地表土體是人類活動和工程建設(shè)的主要場所,其變形和失穩(wěn)會造成滑坡、地面沉降、基坑失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害或巖土工程問題。土體變形規(guī)律十分復(fù)雜,具有大變形、非線性、非連續(xù)性,時空跨度大,空間分布變異強(qiáng)等特點。土體的這些特點要求相應(yīng)的的測量技術(shù)或系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)目煽啃院湍途眯?具備分布式、長距離的監(jiān)測能力,并能準(zhǔn)確、大范圍地獲得土體多場多參量數(shù)據(jù)及其隨時間的變化規(guī)律。分布式光纖感測技術(shù)突破了傳統(tǒng)點式感測技術(shù)的局限,十分適合于土體變形的長距離和分布式監(jiān)測。土體變形規(guī)律復(fù)雜且易受外界因素影響,導(dǎo)致纖、土間的相互作用也相對復(fù)雜;傳感光纜的結(jié)構(gòu)、模量和尺寸不同,其傳感性能也不同;傳感光纜的布設(shè)方式、回填材料的性質(zhì)和回填質(zhì)量不同,則對光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響也不同。因此,從傳感光纜的選擇到布設(shè)、從監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集到處理,都離不開纖、土間變形耦合性的評價。纖-土變形耦合性問題是土體變形分布式光纖監(jiān)測無法回避、必須回答的問題。論文以土體變形分布式光纖監(jiān)測為背景,緊緊圍繞纖-土變形耦合性這一問題,針對當(dāng)前研究在試驗測試、理論和評價模型、改善措施三方面存在的不足,開展了較為深入的研究,取得了如下成果:(1)研制了可控圍壓的纖-土變形耦合性試驗裝置,揭示了0～1.6MPa圍壓范圍內(nèi)纖、土間的相互作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)了土體性質(zhì)對纖-土變形耦合性影響的臨界圍壓值,提出了應(yīng)變擴(kuò)展系數(shù)和纖-土耦合變形系數(shù)兩個表征纖-土變形耦合性的新參數(shù),建立了土體沉降變形光纖監(jiān)測有效深度范圍的快速估算方法。(2)研制了一種微錨固點傳感光纜,探究了錨固點直徑和間距對纖-土變形耦合性的影響,揭示了纖-土界面剪切剛度和抗剪強(qiáng)度隨錨固點直徑和間距的變化規(guī)律,以10 mm高空間分辨率獲取了拉拔過程中沿傳感光纜軸向的應(yīng)變分布,提出了錨固點與地層圍壓的等效作用關(guān)系。(3)提出了纖-土界面處于黏結(jié)狀態(tài)的臨界圍壓和臨界深度。理論分析表明,傳感光纜彈�；虬霃皆叫�,界面內(nèi)摩擦角或黏聚力越大,或地層容重或靜止側(cè)壓力系數(shù)越大,則臨界圍壓或深度越小;給定相關(guān)參數(shù),臨界圍壓或深度僅與最大應(yīng)變梯度有關(guān)。蘇州盛澤地面沉降光纖監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明最大應(yīng)變梯度不超過2×10-3m-1,據(jù)此給出了2mm聚氨酯、鋼絞線、GFRP等五種典型的土體變形監(jiān)測傳感光纜的臨界圍壓和深度值。(4)建立了地層-回填材料-傳感光纜應(yīng)變傳遞模型。理論分析表明,光纜半徑、光纜彈模、鉆孔半徑、地層剪切模量越小,或回填材料剪切模量、地層-回填材料界面黏結(jié)系數(shù)越大,則應(yīng)變傳遞系數(shù)越大。這為鉆孔半徑的確定、傳感光纜和回填材料的選擇提供了參考。(5)探究了地層圍壓效應(yīng)以及地層和回填材料黏滯性對應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響。圍壓對應(yīng)變傳遞的影響取決于回填材料與地層參數(shù)的相對大小關(guān)系,應(yīng)變傳遞系數(shù)隨圍壓增大可能出現(xiàn)單調(diào)增、單調(diào)減或先增后減三種情況�；诜�?jǐn)?shù)階導(dǎo)數(shù)Merchant模型提出了考慮地層和回填材料黏滯性的修正應(yīng)變傳遞系數(shù),理論分析發(fā)現(xiàn)在地層黏彈性變形作用下,修正應(yīng)變傳遞系數(shù)較彈性解偏小;而在兩者黏彈性變形共同作用下,修正應(yīng)變傳遞系數(shù)普遍較彈性解偏大。(6)從幾何學(xué)角度分析了光纖應(yīng)變測值與地層剪切位移間的對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)一步提出了剪切情形下纖-土變形耦合性的定義,即剪切變形后傳感光纜形態(tài)與剪切帶假想變形線的接近程度。據(jù)此建立了計算地層剪切變形的“長路徑模型”和“短路徑模型”,探討了模型參數(shù)的確定方法,分析了剪切帶厚度、剪切位移大小和剪切方向?qū)τ嬎憬Y(jié)果的影響。最后采用文獻(xiàn)中報道的大型模型路堤剪切試驗驗證了該方法的有效性。(7)對蘇州盛澤鉆孔地層主要變形區(qū)開展了纖-土變形耦合性分析。計算得2 mm聚氨酯和鋼絞線傳感光纜的臨界圍壓值分別為0.82 kPa和120.49 kPa,該圍壓落在前述纖、土間具有強(qiáng)耦合變形能力的圍壓范圍內(nèi)(0～360kPa);對應(yīng)的臨界深度分別為0.08m和11.51 m,因此研究區(qū)范圍內(nèi)的纖、土間未發(fā)生脫黏。進(jìn)一步開展應(yīng)變傳遞分析,計算得兩種光纜的平均應(yīng)變傳遞系數(shù)分別為0.989和0.824。采用該系數(shù)修正后,兩種傳感光纜監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致,從而驗證了評價模型的有效性。據(jù)此對比分析了2014年11月前后地層主變形區(qū)的應(yīng)變響應(yīng),結(jié)果表明2012年12月至2014年11月間主抽水含水層上覆和下伏隔水層,尤其是上覆隔水層的壓縮是造成蘇州盛澤地面沉降的主要原因;而2014年11月后兩隔水層內(nèi)壓縮區(qū)域大幅縮減,且壓縮量也相應(yīng)減小,使得總沉降量趨穩(wěn)。(8)馬家溝滑坡光纖觀測孔中的直埋式傳感光纜應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果顯示,該滑坡在距地表12.5 m和33.7 m深處各有一滑面。采用提出的評價方法計算深部滑面剪切位移,計算結(jié)果與測斜儀實測位移吻合得很好,從而驗證了這一方法的有效性。此外,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明庫水位波動與剪切變形量之間有很強(qiáng)的相關(guān)性,表明該滑坡的穩(wěn)定性主要受庫水位所控制。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P642.2
【部分圖文】：

土體變形是其在內(nèi)外動力作用和人類工程活動作用下的一種基本表現(xiàn)形式??和綜合反映。土體的變形和失穩(wěn)會造成各種地質(zhì)災(zāi)害和巖土工程問題，如滑坡、??地面塌陷、基坑失穩(wěn)等（圖１－１）。據(jù)統(tǒng)計，２０１６年全國發(fā)生滑坡、地面塌陷等??地質(zhì)災(zāi)害達(dá)９７１０起，造成６１４人死亡、失蹤或受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失３１．７億元（國??土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中心，２０１６）。??龍｜?脅?１１地酬陷丨泥石流ｋ??Ｉ?職失帛?ｊ?地裂縫?ＩＩ?＾??圖１－１由土體變形失穩(wěn)造成的地質(zhì)災(zāi)害或巖土工程問題??土體變形監(jiān)測是掌握其在多場作用下的變形響應(yīng)規(guī)律，防治土體災(zāi)害的必要??手段。從變形監(jiān)測的角度來看，土體又具有如下特點（施斌，２０１７）：?（１）結(jié)構(gòu)??構(gòu)造復(fù)雜、空間變異性大；（２）規(guī)模廣、距離長、深度大；（３）穿透性弱、隱蔽??性強(qiáng)；（４）多場作用、影響因素復(fù)雜；（５）形態(tài)不規(guī)則、地質(zhì)環(huán)境多樣。土體的??這些特點要求相應(yīng)的的測量技術(shù)或系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)目煽啃院湍途眉�，具備長距離、??Ｉ??

．．現(xiàn)有的土體變形監(jiān)測技術(shù)，按其與土體接觸與否，可分為非接觸式變形監(jiān)測??技術(shù)和接觸式變形監(jiān)測技術(shù)兩類（魏廣慶，２００８）。非接觸變形監(jiān)測技術(shù)主要是??指包括全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（ＧＮＳＳ）、光學(xué)雷達(dá)（ＬｉＤＡＲ）、干涉合成孔徑雷達(dá)??（ＩｎＳＡＲ）等在內(nèi)的遙感遙測技術(shù)（Ｍａｓｓｏｎｎｅｔ?和?Ｆｅｉｇｌ，１９９８；?Ｐｅｌｔｉｅｒ?等，２０１０）。??采用ＩｎＳＡＲ等技術(shù)雖然能獲取地表大范圍內(nèi)的土體變形信息，但無法掌握土體??內(nèi)部的變形情況。此外，這類技術(shù)易受自然條件的影響，無法做到全天候?qū)崟r測??量，且在測量精度上還有待提高（Ｌｉｅｎｈａｒｔ，?２０１５）。接觸式變形監(jiān)測技術(shù)則主要??包括基于電阻式或振弦式的應(yīng)變計、測斜儀、沉降標(biāo)等（圖１－２）。這類技術(shù)雖然??能測量土體內(nèi)部的變形，但多為點式測量，無法實施大范圍、長距離的監(jiān)測；此??夕卜，還存在易受電磁場干擾、易生銹腐蝕、耐久性差等問題。由此可見，上述監(jiān)??測技術(shù)目前還無法滿足土體變形和土體災(zāi)害監(jiān)測與預(yù)警的要求，阻礙了人們對土??體變形規(guī)律及其致災(zāi)機(jī)理的認(rèn)識。因此，通過理論和技術(shù)上的創(chuàng)新，實現(xiàn)土體變??。??

?第一章緒論沿著光纖傳播時，會與纖芯的組成原子、分子發(fā)生作用，產(chǎn)生散射現(xiàn)象（ＳｏｇａＬｕｏ，?２０１８）。根據(jù)光的散射機(jī)理，可將光纖中的散射分為瑞利散射、布里淵散和拉曼散射這三類（圖１－３）。當(dāng)外界參量出現(xiàn)變化時，散射光的特征參量如度、頻率或相位也會隨之發(fā)生變化，通過解調(diào)特征參量的變化便能實現(xiàn)對外界量的測量（ＴｈＳｖｅｎａｚ，２０１０；?Ｂａｏ?和?Ｃｈｅｎ，２０１２）。??—
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