjega odkrivanja.

Slika 3 Razmerje med širino razpoke in deformacijskim stanjem položaja razpoke

Eksperimentalni rezultati

Tehnologijo DFOS-OFDR je mogoče uporabiti za spremljanje razvoja razpok zaradi suhega krčenja na površini in v notranjosti tal. Krivulja porazdelitve deformacij, pridobljena z DFOS-OFDR, lahko natančno zajame značilnosti krčenja tal in položaje začetka razpok ter pridobi razmerje med širino razpoke in ustreznim deformacijskim stanjem s časom sušenja, kar lahko pomaga pri zgodnjem odkrivanju lokacije razpok. . V primerjavi s tradicionalnimi diskretnimi metodami za spremljanje deformacij je DFOS-OFDR porazdeljena, nedestruktivna, natančna, učinkovita in tehnologija za spremljanje razpok pri sušenju tal zaradi krčenja in zgodnjega odkrivanja z visoko ločljivostjo. Uporablja se za preučevanje površinskih in notranjih razpok zaradi suhega krčenja. Zagotovite zanesljivo podatkovno podporo.