OFDR技术不仅能实现分布式测量，还具有高空间分辨率的优点，其空间分辨率与精度远高于传统光时域反射和分析类分布式感测技术，非常适用于岩土工程监测。该实验探索土体压缩变形监测，模拟地下不同深度的砂土含水层的压缩变形。
如图1所示进行应力控制式三轴压缩试验。将传感光缆固定在底面积为30.9cm2的双瓣膜制样器中间，通过分层充填和击实制备三轴砂土试样，试样高度为11.6 cm。试样外套薄乳胶膜上盖压力帽，将压力室注满水后开启注水阀使试样饱和，采用位移计测量试样的轴向变形。
图1 改进的三轴压缩试验装置
实验分别在100、200、400 kPa围压下进行逐级加卸载，如表1所示。
表1 不同围压下施加的轴向偏应力
| 围压/kPa | 轴向偏应力/kPa |
| 100、200 | 0、25、50、100、200 |
| 400 | 0、50、100、150、200、300、400 |
试样在各级围压下加卸载循环完成后，光纤会产生不可恢复的残余应变。再次加载前，需将光纤的残余应变清0，试样的残余轴向变形也清0。以探究在不同围压条件下加卸载过程中试样和光纤的变形情况。实验最后在围压400kPa时，逐级加载至试样破坏。
通过OFDR技术测量沿试样高度方向光纤的轴向应变，如图2所示。
(a) 围压100kPa
(b) 围压200kPa
(c) 围压400kPa
(d) 围压400kPa(加载至破坏)
从图2中可以看出，光纤的应变分布并不均匀，试样中部出现应变集中现象。随着轴向偏应力的增大，应变集中区域逐步扩展，峰值应变的增长速率越来越快，明显高于试样其他部位，表明该区域的压缩变形较大。应变的峰值出现在距试样底部约6 cm处，试验结束后光纤也在该部位出现明显的弯折现象，说明可能处于试样的潜在剪切破坏面。
当围压增大到200 kPa后，卸载过程中由于试样内部应力状态的调整，造成试样两端的光纤出现了拉应变，但拉应变量未超过100 kPa围压加卸载结束后的残留压应变量，相对于试验初始状态，试样和光纤仍处于压应变状态。
OFDR的空间分辨率为5mm。逐级加卸载时在每级轴压下同时测量试样变形和光纤应变分布。各级轴压下加卸载过程中试样和光纤的变形进行拟合，得到了两者的变形协调规律如图3所示，拟合直线方程和线性拟合系数如表2如示。
图3 光纤变形和试样变形的关系
表2 光纤和试样变形的拟合关系
|
围压/kPa |
拟合方程 |
线性拟合系数 |
|
|
加载 |
100 |
y = 2.849x |
0.997 93 |
|
200 |
y = 2.693x |
0.999 23 |
|
|
400（第一次加载） |
y = 2.867x |
0.998 49 |
|
|
400（第二次加载） |
y = 2.515x |
0.998 07 |
|
|
卸载 |
100 |
y = 1.257x |
0.960 94 |
|
200 |
y = 1.726x |
0.991 97 |
|
|
400 |
y = 1.490x |
0.984 27 |
结果表明，OFDR测量的光纤变形与位移计实测的试样变形之间有良好的线性关系，拟合度很高，说明纤-土之间具有一定的变形协调能力，而且变形协调性很稳定。验证了分布式光纤感测技术用于土体压缩变形监测的可行性。
来源：《中国知网》岩土力学 第41卷增刊2 第1~4页
作者：方袁江1,2，吴冠中1，张 丹1,2，王光亚2，龚绪龙2
1. 南京大学 地球科学与工程学院
2. 江苏省地质调查研究院 国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室
