Forskning om distribuerad optisk fiberövervakning och tidig detekteringsteknik av torrkrympning och sprickbildning i jord

Översikt

Att bemästra utvecklingsreglerna för det interna töjningsfältet under utvecklingen av torra krympsprickor i jord är en viktig förutsättning för att studera bildningsmekanismen för torra krympsprickor i jord. Konventionella övervakningsmetoder kan dock inte uppnå deformationsegenskaperna hos den inre jorden och kan inte uppfylla kraven på torrkrympning av jorden. Krav på sprickstudier. Tang Chaoshengs forskargrupp föreslog en ny metod för förfinad övervakning av jordtorkningskrympning och sprickbildning baserad på distribuerad optisk fiberavkänningsteknologi (DFOS-OFDR), och fann att DFOS-OFDR-förfrågningsinstrumentet (OSI-S) kan exakt erhålla jorden torknings- och sprickprocess. De rumsliga och tidsmässiga utvecklingsegenskaperna hos töjningsfältet under utvecklingen av krympsprickor kan positioneras exakt, och sprickbildningen kan avkännas i förväg.

Testprocess

Den återvunna lerjorden lufttorkades, maldes och fick passera genom en 2 mm sikt. Jorden blandas sedan med en lämplig mängd vatten för att uppnå en målfukthalt på cirka 69 % (1,9 gånger vätskegränsen) av den färdiga leran. Leran vibreras sedan på ett vibrerande bord i 5 minuter för att avlägsna alla luftbubblor och hälls sedan i en plexiglasform med en längd på 500 mm, en bredd på 50 mm och en höjd på 50 mm efter varandra. Förläggningen av den optiska kabeln är att först lägga till 800 g slurry (20 mm hög) i plexiglasformen och vibrera för att få en plan yta. Den optiska kabeln placeras ovanpå slammet och sedan hälls 400 g av den återstående slurryn (10 mm hög) i formen och bärs ut. Vibrera för att ta bort luftbubblor. Det är värt att notera att de två ändarna av den optiska kabeln i jordprovet inte är fixerade och kan sätta sig fritt när jorden krymper. Den optiska kabeln är helt ansluten till DFOS-OFDR-demodulatorn. Det schematiska diagrammet över övervakningsanordningen som används i testet visas i figur 1. Torktestet utförs vid rumstemperatur 30±1 grad. För att bättre fånga uppkomsten och utvecklingen av jordsprickor under torkningsprocessen användes en digitalkamera för att ta högupplösta bilder var 5:e minut, med samma frekvens som DFOS-OFDR-provtagningsinstrumentet (OSI-S).

Figur 1 Schematiskt diagram av testanordningen

Testresultat

Utveckling av töjningskurvan med torktid

Figur a visar spatio temporal utveckling av töjningskurvan från 0 min till 5500 min torkning. När torkningen fortskrider ändras töjningsfördelningskurvan gradvis från det odeformerade tillståndet till det totala komprimerade tillståndet, vilket innebär att provet har en tendens att krympa i volym på grund av vattenförlust, och därigenom klämma ihop den interna optiska kabeln. Det finns två uppenbara kompressionsregioner (A1 och A2) i figuren, där töjningstopparna sträcker sig från -250 με till -3000 με (A1) och -500 με till -10000 με (A2). Avdunstningen av vatten i provet börjar från jordytan. När förångningsprocessen fortsätter börjar porerna mellan jordpartiklarna bilda vatten-luft menisker, vilket leder till ökningen av kapillärsugning och ackumulering av dragspänning. När den ackumulerade dragspänningen ökar utöver jordens draghållfasthet uppstår krympsprickor i jorden. Med uppkomsten av den första sprickan (4930 min) uppstår dragspänningen och trycktöjningen fortsätter att minska, vilket innebär att när jorden väl spricker kommer ökningen av sprickbredden att öka dragspänningen på den optiska kabeln och producera motsvarande dragpåkänning.

Figur 2 Utveckling av jordsprickmorfologi och rumslig-temporär utveckling av töjningskurvan under torkningsprocessen från 0 till 5500 min

Som visas i figur b finns det 4 töjningstoppar på töjningskurvan vid 0.29m, 0.36m, 0.20m och 0.10m, vilket är helt överensstämmande med positionerna för de 4 sprickorna. Töjningstopparna för sprickor 1, 2, 3 och 4 vid 5500 min är 8457,11 με, 3552,48 με, -719.67 με respektive -736.39 με. Motsvarande sprickbredder är 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm respektive 4,54 mm. Det kan tydligt ses att bredare sprickor vanligtvis motsvarar större dragpåkänningar.

Tidig upptäckt av torra krympsprickor i jord

Resultaten som erhölls i föregående avsnitt visar att DFOS-OFDR-tekniken exakt kan erhålla platsen för sprickan. För att testa om den föreslagna tekniken kan utföra tidig upptäckt av initieringsplatsen för jordtorkande krympsprickor, studerades förändringarna i bredden på fyra sprickor och deras töjningstillstånd med torktiden. Utvecklingen av töjningstillståndet som erhålls av den optiska kabeln kan inte bara återspegla jordens krympning före torrkrympningssprickning, utan också återspegla hela processen med jordsprickexpansion.

För att ytterligare utvärdera huruvida DFOS-OFDR-teknologi kan förutsäga krympsprickor i jordtorkning i förväg, föreslog denna studie tre parametrar: Tm (tiden då jordsprickor detekteras av DFOS-OFDR), Tc (erhållen genom observation med blotta ögat eller digital bild processteknik) jordsprickningstid) och ΔTp (tidsintervall förutspått i förväg, definierat som skillnaden mellan Tm och Tc).

Figur 3 visar förändringarna i sprickbredd och töjningstillstånd med torktid. Den första sprickan (spricka 1) uppträdde vid 4955 minuter och DFOS-OFDR hade redan upptäckt initieringen av sprickor vid 4930 minuter, vilket indikerar att DFOS-OFDR-tekniken kan detektera jordtorkande krympsprickor cirka 25 minuter i förväg. På liknande sätt, för spricka 2, spricka 3 och spricka 4, är motsvarande ΔTp-värden 55, 40 respektive 40 min. Noggrannheten hos DFOS-OFDR-demodulatorn (OSI-S) kan nå 1 με. En sådan hög noggrannhet gör det möjligt för DFOS-OFDR att exakt känna av alla små deformationer inne i jorden, vilket möjliggör tidig upptäckt av jordsprickor. För varje spricka är ledtiden för sprickbildning som förutsägs av DFOS-OFDR-teknik olika. Detta beror på att även om relativt likformig lera användes i testet, kan leran inte vara helt enhetlig, vilket kommer att påverka fördelningen av optiska kablar inuti jorden. Detta påverkar ledtiden för tidig upptäckt.

Figur 3 Förhållandet mellan sprickbredd och sprickpositionens töjningstillstånd

Experimentella resultat

DFOS-OFDR-teknik kan användas för att övervaka utvecklingen av torra krympsprickor på markytan och inuti. Töjningsfördelningskurvan som erhålls av DFOS-OFDR kan exakt fånga jordens krympningsegenskaper och sprickinitieringspositioner och erhålla förhållandet mellan sprickbredden och motsvarande töjningstillstånd med torktid, vilket kan ge hjälp för tidig upptäckt av sprickornas placering . Jämfört med traditionella diskreta töjningsövervakningsmetoder är DFOS-OFDR en distribuerad, oförstörande, noggrann, effektiv och högupplöst jordtorkande krympsprickningsövervakning och tidig upptäcktsteknik. Den används för att studera jordytan och inre torrkrympsprickor. Ge tillförlitligt datastöd.