Ricerca sul monitoraggio distribuito delle fibre ottiche e sulla tecnologia di rilevamento precoce del ritiro secco e della fessurazione del suolo

Panoramica

Padroneggiare le regole di sviluppo del campo di deformazione interno durante lo sviluppo delle fessure da ritiro secco nel terreno è un prerequisito importante per studiare il meccanismo di formazione delle fessure da ritiro secco nel terreno. Tuttavia, i metodi di monitoraggio convenzionali non possono ottenere le caratteristiche di deformazione del suolo interno e non possono soddisfare i requisiti di ritiro secco del suolo. Requisiti per gli studi sul cracking. Il gruppo di ricerca di Tang Chaosheng ha proposto un nuovo metodo per il monitoraggio raffinato del ritiro e del processo di fessurazione dell'essiccazione del suolo basato sulla tecnologia di rilevamento a fibra ottica distribuita (DFOS-OFDR) e ha scoperto che lo strumento di interrogazione DFOS-OFDR (OSI-S) può ottenere con precisione il suolo processo di essiccazione e spaccatura. Le caratteristiche di evoluzione spaziale e temporale del campo di deformazione durante lo sviluppo delle fessure da ritiro possono essere posizionate con precisione e la formazione di fessure può essere rilevata in anticipo.

Processo di test

Il terreno argilloso recuperato è stato essiccato all'aria, macinato e fatto passare attraverso un setaccio da 2 mm. Il terreno viene quindi miscelato con una quantità adeguata di acqua per raggiungere un contenuto di umidità target di circa il 69% (1,9 volte il limite liquido) del fango pronto all'uso. Il fango viene quindi fatto vibrare su un tavolo vibrante per 5 minuti per eliminare tutte le bolle d'aria, quindi versato uno dopo l'altro in uno stampo di plexiglass con una lunghezza di 500 mm, una larghezza di 50 mm e un'altezza di 50 mm. La posa del cavo ottico deformazione consiste nell'aggiungere prima 800 g di impasto liquido (20 mm di altezza) nello stampo in plexiglass e vibrare per ottenere una superficie piana. Il cavo ottico di deformazione viene posizionato sopra l'impasto liquido, quindi 400 g dell'impasto liquido rimanente (altezza 10 mm) vengono versati nello stampo e realizzati. Vibrare per rimuovere le bolle d'aria. Vale la pena notare che le due estremità del cavo ottico nel campione di terreno non sono fisse e possono depositarsi liberamente man mano che il terreno si restringe. Il cavo ottico di deformazione è completamente collegato al demodulatore DFOS-OFDR. Il diagramma schematico del dispositivo di monitoraggio utilizzato nel test è mostrato nella Figura 1. Il test di asciugatura viene eseguito a temperatura ambiente di 30±1 gradi. Per catturare meglio l'inizio e lo sviluppo delle fessure del terreno durante il processo di essiccamento, è stata utilizzata una fotocamera digitale per acquisire immagini ad alta risoluzione ogni 5 minuti, con la stessa frequenza del campionamento dello strumento di interrogazione DFOS-OFDR (OSI-S).

Figura 1 Diagramma schematico del dispositivo di prova

Risultati del test

Evoluzione della curva di deformazione con il tempo di essiccazione

La Figura a mostra l'evoluzione spazio-temporale della curva di deformazione da 0 min a 5500 min di essiccazione. Man mano che l'essiccazione procede, la curva di distribuzione della deformazione cambia gradualmente dallo stato indeformato allo stato complessivo compresso, il che significa che il campione ha la tendenza a ridursi di volume a causa della perdita di acqua, comprimendo così il cavo ottico della deformazione interna. Nella figura sono presenti due regioni di compressione evidenti (A1 e A2), dove i picchi di deformazione vanno da -250 με a -3000 με (A1) e da -500 με a -10000 με (A2). L'evaporazione dell'acqua nel campione inizia dalla superficie del suolo. Man mano che il processo di evaporazione continua, i pori tra le particelle del terreno iniziano a formare menischi acqua-aria, il che porta all'aumento dell'aspirazione capillare e all'accumulo di stress da trazione. Quando lo stress di trazione accumulato aumenta oltre la resistenza a trazione del terreno, si verificheranno fessurazioni da ritiro nel terreno. Con l'emergere della prima fessura (4930 min), appare la deformazione di trazione e la deformazione di compressione continua a diminuire, il che significa che una volta che il terreno si fessura, l'aumento della larghezza della fessura aumenterà la sollecitazione di trazione sul cavo ottico e produrrà la corrispondente deformazione di trazione.

Figura 2 Evoluzione della morfologia delle fessurazioni del suolo ed evoluzione spazio-temporale della curva di deformazione durante il processo di essiccamento da 0 a 5500 min

Come mostrato nella Figura b, ci sono 4 picchi di deformazione sulla curva di deformazione a 0,29 m, 0,36 m, 0,20 me 0,10 m, che sono del tutto coerenti con la posizione delle 4 fessure. I picchi di deformazione delle cricche 1, 2, 3 e 4 a 5500 min sono rispettivamente 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με e -736,39 με. Le corrispondenti larghezze delle fessure sono rispettivamente 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm e 4,54 mm. Si può vedere chiaramente che le fessure più ampie corrispondono solitamente a deformazioni di trazione maggiori.

Individuazione precoce di crepe da ritiro secco nel terreno

I risultati ottenuti nella sezione precedente mostrano che la tecnologia DFOS-OFDR può ottenere con precisione la posizione della fessura. Al fine di verificare se la tecnologia proposta può eseguire il rilevamento precoce della posizione di inizio delle fessure da ritiro da essiccazione del suolo, sono stati studiati i cambiamenti nella larghezza di quattro fessure e i loro stati di deformazione con il tempo di essiccazione. L'evoluzione dello stato di deformazione ottenuto dal cavo ottico può non solo riflettere il ritiro del terreno prima della fessurazione da ritiro secco, ma anche riflettere l'intero processo di espansione della fessura del terreno.

Al fine di valutare ulteriormente se la tecnologia DFOS-OFDR può prevedere in anticipo le fessurazioni da ritiro da essiccazione del terreno, questo studio ha proposto tre parametri: Tm (il tempo in cui viene rilevata la fessurazione del terreno da DFOS-OFDR), Tc (ottenuto attraverso l'osservazione a occhio nudo o l'immagine digitale tecnologia di lavorazione) tempo di cracking del terreno) e ΔTp (intervallo di tempo previsto in anticipo, definito come differenza tra Tm e Tc).

La Figura 3 mostra i cambiamenti nell'ampiezza della fessura e nello stato di deformazione con il tempo di asciugatura. La prima fessura (Crack 1) è apparsa a 4955 minuti e DFOS-OFDR aveva già rilevato l'inizio delle crepe a 4930 minuti, indicando che la tecnologia DFOS-OFDR è in grado di rilevare le fessurazioni da ritiro da essiccazione del terreno con circa 25 minuti di anticipo. Allo stesso modo, per la fessura 2, fessura 3 e fessura 4, i corrispondenti valori di ΔTp sono rispettivamente 55, 40 e 40 min. La precisione del demodulatore DFOS-OFDR (OSI-S) può raggiungere 1 με. Una precisione così elevata consente a DFOS-OFDR di rilevare con precisione qualsiasi piccola deformazione all'interno del terreno, consentendo il rilevamento tempestivo di crepe nel terreno. Per ciascuna fessura, il tempo di formazione della fessura previsto dalla tecnologia DFOS-OFDR è diverso. Questo perché, sebbene nel test sia stato utilizzato un fango relativamente uniforme, il fango non può essere completamente uniforme, il che influenzerà la distribuzione dei cavi ottici all'interno del terreno. Ciò influisce sui tempi di rilevamento precoce.

Figura 3 Relazione tra larghezza della fessura e stato di deformazione della posizione della fessura

Risultati sperimentali

La tecnologia DFOS-OFDR può essere utilizzata per monitorare l'evoluzione delle fessure da ritiro secco sulla superficie del terreno e all'interno. La curva di distribuzione della deformazione ottenuta da DFOS-OFDR può catturare con precisione le caratteristiche di ritiro del terreno e le posizioni di inizio delle crepe e ottenere la relazione tra la larghezza della fessura e lo stato di deformazione corrispondente con il tempo di asciugatura, il che può fornire aiuto per il rilevamento precoce della posizione delle fessure. . Rispetto ai tradizionali metodi di monitoraggio discreto della deformazione, DFOS-OFDR è un monitoraggio distribuito, non distruttivo, accurato, efficiente e ad alta risoluzione delle fessurazioni da ritiro e essiccazione del terreno e una tecnologia di rilevamento precoce. Viene utilizzato per studiare la superficie del terreno e le fessure interne da ritiro secco. Fornire un supporto dati affidabile.