Onderzoek naar gedistribueerde optische vezelmonitoring en vroege detectietechnologie van droge krimp en barsten van grond

Overzicht

Het beheersen van de ontwikkelingsregels van het interne rekveld tijdens de ontwikkeling van droge krimpscheuren in de bodem is een belangrijke voorwaarde voor het bestuderen van het vormingsmechanisme van droge krimpscheuren in de bodem. Conventionele monitoringmethoden kunnen echter niet de vervormingseigenschappen van de interne bodem verkrijgen en kunnen niet voldoen aan de eisen van droge krimp van de bodem. Vereisten voor kraakonderzoek. De onderzoeksgroep van Tang Chaosheng stelde een nieuwe methode voor voor verfijnde monitoring van het krimp- en scheurproces van de bodem, gebaseerd op gedistribueerde optische vezeldetectietechnologie (DFOS-OFDR), en ontdekte dat het DFOS-OFDR-ondervragingsinstrument (OSI-S) nauwkeurig de bodemgegevens kan verkrijgen droog- en kraakproces. De ruimtelijke en temporele evolutiekarakteristieken van het spanningsveld tijdens de ontwikkeling van krimpscheuren kunnen nauwkeurig worden gepositioneerd, en de vorming van scheuren kan van tevoren worden waargenomen.

Testproces

De teruggewonnen kleigrond werd aan de lucht gedroogd, gemalen en door een zeef van 2 mm gevoerd. De grond wordt vervolgens gemengd met een geschikte hoeveelheid water om een ​​streefvochtgehalte van ongeveer 69% (1,9 maal de vloeistoflimiet) van de gebruiksklare modder te bereiken. De modder wordt vervolgens gedurende 5 minuten op een triltafel getrild om alle luchtbellen te verwijderen, en vervolgens achter elkaar in een plexiglas mal met een lengte van 500 mm, een breedte van 50 mm en een hoogte van 50 mm gegoten. Bij het leggen van de optische kabel wordt eerst 800 g slurry (20 mm hoog) aan de plexiglasvorm toegevoegd en getrild om een ​​vlak oppervlak te verkrijgen. De optische spanningskabel wordt bovenop de slurry geplaatst en vervolgens wordt 400 g van de resterende slurry (10 mm hoog) in de mal gegoten en uitgevoerd. Trillen om luchtbellen te verwijderen. Het is vermeldenswaard dat de twee uiteinden van de optische kabel in het grondmonster niet vastzitten en vrij kunnen bezinken als de grond krimpt. De optische spanningskabel is volledig verbonden met de DFOS-OFDR-demodulator. Het schematische diagram van het bij de test gebruikte monitoringapparaat wordt weergegeven in figuur 1. De droogtest wordt uitgevoerd bij kamertemperatuur van 30 ± 1 graad. Om het ontstaan ​​en de ontwikkeling van bodemscheuren tijdens het droogproces beter vast te leggen, werd een digitale camera gebruikt om elke 5 minuten beelden met hoge resolutie vast te leggen, met dezelfde frequentie als de bemonstering met het DFOS-OFDR-ondervragingsinstrument (OSI-S).

Figuur 1 Schematisch diagram van testapparaat

Test resultaten

Evolutie van de rekcurve met droogtijd

Figuur a toont de ruimtelijke en temporele evolutie van de rekcurve van 0 min tot 5500 min drogen. Naarmate het drogen vordert, verandert de rekverdelingscurve geleidelijk van de onvervormde toestand naar de algehele gecomprimeerde toestand, wat betekent dat het monster de neiging heeft in volume te krimpen als gevolg van waterverlies, waardoor de optische kabel met interne spanning wordt samengedrukt. Er zijn twee duidelijke compressiegebieden (A1 en A2) in de figuur, waar de spanningspieken variëren van -250 με tot -3000 με (A1) en -500 με tot -10000 με (A2). De verdamping van water in het monster begint vanaf het bodemoppervlak. Naarmate het verdampingsproces voortduurt, beginnen de poriën tussen de bodemdeeltjes water-lucht-menisci te vormen, wat leidt tot een toename van de capillaire zuigkracht en de accumulatie van trekspanningen. Wanneer de opgebouwde trekspanning groter wordt dan de treksterkte van de grond, zullen er krimpscheuren in de grond optreden. Met het ontstaan ​​van de eerste scheur (4930 min) treedt trekspanning op en blijft de drukspanning afnemen, wat betekent dat zodra de grond barst, de toename van de scheurbreedte de trekspanning op de optische kabel zal vergroten en een overeenkomstige trekspanning zal veroorzaken.

Figuur 2 Evolutie van de morfologie van bodemscheuren en ruimtelijk-temporele evolutie van de rekcurve tijdens het droogproces van 0 tot 5500 min

Zoals weergegeven in Figuur b, zijn er 4 rekpieken op de rekcurve op 0.29m, 0.36m, 0.20m en 0,10m, die komen volledig overeen met de posities van de 4 scheuren. De spanningspieken van scheuren 1, 2, 3 en 4 bij 5500 min zijn respectievelijk 8457,11 με, 3552,48 με, -719.67 με en -736.39 με. De bijbehorende scheurbreedtes zijn respectievelijk 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm en 4,54 mm. Het is duidelijk te zien dat bredere scheuren meestal overeenkomen met grotere trekspanningen.

Vroegtijdige detectie van droge krimpscheuren in de bodem

De resultaten verkregen in de vorige sectie laten zien dat de DFOS-OFDR-technologie nauwkeurig de locatie van de scheur kan bepalen. Om te testen of de voorgestelde technologie een vroege detectie van de startlocatie van krimpscheuren in de grond kan uitvoeren, werden de veranderingen in de breedte van vier scheuren en hun rektoestanden met de droogtijd bestudeerd. De evolutie van de spanningstoestand verkregen door de optische kabel kan niet alleen de krimp van de bodem vóór het optreden van droge krimp weerspiegelen, maar ook het hele proces van uitbreiding van de bodemscheur.

Om verder te evalueren of de DFOS-OFDR-technologie krimpscheuren in de bodem vooraf kan voorspellen, stelde deze studie drie parameters voor: Tm (het tijdstip waarop bodemscheuren worden gedetecteerd door DFOS-OFDR), Tc (verkregen door observatie met het blote oog of digitaal beeld). verwerkingstechnologie) kraaktijd van de grond) en ΔTp (vooraf voorspeld tijdsinterval, gedefinieerd als het verschil tussen Tm en Tc).

Figuur 3 toont de veranderingen in scheurbreedte en rektoestand met de droogtijd. De eerste scheur (scheur 1) verscheen na 4955 minuten, en DFOS-OFDR had het begin van scheuren al na 4930 minuten gedetecteerd, wat aangeeft dat de DFOS-OFDR-technologie krimpscheuren in de bodem ongeveer 25 minuten van tevoren kan detecteren. Op dezelfde manier zijn voor scheur 2, scheur 3 en scheur 4 de overeenkomstige ATp-waarden respectievelijk 55, 40 en 40 minuten. De nauwkeurigheid van de DFOS-OFDR-demodulator (OSI-S) kan 1 με bereiken. Door deze hoge nauwkeurigheid kan DFOS-OFDR elke kleine vervorming in de bodem nauwkeurig detecteren, waardoor vroegtijdige detectie van scheuren in de bodem mogelijk wordt. Voor elke scheur is de door de DFOS-OFDR-technologie voorspelde doorlooptijd van scheurvorming anders. Dit komt omdat, hoewel bij de test relatief uniforme modder is gebruikt, de modder niet volledig uniform kan zijn, wat de verdeling van optische kabels in de grond zal beïnvloeden. Dit heeft invloed op de doorlooptijd van vroegtijdige detectie.

Figuur 3 Relatie tussen scheurbreedte en scheurpositie-rektoestand

Experimentele resultaten

DFOS-OFDR-technologie kan worden gebruikt om de evolutie van droge krimpscheuren op het bodemoppervlak en binnenin te monitoren. De rekverdelingscurve verkregen door DFOS-OFDR kan nauwkeurig de krimpkarakteristieken van de bodem en de scheurinitiatieposities vastleggen, en de relatie tussen de scheurbreedte en de overeenkomstige rektoestand met droogtijd verkrijgen, wat kan helpen bij het vroegtijdig detecteren van de locatie van scheuren . Vergeleken met traditionele discrete rekmonitoringmethoden is DFOS-OFDR een gedistribueerde, niet-destructieve, nauwkeurige, efficiënte en hoge resolutie technologie voor het monitoren van krimpscheuren bij het uitdrogen van de grond en vroege detectie. Het wordt gebruikt om het bodemoppervlak en interne droge krimpscheuren te bestuderen. Bied betrouwbare gegevensondersteuning.