發(fā)布時間：2017-12-24 23:10

  本文關鍵詞：基于光纖感測技術的多場作用下土體結構系統(tǒng)變形響應研究　出處：《南京大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：土體是自然歷史的產物,是一個具有多個層次的結構系統(tǒng)；同時,土體作為一個復雜的開放系統(tǒng),必然受到應力場、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機理,對控制土體變形,防止土體地質災害和保護地質環(huán)境具有重要意義。論文基于光纖感測技術,對多場作用下土體結構系統(tǒng)變形響應進行了比較系統(tǒng)的室內試驗和現(xiàn)場監(jiān)測研究。研發(fā)出了適合于土塊、土層、土體三個結構層次的變形響應光纖光柵傳感器和應變感測光纜,設計出了多場作用下土體結構系統(tǒng)變形響應分布式光纖感測方案；通過均質和非均質土體的室內邊坡模型坡頂加載和坡腳開挖試驗,研究了應力場作用下土體結構系統(tǒng)變形響應規(guī)律；通過均質和非均質土體的室內模型抽水回灌試驗,分析了水分場作用下的土體結構系統(tǒng)變形響應規(guī)律;結合蘇州盛澤地區(qū)現(xiàn)場鉆孔分布式光纖監(jiān)測,研究了應力場、水分場和滲流場等多場作用下土體結構系統(tǒng)的變形響應規(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技術(Fiber Bragg Grating,簡稱FBG)應變傳感器,用于量測多場作用下土塊的變形響應。傳感器性能測試試驗表明：900-HY護套封裝保護的FBG應變傳感器可適用于室內模型試驗中土塊的變形測量；而陶瓷管封裝的FBG應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)了基于預泵浦-布里淵光時域分析技術(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變感測光纜。標定試驗表明：20～40cm的定點間距及5～15mm的膠黏段長度對該光纜的應變傳遞幾乎沒有影響,而初始應變與應變循環(huán)頻率對應變感測性能有一定影響。室內模型試驗結果表明：2mm直徑的小圓盤聚氨酯緊包護套應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構系統(tǒng)變形響應監(jiān)測。(3)總結出了FBG、PPP-BOTDA和布里淵散射光時域反射測量(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry,簡稱BOTDR)三種光纖感測技術及其對應的應變傳感器和應變感測光纜應用于土體結構系統(tǒng)變形響應監(jiān)測的技術要點。(4)開展了均質和非均質室內邊坡土體模型加載試驗,研究了均質和非均質土體在應力場作用下其內部結構系統(tǒng)的變形響應特征。試驗發(fā)現(xiàn)：應力場作用下的均質土體結構系統(tǒng)變形特征與應力場的分布和土體自身的結構特征有關；在非均質土體結構系統(tǒng)中,應力場作用下土體結構系統(tǒng)的變形響應主要受土體結構系統(tǒng)中軟弱夾層的影響。通過對均質土體邊坡模型開挖,發(fā)現(xiàn)重分布的應力場改變了土體結構系統(tǒng)變形的發(fā)展規(guī)律和災變模式。(5)基于PPP-BOTDA及FBG應變感測技術,研究了均質和非均質土體結構系統(tǒng)在水分場作用下的變形響應規(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力環(huán)境有關。(6)依托蘇州盛澤中學一個200m的鉆孔,分析了該鉆孔的第四紀土體結構系統(tǒng)的特點,并在鉆孔中,設計安裝了分布式光纖傳感沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測結果表明：蘇州盛澤監(jiān)測孔的土體結構系統(tǒng)變形主要為41.2-74.8m深度范圍內的土體壓縮變形,變形發(fā)展與地下水水位變化規(guī)律密切相關。發(fā)生壓縮的土層為承壓含水砂層上部的粉質黏土弱透水層；弱透水層的變形響應受組成其土體結構的土性影響顯著,處于軟塑狀態(tài)的粉質黏土與粉砂夾層貢獻了整個弱透水層土體結構系統(tǒng)的主要變形。(7)室內試驗和現(xiàn)場監(jiān)測結果表明：土體結構系統(tǒng)作為一個有機的整體,在多場作用下其變形響應受土層、土塊和土粒等不同層次結構單元體間的相互作用。應力場作用下土質邊坡模型中土層和土體層次變形特征說明低層次土體結構是高層次土體結構組成的基礎,決定了高層次土體結構的變形特征；而高層次土體結構的變形對低層次土體結構又具有反作用。水分場作用下含透鏡體的土體模型變形特征說明土體結構系統(tǒng)的變形也不是各結構層次變形的簡單疊加,不同結構層次變形之間也相互作用,共同影響著土體結構系統(tǒng)的變形響應特征。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TU43

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本文編號：1330344