传感光缆与土体变形耦合性试验与评价模型研究

发布时间：2020-10-22 01:09

　　 地表土体是人类活动和工程建设的主要场所,其变形和失稳会造成滑坡、地面沉降、基坑失稳等地质灾害或岩土工程问题。土体变形规律十分复杂,具有大变形、非线性、非连续性,时空跨度大,空间分布变异强等特点。土体的这些特点要求相应的的测量技术或系统具有相当的可靠性和耐久性,具备分布式、长距离的监测能力,并能准确、大范围地获得土体多场多参量数据及其随时间的变化规律。分布式光纤感测技术突破了传统点式感测技术的局限,十分适合于土体变形的长距离和分布式监测。土体变形规律复杂且易受外界因素影响,导致纤、土间的相互作用也相对复杂;传感光缆的结构、模量和尺寸不同,其传感性能也不同;传感光缆的布设方式、回填材料的性质和回填质量不同,则对光纤监测数据的影响也不同。因此,从传感光缆的选择到布设、从监测数据的采集到处理,都离不开纤、土间变形耦合性的评价。纤-土变形耦合性问题是土体变形分布式光纤监测无法回避、必须回答的问题。论文以土体变形分布式光纤监测为背景,紧紧围绕纤-土变形耦合性这一问题,针对当前研究在试验测试、理论和评价模型、改善措施三方面存在的不足,开展了较为深入的研究,取得了如下成果:(1)研制了可控围压的纤-土变形耦合性试验装置,揭示了0～1.6MPa围压范围内纤、土间的相互作用机理,发现了土体性质对纤-土变形耦合性影响的临界围压值,提出了应变扩展系数和纤-土耦合变形系数两个表征纤-土变形耦合性的新参数,建立了土体沉降变形光纤监测有效深度范围的快速估算方法。(2)研制了一种微锚固点传感光缆,探究了锚固点直径和间距对纤-土变形耦合性的影响,揭示了纤-土界面剪切刚度和抗剪强度随锚固点直径和间距的变化规律,以10 mm高空间分辨率获取了拉拔过程中沿传感光缆轴向的应变分布,提出了锚固点与地层围压的等效作用关系。(3)提出了纤-土界面处于黏结状态的临界围压和临界深度。理论分析表明,传感光缆弹模或半径越小,界面内摩擦角或黏聚力越大,或地层容重或静止侧压力系数越大,则临界围压或深度越小;给定相关参数,临界围压或深度仅与最大应变梯度有关。苏州盛泽地面沉降光纤监测数据统计结果表明最大应变梯度不超过2×10-3m-1,据此给出了2mm聚氨酯、钢绞线、GFRP等五种典型的土体变形监测传感光缆的临界围压和深度值。(4)建立了地层-回填材料-传感光缆应变传递模型。理论分析表明,光缆半径、光缆弹模、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,则应变传递系数越大。这为钻孔半径的确定、传感光缆和回填材料的选择提供了参考。(5)探究了地层围压效应以及地层和回填材料黏滞性对应变传递系数的影响。围压对应变传递的影响取决于回填材料与地层参数的相对大小关系,应变传递系数随围压增大可能出现单调增、单调减或先增后减三种情况。基于分数阶导数Merchant模型提出了考虑地层和回填材料黏滞性的修正应变传递系数,理论分析发现在地层黏弹性变形作用下,修正应变传递系数较弹性解偏小;而在两者黏弹性变形共同作用下,修正应变传递系数普遍较弹性解偏大。(6)从几何学角度分析了光纤应变测值与地层剪切位移间的对应关系,进一步提出了剪切情形下纤-土变形耦合性的定义,即剪切变形后传感光缆形态与剪切带假想变形线的接近程度。据此建立了计算地层剪切变形的“长路径模型”和“短路径模型”,探讨了模型参数的确定方法,分析了剪切带厚度、剪切位移大小和剪切方向对计算结果的影响。最后采用文献中报道的大型模型路堤剪切试验验证了该方法的有效性。(7)对苏州盛泽钻孔地层主要变形区开展了纤-土变形耦合性分析。计算得2 mm聚氨酯和钢绞线传感光缆的临界围压值分别为0.82 kPa和120.49 kPa,该围压落在前述纤、土间具有强耦合变形能力的围压范围内(0～360kPa);对应的临界深度分别为0.08m和11.51 m,因此研究区范围内的纤、土间未发生脱黏。进一步开展应变传递分析,计算得两种光缆的平均应变传递系数分别为0.989和0.824。采用该系数修正后,两种传感光缆监测数据基本一致,从而验证了评价模型的有效性。据此对比分析了2014年11月前后地层主变形区的应变响应,结果表明2012年12月至2014年11月间主抽水含水层上覆和下伏隔水层,尤其是上覆隔水层的压缩是造成苏州盛泽地面沉降的主要原因;而2014年11月后两隔水层内压缩区域大幅缩减,且压缩量也相应减小,使得总沉降量趋稳。(8)马家沟滑坡光纤观测孔中的直埋式传感光缆应变监测结果显示,该滑坡在距地表12.5 m和33.7 m深处各有一滑面。采用提出的评价方法计算深部滑面剪切位移,计算结果与测斜仪实测位移吻合得很好,从而验证了这一方法的有效性。此外,监测数据表明库水位波动与剪切变形量之间有很强的相关性,表明该滑坡的稳定性主要受库水位所控制。
【学位单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P642.2
【部分图文】：

土体变形是其在内外动力作用和人类工程活动作用下的一种基本表现形式??和综合反映。土体的变形和失稳会造成各种地质灾害和岩土工程问题，如滑坡、??地面塌陷、基坑失稳等（图１－１）。据统计，２０１６年全国发生滑坡、地面塌陷等??地质灾害达９７１０起，造成６１４人死亡、失踪或受伤，直接经济损失３１．７亿元（国??土资源部地质灾害应急技术指导中心，２０１６）。??龍｜?脅?１１地酬陷丨泥石流ｋ??Ｉ?職失帛?ｊ?地裂缝?ＩＩ?＾??图１－１由土体变形失稳造成的地质灾害或岩土工程问题??土体变形监测是掌握其在多场作用下的变形响应规律，防治土体灾害的必要??手段。从变形监测的角度来看，土体又具有如下特点（施斌，２０１７）：?（１）结构??构造复杂、空间变异性大；（２）规模广、距离长、深度大；（３）穿透性弱、隐蔽??性强；（４）多场作用、影响因素复杂；（５）形态不规则、地质环境多样。土体的??这些特点要求相应的的测量技术或系统具有相当的可靠性和耐久件，具备长距离、??Ｉ??

．．现有的土体变形监测技术，按其与土体接触与否，可分为非接触式变形监测??技术和接触式变形监测技术两类（魏广庆，２００８）。非接触变形监测技术主要是??指包括全球导航卫星系统（ＧＮＳＳ）、光学雷达（ＬｉＤＡＲ）、干涉合成孔径雷达??（ＩｎＳＡＲ）等在内的遥感遥测技术（Ｍａｓｓｏｎｎｅｔ?和?Ｆｅｉｇｌ，１９９８；?Ｐｅｌｔｉｅｒ?等，２０１０）。??采用ＩｎＳＡＲ等技术虽然能获取地表大范围内的土体变形信息，但无法掌握土体??内部的变形情况。此外，这类技术易受自然条件的影响，无法做到全天候实时测??量，且在测量精度上还有待提高（Ｌｉｅｎｈａｒｔ，?２０１５）。接触式变形监测技术则主要??包括基于电阻式或振弦式的应变计、测斜仪、沉降标等（图１－２）。这类技术虽然??能测量土体内部的变形，但多为点式测量，无法实施大范围、长距离的监测；此??夕卜，还存在易受电磁场干扰、易生锈腐蚀、耐久性差等问题。由此可见，上述监??测技术目前还无法满足土体变形和土体灾害监测与预警的要求，阻碍了人们对土??体变形规律及其致灾机理的认识。因此，通过理论和技术上的创新，实现土体变??。??

?第一章绪论沿着光纤传播时，会与纤芯的组成原子、分子发生作用，产生散射现象（ＳｏｇａＬｕｏ，?２０１８）。根据光的散射机理，可将光纤中的散射分为瑞利散射、布里渊散和拉曼散射这三类（图１－３）。当外界参量出现变化时，散射光的特征参量如度、频率或相位也会随之发生变化，通过解调特征参量的变化便能实现对外界量的测量（ＴｈＳｖｅｎａｚ，２０１０；?Ｂａｏ?和?Ｃｈｅｎ，２０１２）。??—
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本文编号：2850869