【摘 要】
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过度开采地下水会引发地面沉降,从而导致一系列灾害。地面沉降的发展过程极其缓慢且不易被察觉,导致对沉降的控制与治理难度增加。因此,对地面沉降区地下土层变形的精细化监测是降低灾害程度的有效手段。分布式光纤感测(Distributed Fiber Optic Sensing,简称DFOS)技术可以突破传统点式监测(基岩标分层标体系)的局限性并实现全断面土层变形精细化监测,对地面沉降的预测及评价具有重要的
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过度开采地下水会引发地面沉降,从而导致一系列灾害。地面沉降的发展过程极其缓慢且不易被察觉,导致对沉降的控制与治理难度增加。因此,对地面沉降区地下土层变形的精细化监测是降低灾害程度的有效手段。分布式光纤感测(Distributed Fiber Optic Sensing,简称DFOS)技术可以突破传统点式监测(基岩标分层标体系)的局限性并实现全断面土层变形精细化监测,对地面沉降的预测及评价具有重要的现实意义。然而,土体的变形规律复杂且易受外界因素的影响,导致光纤与土体之间的相互作用相对复杂。传感光缆的结构,模量和尺寸不同,其传感性能也不同;回填材料的性质和回填的质量不同,对光纤监测数据的影响也不同。光纤-土体变形耦合性问题一直是地面沉降钻孔全断面监测技术推广应用过程中面临的关键问题。本文以分布式光纤监测地面沉降为研究背景,针对其中的纤-土变形耦合问题,从试验方法、改善措施、理论和评价三个方面,开展了较为深入的研究,取得了如下成果:(1)利用可控围压的纤-土变形耦合性试验装置,采用光频域反射技术(全称,OFDR)以1mm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,揭示了0~1.0MPa围压范围内纤、土间的相互作用机理,讨论了围压对纤-土变形耦合性的影响。(2)引入了一个简化模型来描述光缆–土体界面渐进性破坏过程,对0~1.0Mpa下的拉拔试验数据进行模拟,说明理想弹–塑性拉拔模型能较好地能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线,并验证了试验结果的可靠性。计算了传感光纤-土体界面剪应力的分布,呈现了两者界面的渐进性破坏过程,为分布式光纤监测数据的处理分析及分布式光纤监测技术的推广应用提供了支持。(3)针对无围压下纤-土耦合性较差这一问题,研制了一种微锚固点传感光缆,探究了不同回填料对纤-土耦合性的影响,以及锚固点直径和间距对纤-土变形耦合性的影响,试验结果表明:当砂黏比例一定时,锚固点直径越大,间距越小,增强效果越好,但最佳锚固直径和间距还需根据围压,钻孔直径确定。(4)确定了不同围压下,要想达到较强的纤土耦合性所需不同锚固片间距与直径,结果表明,围压增大,锚固片间距可适当增大,当围压大于0.6Mpa时,无需锚固增强纤土耦合性。
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