Badania nad rozproszonym monitoringiem światłowodów i technologią wczesnego wykrywania suchego skurczu i pękania gruntu

Przegląd

Opanowanie zasad rozwoju wewnętrznego pola odkształceń podczas rozwoju suchych pęknięć skurczowych w glebie jest ważnym warunkiem wstępnym badania mechanizmu powstawania suchych pęknięć skurczowych w glebie. Jednakże konwencjonalne metody monitorowania nie są w stanie uzyskać charakterystyki odkształcenia gruntu wewnętrznego i nie są w stanie spełnić wymagań dotyczących skurczu na sucho gruntu. Wymagania dotyczące badań pęknięć. Grupa badawcza Tang Chaosheng zaproponowała nową metodę udoskonalonego monitorowania procesu skurczu i pękania podczas wysychania gleby w oparciu o technologię rozproszonego wykrywania włókien optycznych (DFOS-OFDR) i odkryła, że ​​przyrząd przesłuchujący DFOS-OFDR (OSI-S) może dokładnie wykryć glebę proces suszenia i pękania. Można dokładnie określić przestrzenną i czasową charakterystykę ewolucji pola odkształcenia podczas rozwoju pęknięć skurczowych, a powstawanie pęknięć można wykryć z wyprzedzeniem.

Proces testowania

Odzyskaną glebę gliniastą osuszono na powietrzu, zmielono i przepuszczono przez sito o średnicy oczek 2 mm. Następnie glebę miesza się z odpowiednią ilością wody, aby osiągnąć docelową wilgotność około 69% (1,9-krotność granicy cieczy) gotowego do użycia błota. Następnie błoto poddaje się wibracji na stole wibracyjnym przez 5 minut w celu usunięcia wszelkich pęcherzyków powietrza, a następnie wlewa się kolejno do formy z plexi o długości 500 mm, szerokości 50 mm i wysokości 50 mm. Układanie naprężonego kabla optycznego polega na tym, że najpierw należy dodać 800 g zawiesiny (wysokość 20 mm) do formy z pleksiglasu i wibrować w celu uzyskania płaskiej powierzchni. Naprężony kabel optyczny umieszcza się na wierzchu zawiesiny, a następnie 400 g pozostałej zawiesiny (wysokość 10 mm) wlewa się do formy i przenosi. Wibruj, aby usunąć pęcherzyki powietrza. Warto zauważyć, że dwa końce kabla optycznego w próbce gleby nie są unieruchomione i mogą swobodnie osiadać w miarę kurczenia się gleby. Odkształcalny kabel optyczny jest w pełni podłączony do demodulatora DFOS-OFDR. Schemat ideowy urządzenia monitorującego użytego w teście przedstawiono na rysunku 1. Test suszenia przeprowadza się w temperaturze pokojowej 30±1 stopnia. Aby lepiej uchwycić inicjację i rozwój pęknięć gleby podczas procesu suszenia, zastosowano kamerę cyfrową do przechwytywania obrazów o wysokiej rozdzielczości co 5 minut, z tą samą częstotliwością, co próbkowanie instrumentu przesłuchującego DFOS-OFDR (OSI-S).

Rysunek 1 Schemat ideowy urządzenia testowego

Wyniki testu

Ewolucja krzywej odkształcenia w funkcji czasu suszenia

Rysunek a przedstawia przestrzenno-czasową ewolucję krzywej odkształcenia od 0 min do 5500 min suszenia. W miarę postępu suszenia krzywa rozkładu odkształceń stopniowo zmienia się ze stanu nieodkształconego do stanu całkowitego ściśniętego, co oznacza, że ​​próbka ma tendencję do kurczenia się na skutek utraty wody, ściskając w ten sposób wewnętrzny naprężony kabel optyczny. Na rysunku znajdują się dwa oczywiste obszary ściskania (A1 i A2), gdzie piki odkształcenia mieszczą się w zakresie od -250 με do -3000 με (A1) i -500 με do -10000 με (A2). Parowanie wody w próbce rozpoczyna się od powierzchni gleby. W miarę trwania procesu parowania pory pomiędzy cząstkami gleby zaczynają tworzyć menisk wodno-powietrzny, co prowadzi do wzrostu ssania kapilarnego i kumulacji naprężeń rozciągających. Kiedy skumulowane naprężenie rozciągające wzrośnie powyżej wytrzymałości gruntu na rozciąganie, w glebie nastąpi pękanie skurczowe. Wraz z pojawieniem się pierwszego pęknięcia (4930 min) pojawia się odkształcenie rozciągające, a odkształcenie ściskające w dalszym ciągu maleje, co oznacza, że ​​w przypadku pęknięcia gleby wzrost szerokości pęknięcia spowoduje zwiększenie naprężeń rozciągających w kablu optycznym i wytworzenie odpowiedniego odkształcenia rozciągającego.

Rysunek 2 Ewolucja morfologii pęknięć gleby i ewolucja przestrzenno-czasowa krzywej odkształcenia podczas procesu suszenia od 0 do 5500 min

Jak pokazano na rysunku b, na krzywej odkształcenia znajdują się 4 piki odkształcenia przy 0,29 m, 0,36 m, 0,20 m i 0,10 m, co są całkowicie zgodne z położeniem 4 pęknięć. Piki odkształcenia pęknięć 1, 2, 3 i 4 przy 5500 min wynoszą odpowiednio 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με i -736,39 με. Odpowiednie szerokości pęknięć wynoszą odpowiednio 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm i 4,54 mm. Można wyraźnie zauważyć, że szersze pęknięcia zwykle odpowiadają większym odkształceniom rozciągającym.

Wczesne wykrywanie suchych pęknięć skurczowych w glebie

Wyniki uzyskane w poprzedniej części pokazują, że technologia DFOS-OFDR umożliwia dokładne określenie lokalizacji pęknięcia. W celu sprawdzenia, czy proponowana technologia umożliwia wczesną detekcję miejsca inicjacji pęknięć skurczowych wysychających glebę, zbadano zmiany szerokości czterech pęknięć oraz stany ich odkształcenia w czasie suszenia. Ewolucja stanu odkształcenia uzyskiwanego przez kabel optyczny może nie tylko odzwierciedlać skurcz gruntu przed pękaniem skurczowym na sucho, ale także odzwierciedlać cały proces rozszerzania się pęknięć gruntu.

W celu dalszej oceny, czy technologia DFOS-OFDR może z wyprzedzeniem przewidzieć pękanie skurczowe podczas wysychania gleby, w niniejszym badaniu zaproponowano trzy parametry: Tm (czas, w którym DFOS-OFDR wykrywa pękanie gleby), Tc (uzyskany poprzez obserwację gołym okiem lub obraz cyfrowy technologia przetwarzania) czas pękania gleby) i ΔTp (przewidywany z góry przedział czasu, zdefiniowany jako różnica pomiędzy Tm i Tc).

Rysunek 3 przedstawia zmiany szerokości pęknięcia i stanu odkształcenia w zależności od czasu suszenia. Pierwsze pęknięcie (pęknięcie 1) pojawiło się po 4955 minutach, a DFOS-OFDR wykrył inicjację pęknięć już po 4930 minutach, co wskazuje, że technologia DFOS-OFDR może wykryć pęknięcia skurczowe wysychające glebę z około 25 minutowym wyprzedzeniem. Podobnie dla pęknięcia 2, pęknięcia 3 i pęknięcia 4 odpowiednie wartości ΔTp wynoszą odpowiednio 55, 40 i 40 minut. Dokładność demodulatora DFOS-OFDR (OSI-S) może sięgać 1 με. Tak wysoka dokładność umożliwia DFOS-OFDR dokładne wykrycie wszelkich niewielkich odkształceń wewnątrz gruntu, umożliwiając wczesne wykrycie pęknięć gruntu. Dla każdego pęknięcia czas powstania pęknięcia przewidywany przez technologię DFOS-OFDR jest inny. Dzieje się tak dlatego, że choć w badaniu użyto stosunkowo jednolitego błota, to błoto nie może być całkowicie jednolite, co będzie miało wpływ na rozmieszczenie kabli optycznych wewnątrz gruntu. Ma to wpływ na czas realizacji wczesnego wykrywania.

Rysunek 3 Zależność pomiędzy szerokością pęknięcia a stanem odkształcenia położenia pęknięcia

Wyniki eksperymentalne

Technologię DFOS-OFDR można zastosować do monitorowania rozwoju suchych pęknięć skurczowych na powierzchni gruntu i wewnątrz. Krzywa rozkładu odkształceń uzyskana za pomocą DFOS-OFDR może dokładnie uchwycić charakterystykę skurczu gruntu i pozycje inicjacji pęknięć oraz uzyskać zależność między szerokością pęknięcia a odpowiednim stanem odkształcenia z czasem suszenia, co może pomóc we wczesnym wykrywaniu lokalizacji pęknięć . W porównaniu z tradycyjnymi dyskretnymi metodami monitorowania odkształceń, DFOS-OFDR jest rozproszoną, nieniszczącą, dokładną, wydajną i wysokiej rozdzielczości technologią monitorowania pęknięć skurczowych i wczesnego wykrywania podczas suszenia gleby. Służy do badania powierzchni gleby i wewnętrznych pęknięć skurczowych suchych. Zapewnij niezawodne wsparcie danych.