概述

掌握土體干縮裂隙發育過程中內部應變場的發育規律，是研究土體干縮裂隙形成機理的重要前提，但常規監測方法無法獲得土體內部的變形特征，無法滿足土體干縮開裂研究的要求。唐朝生課題組提出了一種基于分布式光纖傳感技術（DFOS-OFDR）的土體干縮開裂過程精細化監測新方法，發現DFOS-OFDR解調儀（OSI-S）能夠精確獲得土體干縮裂隙發育過程中應變場的時空演化特征，實現裂隙的精準定位，并能提前感知裂隙的形成。

測試過程

將取回的黏性土自然風干研磨，并通過一個2mm篩。隨后將土與適量水混合，使待用泥漿的目標含水率達到約69%（液限的1.9倍）。然后將泥漿在振動臺上振動5分鐘以去除所有氣泡，然后逐次倒入長500mm、寬50mm、高50mm的有機玻璃模具中。應變光纜布設是先將800g漿液（20mm高）加入有機玻璃模具中，并進行振動以獲得平面表面，應變光纜放在泥漿頂部，然后將400g剩余的泥漿（10mm高）倒入模具中，并進行振動以去除氣泡。值得注意的是土樣中光纜的兩端是不固定的，可以隨著土體的收縮自由沉降。應變光纜全程連接在DFOS-OFDR解調儀。試驗使用的監測裝置示意圖如圖1所示。干燥試驗在室溫30±1℃下進行。為了更好地捕捉干燥過程中土體裂隙的萌生和發育，用數碼相機每5min進行一次高分辨率圖像的拍攝，頻率與DFOS-OFDR解調儀（OSI-S）采樣相同。

圖1 試驗裝置示意圖

測試結果

3.1 應變曲線隨干燥時間的演變

圖2a顯示了干燥0min到5500min的應變曲線的時空演化過程。隨著干燥的進行，應變分布曲線由未變形狀態逐漸轉變為整體壓縮狀態，這意味著試樣由于失水而有體積收縮的趨勢，從而擠壓內部應變光纜。圖中存在兩個明顯的壓縮區域（A1和A2），其中應變峰值從-250 με 到-3000 με（A1）和-500 με到-10000 με（A2）。試樣中水的蒸發是從土體表面開始，隨著蒸發過程的持續，土顆粒之間的孔隙開始形成水-氣半月板，從而導致毛細吸力的增加和張拉應力的積累。當累積的張拉應力增加超過土體抗拉強度時，土體便會出現干縮開裂。隨著第一道裂隙的出現（4930min），拉應變出現并壓應變繼續減小，這表示一旦土體開裂，裂隙寬度的增加會增加光纜上的拉應力，并產生相應的拉應變。

圖20~5500 min干燥過程中土體裂隙形態的演化及應變曲線時空的演化

如圖2b所示，應變曲線上在0.29m、0.36m、0.20m和0.10m四個位置上有4個應變峰值，與4道裂隙的位置完全吻合。裂隙1、2、3和4在5500min時的應變峰值分別為8457.11με，3552.48 με，-719.67 με和-736.39 με。對應的裂隙寬度分別為6.41 mm，6.61 mm，4.45 mm和4.54 mm，可以明顯看出較寬的裂隙通常對應較大的拉應變。

3.2 土體干縮裂隙的早期探測

前一節得到的結果表明DFOS-OFDR技術可以準確獲取裂隙的位置。為了檢驗所提出的技術是否能夠進行土體干縮裂隙萌生位置的早期探測，研究了四道裂隙的寬度及其應變狀態隨干燥時間的變化。光纜獲得的應變狀態演化不僅能反映干縮開裂前的土體收縮情況，而且能反映土體裂隙擴展的全過程。

為了進一步評價DFOS-OFDR技術是否能夠提前預測土體干縮開裂，本研究提出了3個參數：Tm（DFOS-OFDR監測到土體開裂的時間），Tc（通過肉眼觀察或數字圖像處理技術得到的土體開裂時間）和ΔTp（提前預測的時間間隔，定義為Tm和Tc之差）。

圖3為裂隙寬度和應變狀態隨干燥時間的變化情況。第一道裂隙（裂隙1）在4955min出現，而DFOS-OFDR在4930min便已經探測到裂隙的萌生，說明DFOS-OFDR技術可以提前約25min探測到土體干縮開裂。同理，對于裂隙2、裂隙3和裂隙4，對應的ΔTp值分別為55、40和40min。DFOS-OFDR解調儀（OSI-S）的精度可達1 με。如此高的精度使得DFOS-OFDR能夠準確地感知土體內部的任何微小變形，從而能夠早期探測到土體裂隙。對于每道裂隙，DFOS-OFDR技術預測裂縫形成的提前時間是不同的，這是因為雖然在試驗中使用了相對均勻的泥漿，但泥漿不能完全均勻，這會影響光纜在土體內部的分布，從而影響早期探測的提前時間。

圖3 裂隙寬度與裂隙位置應變狀態的關系

實驗結論

DFOS-OFDR技術可用于監測土體表面和內部干縮裂隙的演化。DFOS-OFDR獲得的應變分布曲線可以準確捕獲土體收縮特性和裂隙萌生位置，并且得到裂隙寬度與對應應變狀態隨干燥時間變化的關系，可以為早期探測裂隙的位置提供幫助。與傳統的離散應變監測方法相比，DFOS-OFDR是一種分布式、無損、準確、高效、高分辨率的土體干縮開裂監測和早期探測技術，為研究土體表面和內部干縮裂隙提供可靠數據支撐。