目前,由于地層塌陷引起的埋地管道突發(fā)性事故時有發(fā)生,然而國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究相對滯后,尚無相關(guān)理論預(yù)測地面沉陷過程中管道及周邊土體的受力變形規(guī)律。通過基于光纖布拉格光柵(FBG)的模型試驗(yàn),研究了地層塌陷時管道的受力特征及土層的沉降分布規(guī)律,并推導(dǎo)提出了由光纖應(yīng)變測值計(jì)算管道彎矩的方法。試驗(yàn)結(jié)果表明:①隨著塌陷體積的增加,埋地管道呈現(xiàn)出頂?shù)字饾u受壓和側(cè)邊受拉的應(yīng)變狀態(tài);②根據(jù)埋設(shè)在土體中的FBG應(yīng)變讀數(shù)可以將土體變形發(fā)展分為應(yīng)力重分布階段、土體蠕變壓縮階段和塌陷后的穩(wěn)定階段3個階段;③地面沉降符合修正高斯分布曲線,在此基礎(chǔ)上建立了光纖水平向應(yīng)變與地面沉降變形之間的數(shù)學(xué)模型,并對比分析了理論計(jì)算值與試驗(yàn)值,發(fā)現(xiàn)二者具有良好的一致性。該研究為埋地管道安全性評估和災(zāi)變預(yù)警提供了一種新的思路和方法。

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【部分圖文】：

圖1管道模型試驗(yàn)裝置示意圖

本試驗(yàn)利用水囊排水法精確控制管道下部土體的塌陷體積。在模型填筑前，緊貼模型箱底板放置一個水囊，水囊充水體積為1800mL，充水后高度約3cm。然后分層填筑砂土、埋設(shè)管道，靜置2h后開始試驗(yàn)。1.2試驗(yàn)方案

圖2Geo-PIV計(jì)算得到的土體位移場云圖

在整個試驗(yàn)過程中，水囊排水的速度控制為約40mL/min。采用A01C型光纖光柵解調(diào)儀自動采集FBG波長讀數(shù)，其波長分辨率為1pm，重復(fù)性為±3pm。同時，將數(shù)碼相機(jī)置于模型箱正前方連續(xù)拍攝照片，采用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)獲取管道周邊土體的變形。圖2為利用英國劍橋大學(xué)開....

圖3H2位置處的FBG傳感器應(yīng)變測值

以下首先分析管道下方土體中的FBG光纖串H2的讀數(shù)。從應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，土體變形發(fā)展經(jīng)歷了，即應(yīng)力重分布階段（階段Ⅰ）、土體蠕變壓縮階段（階段Ⅱ）和塌陷后的穩(wěn)定階段（階段Ⅲ）3個階段，如圖3所示。圖中拉應(yīng)變?yōu)檎�，壓�?yīng)變?yōu)樨?fù)。(1）當(dāng)時間t=0～500s，隨著水囊排水量的增加....

圖4H1位置處的FBG傳感器應(yīng)變測值

(3）經(jīng)過對同一土層內(nèi)的FBG監(jiān)測結(jié)果對比分析后發(fā)現(xiàn)，管體正上方的FBG3傳感器受到很大的壓應(yīng)變，而靠近模型箱邊界處的傳感器FBG1、FBG5測值變化幅度最小。這是由于土體沉降變形的局部化造成的。在模型試驗(yàn)中觀測到，地表中心點(diǎn)處的沉降量最大，靠近兩側(cè)逐漸減小。2.2管道受力監(jiān)測....

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