Nghiên cứu công nghệ quan trắc sợi quang phân tán và phát hiện sớm hiện tượng co ngót, nứt nẻ khô của đất

Tổng quan

Nắm vững quy luật phát triển của trường biến dạng nội trong quá trình phát triển vết nứt co ngót khô trong đất là tiền đề quan trọng để nghiên cứu cơ chế hình thành vết nứt co ngót khô trong đất. Tuy nhiên, các phương pháp quan trắc thông thường không thể thu được các đặc tính biến dạng của đất bên trong và không thể đáp ứng yêu cầu về độ co ngót khô của đất. Yêu cầu nghiên cứu vết nứt Nhóm nghiên cứu của Tang Chaosheng đã đề xuất một phương pháp mới để giám sát tinh tế quá trình co ngót và nứt đất do khô dựa trên công nghệ cảm biến sợi quang phân tán (DFOS-OFDR) và nhận thấy rằng thiết bị thẩm vấn DFOS-OFDR (OSI-S) có thể thu được đất một cách chính xác quá trình khô và nứt. Các đặc điểm tiến hóa không gian và thời gian của trường biến dạng trong quá trình phát triển vết nứt co ngót có thể được định vị chính xác và có thể cảm nhận trước sự hình thành vết nứt.

Quá trình kiểm tra

Đất sét thu hồi được phơi khô trong không khí, nghiền nhỏ và sàng qua sàng 2mm. Sau đó, đất được trộn với một lượng nước thích hợp để đạt được độ ẩm mục tiêu khoảng 69% (gấp 1,9 lần giới hạn chất lỏng) của bùn sẵn sàng sử dụng. Bùn sau đó được rung trên bàn rung trong 5 phút để loại bỏ hết bọt khí, sau đó đổ vào khuôn mica có chiều dài 500mm, chiều rộng 50mm và chiều cao 50mm lần lượt. Việc đặt cáp quang căng trước tiên là thêm 800g bùn (cao 20 mm) vào khuôn mica và rung để thu được bề mặt phẳng. Cáp quang biến dạng được đặt lên trên lớp vữa, sau đó 400g lớp vữa còn lại (cao 10mm) được đổ vào khuôn và tiến hành. Rung để loại bỏ bọt khí. Điều đáng chú ý là hai đầu cáp quang trong mẫu đất không cố định và có thể lắng xuống tự do khi đất co lại. Cáp quang biến dạng được kết nối hoàn toàn với bộ giải điều chế DFOS-OFDR. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị giám sát được sử dụng trong thử nghiệm được thể hiện trong Hình 1. Thử nghiệm sấy khô được thực hiện ở nhiệt độ phòng 30±1 độ. Để ghi lại tốt hơn sự khởi đầu và phát triển của các vết nứt đất trong quá trình sấy khô, máy ảnh kỹ thuật số đã được sử dụng để chụp ảnh có độ phân giải cao cứ sau 5 phút, với cùng tần số với việc lấy mẫu của công cụ thẩm vấn DFOS-OFDR (OSI-S).

Hình 1 Sơ đồ thiết bị thử nghiệm

Kết quả kiểm tra

Sự phát triển của đường cong biến dạng theo thời gian sấy

Hình a cho thấy sự tiến triển theo thời gian trong không gian của đường cong biến dạng từ 0 phút đến 5500 phút sấy. Khi quá trình sấy diễn ra, đường cong phân bố biến dạng thay đổi dần từ trạng thái không biến dạng sang trạng thái nén tổng thể, nghĩa là mẫu có xu hướng co lại về thể tích do mất nước, từ đó ép cáp quang biến dạng bên trong. Có hai vùng nén rõ ràng (A1 và A2) trong hình, trong đó các đỉnh biến dạng nằm trong khoảng từ -250 με đến -3000 με (A1) và -500 με đến -10000 με (A2). Quá trình bay hơi của nước trong mẫu bắt đầu từ bề mặt đất. Khi quá trình bay hơi tiếp tục, các lỗ rỗng giữa các hạt đất bắt đầu hình thành các mặt khum nước-không khí, dẫn đến sự gia tăng lực hút mao dẫn và tích tụ ứng suất kéo. Khi ứng suất kéo tích lũy tăng vượt quá cường độ chịu kéo của đất thì sẽ xảy ra hiện tượng nứt do co ngót trong đất. Với sự xuất hiện của vết nứt đầu tiên (4930 phút), biến dạng kéo xuất hiện và biến dạng nén tiếp tục giảm, điều đó có nghĩa là một khi đất nứt, việc tăng chiều rộng vết nứt sẽ làm tăng ứng suất kéo trên cáp quang và tạo ra biến dạng kéo tương ứng.

Hình 2 Sự phát triển hình thái vết nứt của đất và sự phát triển theo không gian-thời gian của đường cong biến dạng trong quá trình sấy khô từ 0 đến 5500 phút

Như được hiển thị trong Hình b, có 4 đỉnh biến dạng trên đường cong biến dạng tại 0.29m, 0.36m, 0.20m và 0.10m, trong đó hoàn toàn trùng khớp với vị trí của 4 vết nứt. Đỉnh biến dạng của các vết nứt 1, 2, 3 và 4 ở thời điểm 5500 phút lần lượt là 8457,11 με, 3552,48 με, -719.67 με và -736.39 με. Bề rộng vết nứt tương ứng lần lượt là 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm và 4,54 mm. Có thể thấy rõ rằng các vết nứt rộng hơn thường tương ứng với biến dạng kéo lớn hơn.

Phát hiện sớm vết nứt co ngót khô trong đất

Kết quả thu được ở phần trước cho thấy công nghệ DFOS-OFDR có thể xác định chính xác vị trí vết nứt. Để kiểm tra xem công nghệ đề xuất có thể phát hiện sớm vị trí ban đầu của vết nứt co ngót khi đất khô hay không, sự thay đổi về chiều rộng của bốn vết nứt và trạng thái biến dạng của chúng theo thời gian khô đã được nghiên cứu. Sự phát triển của trạng thái biến dạng mà cáp quang thu được không chỉ phản ánh độ co ngót của đất trước khi nứt co ngót khô mà còn phản ánh toàn bộ quá trình giãn nở vết nứt của đất.

Để đánh giá thêm liệu công nghệ DFOS-OFDR có thể dự đoán trước vết nứt do co ngót khi sấy của đất hay không, nghiên cứu này đề xuất 3 thông số: Tm (thời điểm phát hiện vết nứt của đất bằng DFOS-OFDR), Tc (thu được qua quan sát bằng mắt thường hoặc ảnh kỹ thuật số). công nghệ xử lý) thời gian nứt đất) và ΔTp (khoảng thời gian được dự đoán trước, được định nghĩa là chênh lệch giữa Tm và Tc).

Hình 3 cho thấy sự thay đổi về độ rộng vết nứt và trạng thái biến dạng theo thời gian khô. Vết nứt đầu tiên (Crack 1) xuất hiện ở phút 4955 và DFOS-OFDR đã phát hiện sự bắt đầu của vết nứt ở phút 4930, cho thấy công nghệ DFOS-OFDR có thể phát hiện vết nứt co ngót do sấy đất trước khoảng 25 phút. Tương tự, đối với crack 2, crack 3 và crack 4, các giá trị ΔTp tương ứng lần lượt là 55, 40 và 40 phút. Độ chính xác của bộ giải điều chế DFOS-OFDR (OSI-S) có thể đạt tới 1 με. Độ chính xác cao như vậy cho phép DFOS-OFDR cảm nhận chính xác bất kỳ biến dạng nhỏ nào bên trong đất, cho phép phát hiện sớm các vết nứt của đất. Đối với mỗi vết nứt, thời gian hình thành vết nứt được dự đoán bởi công nghệ DFOS-OFDR là khác nhau. Điều này là do mặc dù bùn tương đối đồng đều được sử dụng trong thử nghiệm nhưng bùn không thể đồng nhất hoàn toàn, điều này sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố của cáp quang bên trong đất. Điều này ảnh hưởng đến thời gian phát hiện sớm.

Hình 3 Mối quan hệ giữa bề rộng vết nứt và trạng thái biến dạng vị trí vết nứt

Kết quả thực nghiệm

Công nghệ DFOS-OFDR có thể được sử dụng để theo dõi sự phát triển của các vết nứt co ngót khô trên bề mặt đất và bên trong. Đường cong phân bố biến dạng thu được bởi DFOS-OFDR có thể nắm bắt chính xác các đặc điểm co ngót của đất và vị trí bắt đầu vết nứt, đồng thời thu được mối quan hệ giữa chiều rộng vết nứt và trạng thái biến dạng tương ứng với thời gian khô, có thể giúp phát hiện sớm vị trí vết nứt. . So với các phương pháp giám sát biến dạng rời rạc truyền thống, DFOS-OFDR là công nghệ giám sát và phát hiện sớm vết nứt co ngót do khô đất phân tán, không phá hủy, chính xác, hiệu quả và có độ phân giải cao. Nó được sử dụng để nghiên cứu bề mặt đất và các vết nứt co ngót khô bên trong. Cung cấp hỗ trợ dữ liệu đáng tin cậy.