Výzkum distribuovaného sledování optických vláken a technologie včasné detekce suchého smršťování a praskání půdy

Přehled

Zvládnutí pravidel vývoje vnitřního deformačního pole při vývoji suchých smršťovacích trhlin v zemině je důležitým předpokladem pro studium mechanismu vzniku suchých smršťovacích trhlin v zemině. Konvenční monitorovací metody však nemohou získat deformační charakteristiky vnitřní zeminy a nemohou splnit požadavky na suché smrštění půdy. Požadavky na crackingové studie. Výzkumná skupina Tang Chaosheng navrhla novou metodu pro rafinované monitorování procesu smršťování a praskání při vysychání půdy založenou na technologii distribuovaného snímání optických vláken (DFOS-OFDR) a zjistila, že dotazovací nástroj DFOS-OFDR (OSI-S) dokáže přesně získat půdu. proces sušení a krakování. Charakteristiky prostorového a časového vývoje deformačního pole během vývoje smršťovacích trhlin mohou být přesně umístěny a tvorba trhlin může být snímána předem.

Proces testování

Získaná jílovitá půda byla vysušena na vzduchu, rozemleta a proseta přes 2 mm síto. Půda se poté smíchá s vhodným množstvím vody, aby se dosáhlo cílového obsahu vlhkosti asi 69 % (1,9násobek limitu kapaliny) bahna připraveného k použití. Bláto se poté 5 minut vibruje na vibračním stole, aby se odstranily všechny vzduchové bubliny, a následně se postupně nalévá do plexisklové formy o délce 500 mm, šířce 50 mm a výšce 50 mm. Položením optického kabelu je nejprve přidat 800 g kaše (výška 20 mm) do formy z plexiskla a vibrovat, aby se získal rovný povrch. Napínací optický kabel se umístí na vršek kaše a poté se 400 g zbývající kaše (výška 10 mm) nalije do formy a vynese. Vibrováním odstraňte vzduchové bubliny. Stojí za zmínku, že dva konce optického kabelu ve vzorku půdy nejsou pevné a mohou se volně usazovat, jak se půda smršťuje. Napínací optický kabel je plně připojen k demodulátoru DFOS-OFDR. Schematický diagram monitorovacího zařízení použitého v testu je znázorněn na obrázku 1. Test sušení se provádí při pokojové teplotě 30±1 stupně. Aby bylo možné lépe zachytit iniciaci a rozvoj půdních trhlin během procesu sušení, byla použita digitální kamera pro snímání snímků s vysokým rozlišením každých 5 minut se stejnou frekvencí jako vzorkování dotazovacím přístrojem DFOS-OFDR (OSI-S).

Obrázek 1 Schéma zkušebního zařízení

Výsledky testů

Vývoj deformační křivky s dobou sušení

Obrázek a ukazuje časoprostorový vývoj deformační křivky od 0 min do 5500 min sušení. Jak sušení postupuje, křivka rozložení deformace se postupně mění z nedeformovaného stavu do celkového stlačeného stavu, což znamená, že vzorek má tendenci se zmenšovat v důsledku ztráty vody a tím mačkat vnitřní deformační optický kabel. Na obrázku jsou dvě zřejmé kompresní oblasti (A1 a A2), kde se vrcholy napětí pohybují od -250 με do -3000 με (A1) a -500 με do -10000 με (A2). Odpařování vody ve vzorku začíná od povrchu půdy. Jak proces odpařování pokračuje, póry mezi částicemi půdy začnou vytvářet menisky voda-vzduch, což vede ke zvýšení kapilárního sání a akumulaci tahového napětí. Když akumulované tahové napětí vzroste nad tahovou pevnost zeminy, dojde v zemině ke smršťovacímu praskání. Se vznikem první trhliny (4930 min) se objeví tahová deformace a tlaková deformace se dále snižuje, což znamená, že jakmile půda praskne, zvětšení šířky trhliny zvýší tahové napětí na optickém kabelu a vytvoří odpovídající tahovou deformaci.

Obrázek 2 Vývoj morfologie půdní trhliny a prostorově-časový vývoj deformační křivky během procesu sušení od 0 do 5500 min

Jak je znázorněno na obrázku b, na křivce deformace jsou 4 vrcholy deformace při 0,29 m, 0,36 m, 0,20 ma 0,10 m, které jsou zcela v souladu s polohami 4 trhlin. Vrcholy deformace trhlin 1, 2, 3 a 4 po 5500 min jsou 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με a -736,39 με, v tomto pořadí. Odpovídající šířky trhlin jsou 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm a 4,54 mm. Je jasně vidět, že širší trhliny obvykle odpovídají větším tahovým deformacím.

Včasná detekce suchých smršťovacích trhlin v půdě

Výsledky získané v předchozí části ukazují, že technologie DFOS-OFDR dokáže přesně určit polohu trhliny. Aby bylo možné otestovat, zda navržená technologie dokáže včas detekovat místo iniciace smršťovacích trhlin vysycháním zeminy, byly studovány změny šířky čtyř trhlin a jejich deformační stavy s dobou vysychání. Vývoj stavu deformace získaný optickým kabelem může nejen odrážet smrštění půdy před praskáním suchým smrštěním, ale také odrážet celý proces expanze trhliny v zemi.

Aby bylo možné dále vyhodnotit, zda technologie DFOS-OFDR může předem předvídat praskání při smršťování při vysychání půdy, navrhla tato studie tři parametry: Tm (doba, kdy je popraskání půdy detekováno pomocí DFOS-OFDR), Tc (získané pozorováním pouhým okem nebo digitálním snímkem technologie zpracování) doba praskání půdy) a ΔTp (časový interval předem predikovaný, definovaný jako rozdíl mezi Tm a Tc).

Obrázek 3 ukazuje změny šířky trhliny a stavu deformace s dobou sušení. První trhlina (Crack 1) se objevila ve 4955 minutách a DFOS-OFDR již detekoval iniciaci trhlin ve 4930 minutách, což naznačuje, že technologie DFOS-OFDR dokáže detekovat trhliny způsobené vysycháním při smršťování asi 25 minut předem. Podobně pro trhlinu 2, trhlinu 3 a trhlinu 4 jsou odpovídající hodnoty ΔTp 55, 40 a 40 min. Přesnost demodulátoru DFOS-OFDR (OSI-S) může dosáhnout 1 με. Taková vysoká přesnost umožňuje DFOS-OFDR přesně snímat jakoukoli malou deformaci uvnitř zeminy, což umožňuje včasnou detekci trhlin v zemině. Pro každou trhlinu je předpokládaná doba vzniku trhlin předpovězená technologií DFOS-OFDR odlišná. Je to proto, že ačkoli bylo v testu použito relativně rovnoměrné bahno, bahno nemůže být zcela rovnoměrné, což ovlivní rozložení optických kabelů uvnitř půdy. To ovlivňuje dobu včasné detekce.

Obrázek 3 Vztah mezi šířkou trhliny a stavem deformace polohy trhliny

Experimentální výsledky

Technologie DFOS-OFDR může být použita ke sledování vývoje suchých smršťovacích trhlin na povrchu půdy i uvnitř. Křivka rozložení deformace získaná pomocí DFOS-OFDR může přesně zachytit charakteristiky smršťování půdy a polohy iniciace trhlin a získat vztah mezi šířkou trhliny a odpovídajícím stavem deformace s dobou sušení, což může poskytnout pomoc pro včasnou detekci umístění trhlin. . Ve srovnání s tradičními metodami monitorování diskrétních deformací je DFOS-OFDR distribuovaná, nedestruktivní, přesná, účinná a s vysokým rozlišením pro monitorování smršťování při sušení půdy a technologii včasné detekce. Používá se ke studiu povrchových a vnitřních trhlin způsobených suchým smršťováním. Poskytujte spolehlivou datovou podporu.