Hajautetun valokuituvalvonnan ja maan kuivakutistumisen ja halkeilun varhaisen havaitsemisen teknologian tutkimus

Yleiskatsaus

Sisäisen jännityskentän kehityssääntöjen hallitseminen maaperän kuivien kutistumishalkeamien kehittymisen aikana on tärkeä edellytys maaperän kuivien kutistumishalkeamien muodostumismekanismin tutkimiselle. Perinteisillä valvontamenetelmillä ei kuitenkaan pystytä saavuttamaan maan sisäisen maan muodonmuutosominaisuuksia, eivätkä ne pysty täyttämään maan kuivakutistumisen vaatimuksia. Vaatimukset halkeilututkimuksille. Tang Chaoshengin tutkimusryhmä ehdotti uutta menetelmää maan kuivumisen kutistumisen ja halkeiluprosessin tarkkaan seurantaan, joka perustuu hajautettuun optiseen kuidun tunnistukseen (DFOS-OFDR) ja havaitsi, että DFOS-OFDR-kyselylaite (OSI-S) voi saada maaperän tarkasti. kuivaus- ja halkeiluprosessi. Kutistumishalkeamien kehittymisen aikaiset venymäkentän tilalliset ja ajalliset kehitysominaisuudet voidaan paikantaa tarkasti ja halkeamien muodostuminen aistittavissa etukäteen.

Testausprosessi

Talteen otettu savimaa ilmakuivattiin, jauhettiin ja laitettiin 2 mm:n seulan läpi. Maaperään sekoitetaan sitten sopiva määrä vettä, jotta saavutetaan tavoitekosteus, joka on noin 69 % (1,9 kertaa nesteraja) käyttövalmiista mudasta. Mutaa tärytetään sitten tärisevällä pöydällä 5 minuutin ajan kaikkien ilmakuplien poistamiseksi, ja sitten se kaadetaan peräkkäin pleksimuottiin, jonka pituus on 500 mm, leveys 50 mm ja korkeus 50 mm. Vetooptisen kaapelin asennuksessa ensin lisätään 800 g lietettä (20 mm korkea) pleksimuottiin ja tärytetään tasaisen pinnan saamiseksi. Jännitysoptinen kaapeli asetetaan lietteen päälle ja sitten 400 g jäljellä olevaa liettettä (10 mm korkea) kaadetaan muottiin ja suoritetaan. Poista ilmakuplat tärisemällä. On syytä huomata, että maanäytteessä olevan optisen kaapelin kaksi päätä eivät ole kiinteitä ja voivat asettua vapaasti maaperän kutistuessa. Jännitysoptinen kaapeli on liitetty kokonaan DFOS-OFDR-demodulaattoriin. Testissä käytetyn valvontalaitteen kaaviokuva on esitetty kuvassa 1. Kuivauskoe suoritetaan huoneenlämpötilassa 30±1 astetta. Maaperän halkeamien alkamisen ja kehittymisen kuvaamiseksi paremmin kuivausprosessin aikana digitaalikameralla otettiin korkearesoluutioisia kuvia 5 minuutin välein samalla taajuudella kuin DFOS-OFDR-kyselylaitteen (OSI-S) näytteenotto.

Kuva 1 Testilaitteen kaavio

Testitulokset

Venymäkäyrän kehitys kuivausajan kanssa

Kuva a esittää venymäkäyrän spatio-temporaalista kehitystä 0 min:stä 5500 min kuivaukseen. Kuivumisen edetessä venymän jakautumiskäyrä muuttuu vähitellen muotoutumattomasta tilasta kokopuristettuun tilaan, mikä tarkoittaa, että näytteellä on taipumus kutistua tilavuudeltaan vesihäviön vuoksi, mikä puristaa sisäistä jännitysoptista kaapelia. Kuvassa on kaksi ilmeistä puristusaluetta (A1 ja A2), joissa jännityshuiput vaihtelevat välillä -250 με - -3000 με (A1) ja -500 με - -10000 με (A2). Veden haihtuminen näytteessä alkaa maan pinnasta. Haihdutusprosessin jatkuessa maapartikkelien välisiin huokosiin alkaa muodostua vesi-ilma-meniskkejä, mikä johtaa kapillaariimun lisääntymiseen ja vetojännityksen kertymiseen. Kun kertynyt vetojännitys kasvaa yli maan vetolujuuden, maaperään syntyy kutistumishalkeilua. Ensimmäisen halkeaman ilmaantuessa (4930 min) ilmaantuu vetojännitys ja puristusjännitys pienenee edelleen, mikä tarkoittaa, että kun maaperä halkeilee, halkeaman leveyden kasvu lisää optisen kaapelin vetojännitystä ja tuottaa vastaavan vetojännityksen.

Kuva 2 Maaperän halkeamien morfologian kehitys ja venymäkäyrän tila-ajallinen kehitys kuivausprosessin aikana 0 - 5500 min

Kuten kuvasta b näkyy, venymäkäyrällä on 4 jännityshuippua kohdilla 0.29m, 0.36m, 0.20m ja 0.10m, jotka ovat täysin yhdenmukaisia ​​4 halkeaman sijainnin kanssa. Halkeamien 1, 2, 3 ja 4 jännityshuiput 5500 minuutin kohdalla ovat 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με ja -736,39 με. Vastaavat halkeaman leveydet ovat 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm ja 4,54 mm. Voidaan selvästi nähdä, että leveämmät halkeamat vastaavat yleensä suurempia vetojännitystä.

Maaperän kuivien kutistumishalkeamien varhainen havaitseminen

Edellisessä osiossa saadut tulokset osoittavat, että DFOS-OFDR-tekniikalla voidaan selvittää halkeaman sijainti tarkasti. Sen testaamiseksi, voidaanko ehdotetulla tekniikalla havaita varhainen maaperän kuivumiskutistumishalkeamien alkusijainnin havaitseminen, tutkittiin neljän halkeaman leveyden ja niiden venymätilan muutoksia kuivumisajan myötä. Optisen kaapelin aikaansaama jännitystilan kehitys ei voi heijastaa vain maaperän kutistumista ennen kuivaa kutistumaa halkeilua, vaan myös koko maaperän halkeaman laajenemisprosessia.

Jotta voitaisiin arvioida edelleen, pystyykö DFOS-OFDR-tekniikka ennustamaan maaperän kuivumisen aiheuttaman kutistumisen aiheuttamaa halkeilua etukäteen, tässä tutkimuksessa ehdotettiin kolmea parametria: Tm (aika, jolloin DFOS-OFDR havaitsee maaperän halkeilun), Tc (saatu paljain silmin tarkkailulla tai digitaalisella kuvalla). käsittelytekniikka) maaperän murtumisaika) ja ΔTp (ennakolta ennustettu aikaväli, joka määritellään Tm:n ja Tc:n välisenä erona).

Kuvassa 3 on esitetty halkeaman leveyden ja venymätilan muutokset kuivumisajan myötä. Ensimmäinen halkeama (Crack 1) ilmestyi 4955 minuutin kohdalla, ja DFOS-OFDR oli havainnut halkeamien alkamisen jo 4930 minuutin kohdalla, mikä osoittaa, että DFOS-OFDR-teknologia pystyy havaitsemaan maaperän kuivumisen kutistumisen halkeilun noin 25 minuuttia etukäteen. Samoin halkeamalle 2, halkeamalle 3 ja halkeamalle 4 vastaavat ΔTp-arvot ovat 55, 40 ja 40 min. DFOS-OFDR-demodulaattorin (OSI-S) tarkkuus voi olla 1 με. Tällaisen suuren tarkkuuden ansiosta DFOS-OFDR havaitsee tarkasti kaikki pienet muodonmuutokset maan sisällä, mikä mahdollistaa maaperän halkeamien varhaisen havaitsemisen. Jokaiselle halkeamalle DFOS-OFDR-tekniikan ennustama halkeaman muodostumisaika on erilainen. Tämä johtuu siitä, että vaikka testissä käytettiin suhteellisen tasaista liejua, muta ei voi olla täysin tasaista, mikä vaikuttaa optisten kaapelien jakautumiseen maan sisällä. Tämä vaikuttaa varhaisen havaitsemisen läpimenoaikaan.

Kuva 3 Halkeaman leveyden ja halkeaman sijainnin jännitystilan välinen suhde

Kokeelliset tulokset

DFOS-OFDR-teknologian avulla voidaan seurata kuivien kutistumishalkeamien kehittymistä maan pinnalla ja sisällä. DFOS-OFDR:n avulla saatu venymän jakautumiskäyrä voi kaapata tarkasti maaperän kutistumisominaisuudet ja halkeamien alkuasennot sekä saada halkeaman leveyden ja vastaavan jännitystilan välisen suhteen kuivumisajan kanssa, mikä voi auttaa halkeamien sijainnin varhaisessa havaitsemisessa. . Verrattuna perinteisiin diskreetteihin venymän seurantamenetelmiin, DFOS-OFDR on hajautettu, tuhoamaton, tarkka, tehokas ja korkearesoluutioinen maaperän kuivumisen kutistuman halkeilun seuranta- ja varhainen havaitsemistekniikka. Sitä käytetään maan pinnan ja sisäisten kuivien kutistumishalkeamien tutkimiseen. Tarjoa luotettavaa datatukea.