光ファイバーの分散監視と土壌の乾燥収縮・ひび割れの早期発見技術に関する研究

概要

土壌の乾燥収縮亀裂の発達中の内部ひずみ場の発達規則を習得することは、土壌の乾燥収縮亀裂の形成メカニズムを研究するための重要な前提条件です。 しかし、従来のモニタリング方法では内部土の変形特性を把握することができず、土の乾燥収縮の要求を満たすことができません。 亀裂研究の要件。 Tang Chaoshengの研究グループは、分散型光ファイバーセンシング技術(DFOS-OFDR)に基づいて土壌の乾燥収縮と亀裂プロセスを精密にモニタリングする新しい方法を提案し、DFOS-OFDR調査装置(OSI-S)が土壌を正確に取得できることを発見した。乾燥とひび割れの工程。 収縮亀裂の進展中のひずみ場の空間的および時間的発展特性を正確に位置特定することができ、亀裂の形成を事前に感知することができます。

テストプロセス

回収した粘土質土壌を風乾し、粉砕し、２ｍｍの篩に通した。 次に、この土壌を適切な量の水と混合して、すぐに使用できる泥の目標含水率約 69% (液体限界の 1.9 倍) を達成します。 泥を振動台上で5分間振動させて気泡を取り除き、長さ500mm、幅50mm、高さ50mmのプレキシガラス製の型に次々と流し込みます。 ひずみ光ケーブルの敷設では、まず 800 g のスラリー (高さ 20 mm) をプレキシガラスの型に加え、振動させて平坦な表面を形成します。 スラリーの上にひずみ光ケーブルを置き、残りのスラリー４００ｇ（高さ１０ｍｍ）を型に流し込み搬出する。 振動させて気泡を取り除きます。 土壌サンプル内の光ケーブルの両端は固定されておらず、土壌が収縮するにつれて自由に沈下する可能性があることは注目に値します。 ひずみ光ケーブルは DFOS-OFDR 復調器に完全に接続されています。 試験に使用したモニタリング装置の概略図を図 1 に示します。乾燥試験は室温 30±1 度で実施します。 乾燥プロセス中の土壌亀裂の発生と進展をより正確に捕捉するために、デジタル カメラを使用して、DFOS-OFDR 調査装置 (OSI-S) のサンプリングと同じ頻度で 5 分ごとに高解像度画像を捕捉しました。

図1 試験装置の概略図

試験結果

乾燥時間によるひずみ曲線の変化

図 a は、0 分から 5500 分の乾燥までのひずみ曲線の時空間変化を示しています。 乾燥が進むにつれて、ひずみ分布曲線は変形していない状態から全体的に圧縮された状態に徐々に変化します。これは、サンプルが水分の損失により体積が収縮する傾向があり、それによって内部のひずみ光ケーブルが圧迫されることを意味します。 図には 2 つの明らかな圧縮領域 (A1 および A2) があり、ひずみピークの範囲は -250 με から -3000 με (A1) および -500 με から -10000 です。 με(A2)。 サンプル中の水の蒸発は土壌表面から始まります。 蒸発プロセスが続くと、土壌粒子間の細孔が水と空気のメニスカスを形成し始め、これにより毛管吸引力が増大し、引張応力が蓄積されます。 蓄積された引張応力が土の引張強度を超えて増加すると、土に収縮亀裂が発生します。 最初の亀裂の出現 (4930 分) により、引張ひずみが現れ、圧縮ひずみは減少し続けます。これは、土壌に亀裂が生じると、亀裂幅の増加により光ケーブルにかかる引張応力が増加し、対応する引張ひずみが生成されることを意味します。

図2 0から5500分までの乾燥プロセス中の土壌亀裂形態の変化とひずみ曲線の時空間変化

図bに示すように、ひずみ曲線には0.29m、0.36m、0.20mおよび0.10mの位置に4つのひずみピークがあります。 4つの亀裂の位置と完全に一致しています。 5500 分における亀裂 1、2、3、および 4 のひずみピークは、それぞれ 8457.11 με、3552.48 με、-719.67 με、および -736.39 με です。 対応する亀裂の幅はそれぞれ 6.41 mm、6.61 mm、4.45 mm、4.54 mm です。 通常、より広い亀裂はより大きな引張歪みに対応することがはっきりとわかります。

土壌の乾燥収縮亀裂の早期発見

前セクションで得られた結果は、DFOS-OFDR テクノロジーが亀裂の位置を正確に取得できることを示しています。 提案技術が土壌乾燥収縮亀裂の発生位置を早期に検出できるかどうかをテストするために、乾燥時間に伴う4つの亀裂の幅とひずみ状態の変化を調査しました。 光ケーブルによって得られるひずみ状態の変化は、乾燥収縮亀裂前の土壌収縮を反映するだけでなく、土壌亀裂の拡大プロセス全体を反映することもできます。

DFOS-OFDR技術が土壌乾燥収縮ひび割れを事前に予測できるかどうかをさらに評価するために、この研究では、Tm（DFOS-OFDRによって土壌ひび割れが検出された時間）、Tc（肉眼観察またはデジタル画像によって取得される）の3つのパラメータを提案しました。処理技術）土壌の亀裂時間）とΔTp（事前に予測された時間間隔、TmとTcの差として定義）。

図3に乾燥時間に伴う亀裂幅とひずみ状態の変化を示します。 最初の亀裂 (亀裂 1) は 4955 分に発生し、DFOS-OFDR はすでに 4930 分に亀裂の発生を検出していました。これは、DFOS-OFDR 技術が土壌の乾燥収縮亀裂を約 25 分前に検出できることを示しています。 同様に、亀裂 2、亀裂 3、および亀裂 4 の場合、対応する ΔTp 値はそれぞれ 55、40、および 40 分です。 DFOS-OFDR 復調器 (OSI-S) の精度は 1 με に達します。 このような高精度により、DFOS-OFDR は土壌内部の小さな変形を正確に感知することができ、土壌亀裂の早期発見が可能になります。 亀裂ごとに、DFOS-OFDR 技術によって予測される亀裂形成のリードタイムは異なります。 これは、試験では比較的均一な泥を使用しましたが、泥を完全に均一にすることはできず、土壌内の光ケーブルの分布に影響を与えるためです。 これは早期発見のリードタイムに影響します。

図3 き裂幅とき裂位置ひずみ状態の関係

実験結果

DFOS-OFDR テクノロジーを使用すると、土壌の表面と内部の乾燥収縮亀裂の進展を監視できます。 DFOS-OFDRで得られたひずみ分布曲線は、土壌の収縮特性やひび割れの発生位置を正確に捉え、ひび割れ幅と乾燥時間に応じたひずみ状態の関係を得ることができるため、ひび割れ位置の早期発見に役立ちます。 。 従来の個別ひずみモニタリング方法と比較して、DFOS-OFDR は分散型、非破壊、正確、効率的、高分解能の土壌乾燥収縮ひび割れモニタリングおよび早期検出技術です。 土壌表面および内部の乾燥収縮亀裂を研究するために使用されます。 信頼性の高いデータ サポートを提供します。