OFDR技術(shù)不僅能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量，還具有高空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，其空間分辨率與精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光時(shí)域反射和分析類分布式感測(cè)技術(shù)，非常適用于巖土工程監(jiān)測(cè)。該實(shí)驗(yàn)探索土體壓縮變形監(jiān)測(cè)，模擬地下不同深度的砂土含水層的壓縮變形。
如圖1所示進(jìn)行應(yīng)力控制式三軸壓縮試驗(yàn)。將傳感光纜固定在底面積為30.9cm2的雙瓣膜制樣器中間，通過分層充填和擊實(shí)制備三軸砂土試樣，試樣高度為11.6 cm。試樣外套薄乳膠膜上蓋壓力帽，將壓力室注滿水后開啟注水閥使試樣飽和，采用位移計(jì)測(cè)量試樣的軸向變形。
圖1 改進(jìn)的三軸壓縮試驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)分別在100、200、400 kPa圍壓下進(jìn)行逐級(jí)加卸載，如表1所示。
表1 不同圍壓下施加的軸向偏應(yīng)力
| 圍壓/kPa | 軸向偏應(yīng)力/kPa |
| 100、200 | 0、25、50、100、200 |
| 400 | 0、50、100、150、200、300、400 |
試樣在各級(jí)圍壓下加卸載循環(huán)完成后，光纖會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的殘余應(yīng)變。再次加載前，需將光纖的殘余應(yīng)變清0，試樣的殘余軸向變形也清0。以探究在不同圍壓條件下加卸載過程中試樣和光纖的變形情況。實(shí)驗(yàn)最后在圍壓400kPa時(shí)，逐級(jí)加載至試樣破壞。
通過OFDR技術(shù)測(cè)量沿試樣高度方向光纖的軸向應(yīng)變，如圖2所示。
(a) 圍壓100kPa
(b) 圍壓200kPa
(c) 圍壓400kPa
(d) 圍壓400kPa(加載至破壞)
從圖2中可以看出，光纖的應(yīng)變分布并不均勻，試樣中部出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象。隨著軸向偏應(yīng)力的增大，應(yīng)變集中區(qū)域逐步擴(kuò)展，峰值應(yīng)變的增長(zhǎng)速率越來越快，明顯高于試樣其他部位，表明該區(qū)域的壓縮變形較大。應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在距試樣底部約6 cm處，試驗(yàn)結(jié)束后光纖也在該部位出現(xiàn)明顯的彎折現(xiàn)象，說明可能處于試樣的潛在剪切破壞面。
當(dāng)圍壓增大到200 kPa后，卸載過程中由于試樣內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整，造成試樣兩端的光纖出現(xiàn)了拉應(yīng)變，但拉應(yīng)變量未超過100 kPa圍壓加卸載結(jié)束后的殘留壓應(yīng)變量，相對(duì)于試驗(yàn)初始狀態(tài)，試樣和光纖仍處于壓應(yīng)變狀態(tài)。
OFDR的空間分辨率為5mm。逐級(jí)加卸載時(shí)在每級(jí)軸壓下同時(shí)測(cè)量試樣變形和光纖應(yīng)變分布。各級(jí)軸壓下加卸載過程中試樣和光纖的變形進(jìn)行擬合，得到了兩者的變形協(xié)調(diào)規(guī)律如圖3所示，擬合直線方程和線性擬合系數(shù)如表2如示。
圖3 光纖變形和試樣變形的關(guān)系
表2 光纖和試樣變形的擬合關(guān)系
|
圍壓/kPa |
擬合方程 |
線性擬合系數(shù) |
|
|
加載 |
100 |
y = 2.849x |
0.997 93 |
|
200 |
y = 2.693x |
0.999 23 |
|
|
400（第一次加載） |
y = 2.867x |
0.998 49 |
|
|
400（第二次加載） |
y = 2.515x |
0.998 07 |
|
|
卸載 |
100 |
y = 1.257x |
0.960 94 |
|
200 |
y = 1.726x |
0.991 97 |
|
|
400 |
y = 1.490x |
0.984 27 |
結(jié)果表明，OFDR測(cè)量的光纖變形與位移計(jì)實(shí)測(cè)的試樣變形之間有良好的線性關(guān)系，擬合度很高，說明纖-土之間具有一定的變形協(xié)調(diào)能力，而且變形協(xié)調(diào)性很穩(wěn)定。驗(yàn)證了分布式光纖感測(cè)技術(shù)用于土體壓縮變形監(jiān)測(cè)的可行性。
來源：《中國(guó)知網(wǎng)》巖土力學(xué) 第41卷增刊2 第1~4頁(yè)
作者：方袁江1,2，吳冠中1，張 丹1,2，王光亞2，龔緒龍2
1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院
2. 江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院 國(guó)土資源部地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
