基于光纤感测技术的多场作用下土体结构系统变形响应研究

发布时间：2017-12-24 23:10

本文关键词：基于光纤感测技术的多场作用下土体结构系统变形响应研究　出处：《南京大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：土体是自然历史的产物,是一个具有多个层次的结构系统；同时,土体作为一个复杂的开放系统,必然受到应力场、水分场、渗流场等多场的耦合作用。了解土体在多场作用下的变形响应机理,对控制土体变形,防止土体地质灾害和保护地质环境具有重要意义。论文基于光纤感测技术,对多场作用下土体结构系统变形响应进行了比较系统的室内试验和现场监测研究。研发出了适合于土块、土层、土体三个结构层次的变形响应光纤光栅传感器和应变感测光缆,设计出了多场作用下土体结构系统变形响应分布式光纤感测方案；通过均质和非均质土体的室内边坡模型坡顶加载和坡脚开挖试验,研究了应力场作用下土体结构系统变形响应规律；通过均质和非均质土体的室内模型抽水回灌试验,分析了水分场作用下的土体结构系统变形响应规律;结合苏州盛泽地区现场钻孔分布式光纤监测,研究了应力场、水分场和渗流场等多场作用下土体结构系统的变形响应规律。论文主要取得如下成果：(1)研发了900-HY护套、陶瓷管护套封装的两种布喇格光纤光栅解调技术(Fiber Bragg Grating,简称FBG)应变传感器,用于量测多场作用下土块的变形响应。传感器性能测试试验表明：900-HY护套封装保护的FBG应变传感器可适用于室内模型试验中土块的变形测量；而陶瓷管封装的FBG应变传感器由于其保护材料具有较大的模量,可防止其植入土体时光栅点的破坏,但其灵敏度较低。(2)研发了基于预泵浦-布里渊光时域分析技术(Pulse-PrePump Brillouin Optical Time-Domain Analyzer,简称PPP-BOTDA)的2mm直径小圆盘聚氨酯紧包护套应变感测光缆。标定试验表明：20～40cm的定点间距及5～15mm的胶黏段长度对该光缆的应变传递几乎没有影响,而初始应变与应变循环频率对应变感测性能有一定影响。室内模型试验结果表明：2mm直径的小圆盘聚氨酯紧包护套应变感测光缆适用于荷载、地下水水位升降等作用下的土体结构系统变形响应监测。(3)总结出了FBG、PPP-BOTDA和布里渊散射光时域反射测量(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,简称BOTDR)三种光纤感测技术及其对应的应变传感器和应变感测光缆应用于土体结构系统变形响应监测的技术要点。(4)开展了均质和非均质室内边坡土体模型加载试验,研究了均质和非均质土体在应力场作用下其内部结构系统的变形响应特征。试验发现：应力场作用下的均质土体结构系统变形特征与应力场的分布和土体自身的结构特征有关；在非均质土体结构系统中,应力场作用下土体结构系统的变形响应主要受土体结构系统中软弱夹层的影响。通过对均质土体边坡模型开挖,发现重分布的应力场改变了土体结构系统变形的发展规律和灾变模式。(5)基于PPP-BOTDA及FBG应变感测技术,研究了均质和非均质土体结构系统在水分场作用下的变形响应规律。水分场的变化通过对土体模型抽水及回灌来实现。试验结果表明：在抽水过程中砂土层和黏土层均表现为体积压缩；黏土层由于其弱透水性,其压缩变形速率较慢；在含有透镜体位置的黏土层最终压缩变形量较小。在回灌过程中砂层变形较小,而黏土层表现出明显的体积膨胀变形,并对邻近的砂土层有一定的挤压作用。土层中透镜体自身的变形及对土层变形的贡献与透镜体的土性、大小尺寸和所处的应力环境有关。(6)依托苏州盛泽中学一个200m的钻孔,分析了该钻孔的第四纪土体结构系统的特点,并在钻孔中,设计安装了分布式光纤传感沉降变形监测系统。监测结果表明：苏州盛泽监测孔的土体结构系统变形主要为41.2-74.8m深度范围内的土体压缩变形,变形发展与地下水水位变化规律密切相关。发生压缩的土层为承压含水砂层上部的粉质黏土弱透水层；弱透水层的变形响应受组成其土体结构的土性影响显著,处于软塑状态的粉质黏土与粉砂夹层贡献了整个弱透水层土体结构系统的主要变形。(7)室内试验和现场监测结果表明：土体结构系统作为一个有机的整体,在多场作用下其变形响应受土层、土块和土粒等不同层次结构单元体间的相互作用。应力场作用下土质边坡模型中土层和土体层次变形特征说明低层次土体结构是高层次土体结构组成的基础,决定了高层次土体结构的变形特征；而高层次土体结构的变形对低层次土体结构又具有反作用。水分场作用下含透镜体的土体模型变形特征说明土体结构系统的变形也不是各结构层次变形的简单叠加,不同结构层次变形之间也相互作用,共同影响着土体结构系统的变形响应特征。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU43

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