用于地面沉降监测的光纤−砂土变形协调性试验研究

方袁江^1,2，吴冠中¹，张 丹^1,2，王光亚²，龚绪龙²
1. 南京大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 210023
2. 江苏省地质调查研究院 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 江苏 南京210023

来源：《岩土力学》 第41卷增刊2 第1~4页

摘 要：分布式光纤感测（DOFS）技术已应用于地面沉降变形监测，土体与光纤的变形协调性是该技术应用的关键问题。设计室内三轴压缩试验，将传感光缆埋入土样中，采用OFDR 高空间分辨率光纤感测技术测量土样内部的轴向应变分布，并与位移计实测的试样压缩变形对比。结果表明，在不同围压下进行加/卸载，位移计得到的试样变形和由光纤应变分布计算得到的变形之间均具有良好的线性关系，但加载和卸载过程中纤−土变形协调性存在差异。提出的三轴压缩条件下基于界面无滑移假设的纤−土变形协调理论模型，与试验数据对比，讨论了影响纤−土变形协调性的影响因素。研究发现，三轴压缩条件下传感光缆和土体之间存在滑移，在应用分布式光纤感测技术监测土体压缩变形时宜通过标定试验，对纤−土变形协调参数进行修正。

关 键 词：变形协调；分布式光纤感测（DOFS）；应变传递；三轴试验；地面沉降

OFDR技术不仅能实现分布式测量，还具有高空间分辨率的优点，其空间分辨率与精度远高于传统光时域反射和分析类分布式感测技术，非常适用于岩土工程监测。该实验探索土体压缩变形监测，模拟地下不同深度的砂土含水层的压缩变形。

如图1所示进行应力控制式三轴压缩试验。将传感光缆固定在底面积为30.9cm²的双瓣膜制样器中间，通过分层充填和击实制备三轴砂土试样，试样高度为11.6 cm。试样外套薄乳胶膜上盖压力帽，将压力室注满水后开启注水阀使试样饱和，采用位移计测量试样的轴向变形。

图1 改进的三轴压缩试验装置

实验分别在100、200、400 kPa围压下进行逐级加卸载，如表1所示。

表1 不同围压下施加的轴向偏应力

围压/kPa	轴向偏应力/kPa
100、200	0、25、50、100、200
400	0、50、100、150、200、300、400

试样在各级围压下加卸载循环完成后，光纤会产生不可恢复的残余应变。再次加载前，需将光纤的残余应变清0，试样的残余轴向变形也清0。以探究在不同围压条件下加卸载过程中试样和光纤的变形情况。实验最后在围压400kPa时，逐级加载至试样破坏。

通过OFDR技术测量沿试样高度方向光纤的轴向应变，如图2所示。

从图2中可以看出，光纤的应变分布并不均匀，试样中部出现应变集中现象。随着轴向偏应力的增大，应变集中区域逐步扩展，峰值应变的增长速率越来越快，明显高于试样其他部位，表明该区域的压缩变形较大。应变的峰值出现在距试样底部约6 cm处，试验结束后光纤也在该部位出现明显的弯折现象，说明可能处于试样的潜在剪切破坏面。

当围压增大到200 kPa后，卸载过程中由于试样内部应力状态的调整，造成试样两端的光纤出现了拉应变，但拉应变量未超过100 kPa围压加卸载结束后的残留压应变量，相对于试验初始状态，试样和光纤仍处于压应变状态。

OFDR的空间分辨率为5mm。逐级加卸载时在每级轴压下同时测量试样变形和光纤应变分布。各级轴压下加卸载过程中试样和光纤的变形进行拟合，得到了两者的变形协调规律如图3所示，拟合直线方程和线性拟合系数如表2如示。

图3 光纤变形和试样变形的关系

表2 光纤和试样变形的拟合关系

	围压/kPa	拟合方程	线性拟合系数
加载	100	y = 2.849x	0.997 93
	200	y = 2.693x	0.999 23
	400（第一次加载）	y = 2.867x	0.998 49
	400（第二次加载）	y = 2.515x	0.998 07
卸载	100	y = 1.257x	0.960 94
	200	y = 1.726x	0.991 97
	400	y = 1.490x	0.984 27

结果表明，OFDR测量的光纤变形与位移计实测的试样变形之间有良好的线性关系，拟合度很高，说明纤-土之间具有一定的变形协调能力，而且变形协调性很稳定。验证了分布式光纤感测技术用于土体压缩变形监测的可行性。