本文關(guān)鍵詞：基于光纖感測技術(shù)的多場作用下土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)研究　出處：《南京大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：土體是自然歷史的產(chǎn)物,是一個具有多個層次的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)；同時,土體作為一個復(fù)雜的開放系統(tǒng),必然受到應(yīng)力場、水分場、滲流場等多場的耦合作用。了解土體在多場作用下的變形響應(yīng)機理,對控制土體變形,防止土體地質(zhì)災(zāi)害和保護地質(zhì)環(huán)境具有重要意義。論文基于光纖感測技術(shù),對多場作用下土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)進行了比較系統(tǒng)的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測研究。研發(fā)出了適合于土塊、土層、土體三個結(jié)構(gòu)層次的變形響應(yīng)光纖光柵傳感器和應(yīng)變感測光纜,設(shè)計出了多場作用下土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)分布式光纖感測方案；通過均質(zhì)和非均質(zhì)土體的室內(nèi)邊坡模型坡頂加載和坡腳開挖試驗,研究了應(yīng)力場作用下土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)規(guī)律；通過均質(zhì)和非均質(zhì)土體的室內(nèi)模型抽水回灌試驗,分析了水分場作用下的土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)規(guī)律;結(jié)合蘇州盛澤地區(qū)現(xiàn)場鉆孔分布式光纖監(jiān)測,研究了應(yīng)力場、水分場和滲流場等多場作用下土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形響應(yīng)規(guī)律。論文主要取得如下成果：(1)研發(fā)了900-HY護套、陶瓷管護套封裝的兩種布喇格光纖光柵解調(diào)技術(shù)(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG)應(yīng)變傳感器,用于量測多場作用下土塊的變形響應(yīng)。傳感器性能測試試驗表明：900-HY護套封裝保護的FBG應(yīng)變傳感器可適用于室內(nèi)模型試驗中土塊的變形測量；而陶瓷管封裝的FBG應(yīng)變傳感器由于其保護材料具有較大的模量,可防止其植入土體時光柵點的破壞,但其靈敏度較低。(2)研發(fā)了基于預(yù)泵浦-布里淵光時域分析技術(shù)(Pulse-PrePump Brillouin Optical Time-Domain Analyzer,簡稱PPP-BOTDA)的2mm直徑小圓盤聚氨酯緊包護套應(yīng)變感測光纜。標(biāo)定試驗表明：20～40cm的定點間距及5～15mm的膠黏段長度對該光纜的應(yīng)變傳遞幾乎沒有影響,而初始應(yīng)變與應(yīng)變循環(huán)頻率對應(yīng)變感測性能有一定影響。室內(nèi)模型試驗結(jié)果表明：2mm直徑的小圓盤聚氨酯緊包護套應(yīng)變感測光纜適用于荷載、地下水水位升降等作用下的土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)監(jiān)測。(3)總結(jié)出了FBG、PPP-BOTDA和布里淵散射光時域反射測量(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,簡稱BOTDR)三種光纖感測技術(shù)及其對應(yīng)的應(yīng)變傳感器和應(yīng)變感測光纜應(yīng)用于土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形響應(yīng)監(jiān)測的技術(shù)要點。(4)開展了均質(zhì)和非均質(zhì)室內(nèi)邊坡土體模型加載試驗,研究了均質(zhì)和非均質(zhì)土體在應(yīng)力場作用下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形響應(yīng)特征。試驗發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力場作用下的均質(zhì)土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形特征與應(yīng)力場的分布和土體自身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)；在非均質(zhì)土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中,應(yīng)力場作用下土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形響應(yīng)主要受土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中軟弱夾層的影響。通過對均質(zhì)土體邊坡模型開挖,發(fā)現(xiàn)重分布的應(yīng)力場改變了土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形的發(fā)展規(guī)律和災(zāi)變模式。(5)基于PPP-BOTDA及FBG應(yīng)變感測技術(shù),研究了均質(zhì)和非均質(zhì)土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在水分場作用下的變形響應(yīng)規(guī)律。水分場的變化通過對土體模型抽水及回灌來實現(xiàn)。試驗結(jié)果表明：在抽水過程中砂土層和黏土層均表現(xiàn)為體積壓縮；黏土層由于其弱透水性,其壓縮變形速率較慢；在含有透鏡體位置的黏土層最終壓縮變形量較小。在回灌過程中砂層變形較小,而黏土層表現(xiàn)出明顯的體積膨脹變形,并對鄰近的砂土層有一定的擠壓作用。土層中透鏡體自身的變形及對土層變形的貢獻與透鏡體的土性、大小尺寸和所處的應(yīng)力環(huán)境有關(guān)。(6)依托蘇州盛澤中學(xué)一個200m的鉆孔,分析了該鉆孔的第四紀(jì)土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的特點,并在鉆孔中,設(shè)計安裝了分布式光纖傳感沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測結(jié)果表明：蘇州盛澤監(jiān)測孔的土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)變形主要為41.2-74.8m深度范圍內(nèi)的土體壓縮變形,變形發(fā)展與地下水水位變化規(guī)律密切相關(guān)。發(fā)生壓縮的土層為承壓含水砂層上部的粉質(zhì)黏土弱透水層；弱透水層的變形響應(yīng)受組成其土體結(jié)構(gòu)的土性影響顯著,處于軟塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土與粉砂夾層貢獻了整個弱透水層土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要變形。(7)室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明：土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為一個有機的整體,在多場作用下其變形響應(yīng)受土層、土塊和土粒等不同層次結(jié)構(gòu)單元體間的相互作用。應(yīng)力場作用下土質(zhì)邊坡模型中土層和土體層次變形特征說明低層次土體結(jié)構(gòu)是高層次土體結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ),決定了高層次土體結(jié)構(gòu)的變形特征；而高層次土體結(jié)構(gòu)的變形對低層次土體結(jié)構(gòu)又具有反作用。水分場作用下含透鏡體的土體模型變形特征說明土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形也不是各結(jié)構(gòu)層次變形的簡單疊加,不同結(jié)構(gòu)層次變形之間也相互作用,共同影響著土體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的變形響應(yīng)特征。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TU43

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