OFDR分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)具有較高空間分辨率和測(cè)量精度，適合研究土體變形機(jī)理和規(guī)律。在土體變形監(jiān)測(cè)過(guò)程中，傳感光纜與土體的耦合性是決定光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)能否有效獲取土體變形數(shù)據(jù)關(guān)鍵問(wèn)題。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了錨固光纜，進(jìn)行了光纜－土體拉拔試驗(yàn)，探究了低圍壓下回填料及錨固方式對(duì)光纜－土體耦合性的影響。
錨固光纜是在2ｍｍ聚氨酯低模態(tài)應(yīng)變傳感光纜上增加亞克力圓片而制成，圓片厚度2ｍｍ、內(nèi)徑2ｍｍ，外徑d和間距ｌ可變。
光纜－土體耦合性試驗(yàn)裝置如圖1所示。左側(cè)為裝有回填料的試樣管，其是長(zhǎng)0.5ｍ、直徑16cm的空心亞克力材質(zhì)圓柱體，底部管帽打孔，將應(yīng)變傳感光纜的下端穿過(guò)底部的小孔固定，上端施加一定拉力使光纜處于預(yù)拉狀態(tài)，灌入回填料，并采用錘擊法確保土體密實(shí)均勻。
圖1 耦合性試驗(yàn)拉拔裝置
試驗(yàn)時(shí)，將試樣管兩端由管帽密封，埋入試樣的光纜一端接入OFDR解調(diào)儀OSI-S，空間分辨率為1cm。采用特制夾具夾持該端光纜，并連接至臥式拉力測(cè)試臺(tái)。采用逐級(jí)施加拉拔位移的方式進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)平臺(tái)的移動(dòng)帶動(dòng)夾具前進(jìn)，從而向光纜端部施加拉拔位移，位移增量為1ｍｍ、拉拔速率為0.1mm/s。
測(cè)試臺(tái)上安裝有數(shù)顯測(cè)力計(jì)，可測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的拉拔力，其測(cè)量精度為0.1N。每級(jí)位移下均采用OFDR采集沿光纜的應(yīng)變分布。
利用耦合性試驗(yàn)拉拔裝置進(jìn)行不同回填料條件、不同錨固方式的光纜拉拔試驗(yàn)。試驗(yàn)中計(jì)算懸空段光纜的軸力值公式為F＝EAε，式中ε為測(cè)得的光纜軸向應(yīng)變。將計(jì)算值與測(cè)力計(jì)測(cè)得的拉拔力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。
圖2 光纜懸空段軸力計(jì)算值與拉拔力實(shí)測(cè)值對(duì)比
(ａ)不同回填料拉拔試驗(yàn)；(ｂ)不同錨固直徑拉拔試驗(yàn)；(ｃ)不同錨固間距拉拔試驗(yàn)
由圖可知，在不同回填料拉拔試驗(yàn)、不同錨固直徑拉拔試驗(yàn)、不同錨固間距拉拔試驗(yàn)的共15組試驗(yàn)中，拉拔力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值兩者吻合較好，這表明該實(shí)驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)置可靠，OFDR測(cè)得的沿光纜軸向的應(yīng)變分布數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。
回填料對(duì)光纜－土體耦合性影響
試驗(yàn)分別配制了含水率為0%和8%的干砂和濕砂樣（1號(hào)和2號(hào)土），以及黏土含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為2%、4%、6%、8%，含水率為8%的混合土（3~6號(hào)土）共6種。
光纜在這6種土樣中拉拔時(shí)軸向應(yīng)變的分布及其發(fā)展如圖3所示，對(duì)于1、2、3、4號(hào)土樣，隨著黏土含量的增加，應(yīng)變隨拉拔位移的增大而增大，且不斷向尾部擴(kuò)展，最終完全貫通，這說(shuō)明光纜－土體界面呈明顯的漸進(jìn)性破壞特征；當(dāng)黏土含量達(dá)到6%以上時(shí)（5號(hào)、6號(hào)土樣），應(yīng)變依然服從這種漸近性破壞模式，但無(wú)法傳遞至尾部。
錨固直徑對(duì)光纜－土體耦合性影響
在光纜上固定間距為10cm但直徑不同的錨固圓片后，埋入黏土含量為6％的回填料中進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。從圖5中看出，軸向應(yīng)變的分布同樣服從無(wú)錨固時(shí)的漸近性破壞模式，并且不能傳遞至光纜尾部，但不同的是在錨固圓片處，應(yīng)變出現(xiàn)急速下降，說(shuō)明在光纜上粘貼錨固片能有效增強(qiáng)土體與光纜之間的耦合性。
(a) 間隔10cm，直徑1cm；(b) 間隔10cm，直徑2cm；(c) 間隔10cm，直徑3cm；(d) 間隔10cm，直徑4cm
同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著錨固片直徑的增加，相同拉拔位移條件下，光纜軸向應(yīng)變變大，即所需拉拔力增大，表明光纜－土體耦合性增強(qiáng)，而當(dāng)圓片直徑超過(guò)3cm（相對(duì)于試驗(yàn)用圓片直徑為16cm）時(shí)，圓片直徑過(guò)大會(huì)導(dǎo)致倒入回填料時(shí)無(wú)法振搗密實(shí)，最終導(dǎo)致耦合性變差，因此對(duì)于鉆孔直埋式傳感光纜，錨固圓片直徑占鉆孔直徑約為18％時(shí)其耦合效果最佳。
錨固間距對(duì)光纜－土體耦合性影響
在光纜上固定直徑為3cm但錨固間距不同的圓片之后，埋入黏土含量為6％的回填料中進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。圖6中給出不同錨固間距下光纜的軸向應(yīng)變分布，可以看出隨著錨固片間距的減小，光纜達(dá)到相同應(yīng)變所對(duì)應(yīng)的拉拔位移減小，如當(dāng)錨固間距為30cm時(shí)，拉拔位移拉至6mm時(shí)，應(yīng)變達(dá)到16000με，而當(dāng)錨固間距為5cm時(shí)，拉拔位移僅至4mm時(shí)，應(yīng)變即可達(dá)16000με。這表明，隨著錨固間距的減小，光纜與土體間的耦合性逐漸增強(qiáng)。
圖6 光纜在不同錨固間距拉拔時(shí)的應(yīng)變分布曲線
(a) 間距30cm，直徑3cm；(b) 間距15cm，直徑3cm；(c) 間距10cm，直徑3cm；(d) 間距5cm，直徑3cm
通過(guò)上述一系列的拉拔試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：
1. 不同回填料對(duì)光纜－土體界面相互作用存在影響，回填料中黏粒含量越高，應(yīng)變傳遞深度越小，光纜－土體耦合性越強(qiáng)，但過(guò)高的黏土含量會(huì)因其凝固強(qiáng)度過(guò)高導(dǎo)致應(yīng)變無(wú)法準(zhǔn)確傳遞給光纜，選取回填料時(shí)應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)得到最優(yōu)配合比。
2. 低圍壓下，在光纜表面增加錨固片有利于增強(qiáng)光纜－土體耦合性，這是因?yàn)樵谄胀▊鞲泄饫|與土體間的摩擦力的基礎(chǔ)上增加了錨固圓片與土體間的作用力，應(yīng)變傳遞深度隨錨固片直徑的增大以及錨固間距的減小而減小。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用錨固間距為10cm、錨固片直徑為3cm的結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)變傳遞深度可減小41％，耦合系數(shù)可提高35％。
來(lái)源：《中國(guó)激光》第46卷 第11期 錨固增強(qiáng)傳感光纜－土體耦合性的試驗(yàn)研究
作者：蔣娜1，吳靜紅1，劉浩1，施斌2，劉蘇平2，魏廣慶3
1. 蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院
2. 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院
3. 蘇州南智傳感科技有限公司
