Penelitian pemantauan serat optik terdistribusi dan teknologi deteksi dini penyusutan kering dan keretakan tanah

Ringkasan

Menguasai kaidah perkembangan medan regangan internal pada saat berkembangnya retakan susut kering pada tanah merupakan prasyarat penting untuk mempelajari mekanisme terbentuknya retakan susut kering pada tanah. Namun metode pemantauan konvensional tidak dapat memperoleh karakteristik deformasi tanah bagian dalam dan tidak dapat memenuhi persyaratan penyusutan kering tanah. Persyaratan untuk studi cracking. Kelompok penelitian Tang Chaosheng mengusulkan metode baru untuk memantau proses penyusutan dan keretakan pengeringan tanah dengan lebih baik berdasarkan teknologi penginderaan serat optik terdistribusi (DFOS-OFDR), dan menemukan bahwa instrumen interogasi DFOS-OFDR (OSI-S) dapat memperoleh tanah secara akurat. proses pengeringan dan perengkahan. Karakteristik evolusi spasial dan temporal dari bidang regangan selama perkembangan retakan susut dapat diposisikan secara akurat, dan pembentukan retakan dapat dirasakan terlebih dahulu.

Proses pengujian

Tanah lempung yang diperoleh kembali dikeringkan di udara, digiling dan dilewatkan melalui saringan 2 mm. Tanah kemudian dicampur dengan air secukupnya untuk mencapai target kadar air sekitar 69% (1,9 kali batas cair) lumpur siap pakai. Lumpur tersebut kemudian digetarkan di atas meja getar selama 5 menit untuk menghilangkan semua gelembung udara, kemudian dituangkan ke dalam cetakan kaca plexiglass dengan panjang 500mm, lebar 50mm, dan tinggi 50mm satu per satu. Peletakan kabel optik regangan adalah dengan menambahkan 800g bubur (tinggi 20mm) terlebih dahulu ke dalam cetakan kaca plexiglass dan menggetarkannya untuk mendapatkan permukaan yang rata. Kabel optik regangan ditempatkan di atas bubur, dan kemudian 400g sisa bubur (tinggi 10mm) dituangkan ke dalam cetakan dan dilakukan. Bergetar untuk menghilangkan gelembung udara. Perlu diperhatikan bahwa kedua ujung kabel optik pada sampel tanah tidak terpasang dan dapat mengendap dengan bebas seiring penyusutan tanah. Kabel optik regangan terhubung sepenuhnya ke demodulator DFOS-OFDR. Diagram skema alat pemantau yang digunakan dalam pengujian ditunjukkan pada Gambar 1. Uji pengeringan dilakukan pada suhu ruangan 30±1 derajat. Untuk menangkap permulaan dan perkembangan retakan tanah selama proses pengeringan dengan lebih baik, kamera digital digunakan untuk mengambil gambar resolusi tinggi setiap 5 menit, dengan frekuensi yang sama dengan pengambilan sampel instrumen interogasi DFOS-OFDR (OSI-S).

Gambar 1 Diagram skema perangkat uji

Hasil tes

Evolusi kurva regangan dengan waktu pengeringan

Gambar a menunjukkan evolusi spatio temporal kurva regangan dari 0 menit hingga 5500 menit pengeringan. Saat pengeringan berlangsung, kurva distribusi regangan secara bertahap berubah dari keadaan tidak terdeformasi ke keadaan terkompresi secara keseluruhan, yang berarti bahwa sampel memiliki kecenderungan untuk menyusut volumenya karena kehilangan air, sehingga menekan kabel optik regangan internal. Ada dua daerah kompresi yang jelas (A1 dan A2) pada gambar, dengan puncak regangan berkisar dari -250 με hingga -3000 με (A1) dan -500 με hingga -10000 με (A2). Penguapan air pada sampel dimulai dari permukaan tanah. Dengan berlanjutnya proses penguapan, pori-pori antar partikel tanah mulai membentuk meniskus air-udara, yang menyebabkan peningkatan hisapan kapiler dan akumulasi tegangan tarik. Bila tegangan tarik yang terakumulasi meningkat melampaui kekuatan tarik tanah, maka akan terjadi keretakan susut pada tanah. Dengan munculnya retakan pertama (4930 menit), regangan tarik muncul dan regangan tekan terus menurun, yang berarti bahwa begitu tanah retak, bertambahnya lebar retakan akan meningkatkan tegangan tarik pada kabel optik dan menghasilkan regangan tarik yang sesuai.

Gambar 2 Evolusi morfologi retakan tanah dan evolusi kurva regangan spasial-temporal selama proses pengeringan dari 0 hingga 5500 menit

Seperti terlihat pada Gambar b, terdapat 4 puncak regangan pada kurva regangan pada 0.29m, 0.36m, 0.20m dan 0.10m, yang mana sepenuhnya konsisten dengan posisi 4 retakan. Puncak regangan retakan 1, 2, 3 dan 4 pada waktu 5500 menit berturut-turut adalah 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με dan -736,39 με. Lebar retakan yang sesuai masing-masing adalah 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm dan 4,54 mm. Dapat dilihat dengan jelas bahwa retakan yang lebih lebar biasanya berhubungan dengan regangan tarik yang lebih besar.

Deteksi dini retak susut kering pada tanah

Hasil yang diperoleh pada bagian sebelumnya menunjukkan bahwa teknologi DFOS-OFDR dapat memperoleh lokasi retakan secara akurat. Untuk menguji apakah teknologi yang diusulkan dapat melakukan deteksi dini lokasi inisiasi retakan susut pengeringan tanah, dipelajari perubahan lebar empat retakan dan keadaan regangannya terhadap waktu pengeringan. Evolusi keadaan regangan yang diperoleh kabel optik tidak hanya mencerminkan penyusutan tanah sebelum retak susut kering, tetapi juga mencerminkan keseluruhan proses perluasan retakan tanah.

Untuk mengevaluasi lebih lanjut apakah teknologi DFOS-OFDR dapat memprediksi retak susut pengeringan tanah terlebih dahulu, penelitian ini mengusulkan tiga parameter: Tm (waktu ketika retak tanah terdeteksi oleh DFOS-OFDR), Tc (diperoleh melalui pengamatan mata telanjang atau gambar digital teknologi pengolahan) waktu retak tanah) dan ΔTp (interval waktu yang diprediksi sebelumnya, didefinisikan sebagai selisih antara Tm dan Tc).

Gambar 3 menunjukkan perubahan lebar retak dan keadaan regangan seiring dengan waktu pengeringan. Retakan pertama (Retakan 1) muncul pada menit ke-4955, dan DFOS-OFDR telah mendeteksi permulaan retakan pada menit ke-4930, hal ini menunjukkan bahwa teknologi DFOS-OFDR dapat mendeteksi retak susut pengeringan tanah sekitar 25 menit sebelumnya. Demikian pula, untuk retakan 2, retakan 3 dan retakan 4, nilai ΔTp masing-masing adalah 55, 40 dan 40 menit. Keakuratan demodulator DFOS-OFDR (OSI-S) bisa mencapai 1 με. Akurasi tinggi tersebut memungkinkan DFOS-OFDR mendeteksi secara akurat setiap deformasi kecil di dalam tanah, sehingga memungkinkan deteksi dini retakan tanah. Untuk setiap retakan, lead time pembentukan retakan yang diprediksi dengan teknologi DFOS-OFDR berbeda-beda. Hal ini karena meskipun lumpur yang digunakan dalam pengujian relatif seragam, lumpur tersebut tidak dapat seragam sepenuhnya, sehingga akan mempengaruhi distribusi kabel optik di dalam tanah. Hal ini mempengaruhi lead time deteksi dini.

Gambar 3 Hubungan lebar retak dan keadaan regangan posisi retak

Hasil percobaan

Teknologi DFOS-OFDR dapat digunakan untuk memantau perkembangan retakan susut kering pada permukaan tanah dan bagian dalam. Kurva distribusi regangan yang diperoleh dengan DFOS-OFDR dapat secara akurat menangkap karakteristik penyusutan tanah dan posisi inisiasi retakan, serta memperoleh hubungan antara lebar retakan dan keadaan regangan yang sesuai dengan waktu pengeringan, yang dapat memberikan bantuan untuk deteksi dini lokasi retakan. . Dibandingkan dengan metode pemantauan regangan diskrit tradisional, DFOS-OFDR adalah teknologi pemantauan retak susut pengeringan tanah yang terdistribusi, tidak merusak, akurat, efisien, dan beresolusi tinggi serta teknologi deteksi dini. Ini digunakan untuk mempelajari permukaan tanah dan retakan susut kering internal. Memberikan dukungan data yang andal.