Forschung zur verteilten Glasfaserüberwachung und Früherkennungstechnologie für Trockenschrumpfung und Rissbildung im Boden

Überblick

Die Beherrschung der Entwicklungsregeln des inneren Spannungsfeldes bei der Entstehung von Trockenrissen im Boden ist eine wichtige Voraussetzung für die Untersuchung des Entstehungsmechanismus von Trockenrissen im Boden. Herkömmliche Überwachungsmethoden können jedoch die Verformungseigenschaften des inneren Bodens nicht ermitteln und die Anforderungen an die Trockenschrumpfung des Bodens nicht erfüllen. Voraussetzungen für Cracking-Studien. Die Forschungsgruppe von Tang Chaosheng schlug eine neue Methode zur verfeinerten Überwachung des Schrumpfungs- und Rissbildungsprozesses bei der Bodentrocknung vor, die auf der verteilten optischen Fasersensortechnologie (DFOS-OFDR) basiert, und stellte fest, dass das DFOS-OFDR-Abfrageinstrument (OSI-S) den Boden genau erfassen kann Trocknungs- und Crackprozess. Die räumlichen und zeitlichen Verlaufseigenschaften des Dehnungsfeldes während der Entstehung von Schwindungsrissen können genau lokalisiert und die Entstehung von Rissen im Voraus erkannt werden.

Testprozess

Der gewonnene Lehmboden wurde luftgetrocknet, gemahlen und durch ein 2-mm-Sieb gegeben. Anschließend wird der Boden mit einer geeigneten Menge Wasser vermischt, um einen Zielfeuchtigkeitsgehalt von etwa 69 % (1,9-fache Flüssigkeitsgrenze) des gebrauchsfertigen Schlamms zu erreichen. Anschließend wird der Schlamm 5 Minuten lang auf einem Rütteltisch gerüttelt, um alle Luftblasen zu entfernen, und dann nacheinander in eine Plexiglasform mit einer Länge von 500 mm, einer Breite von 50 mm und einer Höhe von 50 mm gegossen. Beim Verlegen des optischen Kabels werden zunächst 800 g Schlicker (20 mm hoch) in die Plexiglasform gegeben und vibriert, um eine ebene Oberfläche zu erhalten. Das optische Dehnungskabel wird auf die Aufschlämmung gelegt, und dann werden 400 g der verbleibenden Aufschlämmung (10 mm hoch) in die Form gegossen und herausgenommen. Vibrieren, um Luftblasen zu entfernen. Es ist zu beachten, dass die beiden Enden des optischen Kabels in der Bodenprobe nicht fixiert sind und sich beim Schrumpfen des Bodens frei absetzen können. Das optische Dehnungskabel ist vollständig mit dem DFOS-OFDR-Demodulator verbunden. Das schematische Diagramm des im Test verwendeten Überwachungsgeräts ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Trocknungstest wird bei Raumtemperatur (30 ± 1 Grad) durchgeführt. Um die Entstehung und Entwicklung von Bodenrissen während des Trocknungsprozesses besser erfassen zu können, wurde eine Digitalkamera verwendet, um alle 5 Minuten hochauflösende Bilder aufzunehmen, mit der gleichen Frequenz wie die Probenahme des DFOS-OFDR-Abfrageinstruments (OSI-S).

Abbildung 1 Schematische Darstellung des Testgeräts

Testergebnisse

Entwicklung der Dehnungskurve mit der Trocknungszeit

Abbildung a zeigt die räumlich-zeitliche Entwicklung der Dehnungskurve von 0 min bis 5500 min Trocknung. Mit fortschreitender Trocknung ändert sich die Dehnungsverteilungskurve allmählich vom unverformten Zustand in den insgesamt komprimierten Zustand, was bedeutet, dass die Probe aufgrund von Wasserverlust dazu neigt, im Volumen zu schrumpfen, wodurch das interne Dehnungslichtleiterkabel zusammengedrückt wird. Es gibt zwei offensichtliche Kompressionsbereiche (A1 und A2) in der Abbildung, in denen die Spannungsspitzen im Bereich von -250 με bis -3000 με (A1) und -500 με bis -10000 liegen. με (A2). Die Verdunstung des Wassers in der Probe beginnt an der Bodenoberfläche. Mit fortschreitendem Verdunstungsprozess beginnen die Poren zwischen den Bodenpartikeln, Wasser-Luft-Menisken zu bilden, was zu einer Erhöhung der Kapillarsaugung und dem Aufbau von Zugspannungen führt. Wenn die akkumulierte Zugspannung über die Zugfestigkeit des Bodens hinaus ansteigt, kommt es zu Schwindrissen im Boden. Mit dem Auftreten des ersten Risses (4930 Minuten) tritt eine Zugspannung auf und die Druckspannung nimmt weiter ab, was bedeutet, dass, sobald der Boden reißt, die Zunahme der Rissbreite die Zugspannung auf das optische Kabel erhöht und eine entsprechende Zugspannung erzeugt.

Abbildung 2 Entwicklung der Bodenrissmorphologie und räumlich-zeitliche Entwicklung der Dehnungskurve während des Trocknungsprozesses von 0 bis 5500 min

Wie in Abbildung b dargestellt, gibt es 4 Dehnungsspitzen auf der Dehnungskurve bei 0,29 m, 0,36 m, 0,20m und 0,10 m stimmen vollständig mit den Positionen der 4 Risse überein. Die Dehnungsspitzen der Risse 1, 2, 3 und 4 bei 5500 min betragen 8457,11 με, 3552,48 με, -719,67 με bzw. -736,39 με. Die entsprechenden Rissbreiten betragen 6,41 mm, 6,61 mm, 4,45 mm bzw. 4,54 mm. Es ist deutlich zu erkennen, dass breitere Risse meist mit größeren Zugdehnungen einhergehen.

Frühzeitige Erkennung trockener Schwindrisse im Boden

Die im vorherigen Abschnitt erzielten Ergebnisse zeigen, dass die DFOS-OFDR-Technologie die Position des Risses genau ermitteln kann. Um zu testen, ob die vorgeschlagene Technologie eine frühzeitige Erkennung des Ursprungsorts von Schrumpfungsrissen beim Trocknen des Bodens ermöglichen kann, wurden die Änderungen in der Breite von vier Rissen und deren Spannungszustände mit der Trocknungszeit untersucht. Die Entwicklung des durch das optische Kabel erhaltenen Dehnungszustands kann nicht nur die Bodenschrumpfung vor der Trockenschrumpfrissbildung widerspiegeln, sondern auch den gesamten Prozess der Bodenrissausdehnung.

Um weiter zu bewerten, ob die DFOS-OFDR-Technologie Rissbildung durch Bodentrocknung im Voraus vorhersagen kann, wurden in dieser Studie drei Parameter vorgeschlagen: Tm (der Zeitpunkt, zu dem Bodenrisse durch DFOS-OFDR erkannt werden), Tc (erhalten durch Beobachtung mit bloßem Auge oder digitales Bild). Verarbeitungstechnologie) Bodenrisszeit) und ΔTp (im Voraus vorhergesagtes Zeitintervall, definiert als Differenz zwischen Tm und Tc).

Abbildung 3 zeigt die Änderungen der Rissbreite und des Dehnungszustands mit der Trocknungszeit. Der erste Riss (Riss 1) trat nach 4955 Minuten auf, und DFOS-OFDR hatte die Entstehung von Rissen bereits nach 4930 Minuten erkannt, was darauf hindeutet, dass die DFOS-OFDR-Technologie Risse durch Bodentrocknung etwa 25 Minuten im Voraus erkennen kann. Ebenso betragen die entsprechenden ΔTp-Werte für Riss 2, Riss 3 und Riss 4 jeweils 55, 40 und 40 Minuten. Die Genauigkeit des DFOS-OFDR-Demodulators (OSI-S) kann 1 με erreichen. Diese hohe Genauigkeit ermöglicht es DFOS-OFDR, jede kleine Verformung im Boden genau zu erfassen und so Bodenrisse frühzeitig zu erkennen. Für jeden Riss ist die von der DFOS-OFDR-Technologie vorhergesagte Vorlaufzeit der Rissbildung unterschiedlich. Dies liegt daran, dass im Test zwar relativ gleichmäßiger Schlamm verwendet wurde, der Schlamm jedoch nicht völlig gleichmäßig sein kann, was sich auf die Verteilung der optischen Kabel im Boden auswirkt. Dies wirkt sich auf die Vorlaufzeit der Früherkennung aus.

Abbildung 3 Zusammenhang zwischen Rissbreite und Dehnungszustand der Rissposition

Experimentelle Ergebnisse

Mit der DFOS-OFDR-Technologie kann die Entwicklung trockener Schwindrisse an der Bodenoberfläche und im Boden überwacht werden. Die durch DFOS-OFDR erhaltene Dehnungsverteilungskurve kann die Schwindungseigenschaften des Bodens und die Rissinitiierungspositionen genau erfassen und die Beziehung zwischen der Rissbreite und dem entsprechenden Dehnungszustand mit der Trocknungszeit ermitteln, was bei der frühzeitigen Erkennung der Position von Rissen hilfreich sein kann . Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur diskreten Dehnungsüberwachung ist DFOS-OFDR eine verteilte, zerstörungsfreie, genaue, effiziente und hochauflösende Technologie zur Überwachung von Bodentrocknung, Schrumpfung, Rissbildung und Früherkennung. Es wird zur Untersuchung von Bodenoberflächen- und inneren Trockenrissen verwendet. Bieten Sie zuverlässige Datenunterstützung.