基于OFDR技术的分布式光纤-土体界面耦合性试验与评价模型研究

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近年来,使用光纤进行岩土体的变形监测已成为热门研究方向,目前监测土体变形的常用方法是将传感光纤以一定深度埋入土体,所以传感光纤与土体是否协调变形是影响监测精度的关键因素。研究光纤与土体界面耦合性的影响因素及脱黏机理对于光纤在岩土体监测中的应用具有重要意义。目前评价光纤与土体界面耦合性模型主要有三线性模型及理想弹塑性模型,本文在此基础上提出了新型弹塑性模型,并利用光频域反射技术(OFDR)高分辨率高精度的优势进行室内小规模拉拔试验,在砂土及海洋软黏土中验证了所提模型的合理性。随后,本文还分别探究了不同因素对砂土和海洋软黏土的纤—土界面作用机制的影响。在砂土试验中,本文依次改变了砂土含水率、拉拔速率、光纤种类、上覆荷载等因素,探究了不同因素对光纤—砂土相互作用过程的影响。结果表明:新型弹塑性模型计算简便且可以较好地描述光纤与砂土之间的受力过程;上覆荷载越大,残余应力与最大应力越大,其中最大应力还受拉拔速率的影响,较大的拉拔速率会带动更多的土粒翻转,从而使最大应力增大,对残余应力没有影响;线性应变临界值与上覆压力、光纤种类、含水率有关,上覆压力越大,线性阶段应变临界值就越大;不同含水率条件,不同种类直径的光纤线性阶段应变临界值大小不同,则猜测不同含水率均有其对应直径的光纤使纤—土界面耦合性能达到最优;提出可将光纤的线性阶段临界应变值作为光纤监测土体变形失效的参考值;定义一可代表不同种工况的土—纤耦合能力耦合系数ζ,计算出砂土—光纤ζ值的变化范围为0.45~0.75,绝大多数工况的ζ值在0.7以下。在海洋软黏土试验中,本文采用直径为2 mm的光纤对三种海洋软黏土进行试验,保持其原始含水率,探究了海洋土扰动后的强度恢复过程中、海洋土—纤界面的剪切强度变化以及其与土体强度间的关系。其中,采用室内拉拔试验获得纤—土界面强度,用落锥仪测得土体在触变过程中的强度变化。结果表明:新型弹塑性模型计算简便且可以较好地描述光纤与软黏土之间的受力过程;随着时间的增长,纤—土的界面强度及界面残余强度均在增长,而且增长的效果非常明显,其强度增长倍数大于土体触变强度的增长倍数。黏土试验中耦合系数ζ的变化范围为0.65~0.9,南海北部陆坡土的ζ值要明显大于温州近海土。
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