CN113702440A - 一种土体内部裂隙发育状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土体内部裂隙发育状态监测方法，属于岩土工程中土体监测领域。该方法基于分布式光纤测温技术，包括感温光缆布设、自加热模块、分布式光纤测温系统和数据处理系统，分布式光纤测温系统和数据处理系统获得自加热后感温光缆中感温光纤的温度分布，根据温度与进行裂隙位置和宽度反演，通过土体和空气的导热系数差异实现对土体内部裂隙的发育状态监测。本发明能在不扰动被监测土体的情况下，在大尺度空间范围内，对土体内部的裂隙发育进行连续动态的原位监测，实现裂隙在长度和深度方向发育程度的实时监测，监测结果准确、可靠且操作简便。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程中土体监测领域，更具体地说，涉及一种土体内部裂隙发育状态监测方法。
背景技术
自然界的黏性土在干燥失水过程中极易发生干缩开裂，这是一种常见的自然现象。干缩裂隙的产生会降低土体的承载力和稳定性，增加土体的压缩性。裂隙的存在会破坏土体的整体性，极大弱化土体的工程性质，引起地面不均匀沉降，对地表的基础设施和工程结构的稳定性产生极大负面影响。裂隙还会为雨水入渗到土体内部提供便捷通道，降低土体的抗剪强度，导致边坡失稳并可能引发滑坡等工程地质灾害。除此之外，龟裂还会暴露深层土体，导致土壤深部发展新的裂缝，弱化土体结构，增加土层的风化深度和雨水入渗深度，加重坡面的水土流失，破坏生态环境。由此可见，黏性土的裂隙问题涉及的领域多、范围广，具有一定的普遍性。随着全球气候的变暖和极端干旱性气候的频发，可以预见由土体干缩开裂带来的各种工程问题和环境问题将越来越多、越来越显著。
土体裂隙错综复杂，彼此交叉形成网络结构，对裂隙网络的准确获取不仅是获得裂隙网络相关几何参数的基础，也是进一步研究原位收缩、干燥裂隙形成机理的重要基础和前提。对裂隙的观测，早在上个世纪就已开始，基于现场人工测量对裂隙长度、深度进行统计。但由于人工测量的误差性，这种方式效率低且精度不足。随着技术发展进步，目前较为主流的观测手段为获取数字图像，通过数字图像处理技术对裂隙图像进行灰度化、二值化、去噪预处理操作获得裂隙网络，但这种方法过于依赖于原始图像的质量，在土体表面存在不均或照明条件较差的情况下图像处理精度会有所降低。
在以往的研究中，运用的观测技术大多局限于对可拍摄的土体表面裂隙进行观测，获取的信息局限于二维平面的描述，极少针对裂隙三维形态和土体内部裂隙展开监测。随着计算机技术的发展，逐渐出现了一些三维的成像技术，包括弹性波成像法、X射线CT扫描成像法、核磁共振成像法、电阻率层析成像法、地中穿透雷达成像法、电磁感应成像法等。在这些成像法中，核磁共振成像法多用于对试验样品(数十毫米直径的样品)的成像，加之设备昂贵，其在探索土体干缩开裂应用中受到了很大的限制；电阻率层析成像可以达到非破坏性监测，但是操作困难并且没办法直接监测土体内部在产生裂缝整个过程的应变场的变化，尤其是部分裂隙是从土层底部首先产生并非表面；地中穿透雷达成像法、电磁感应成像法和弹性波成像法更方便地用于野外勘察，但难于在较小的尺度范围内使用，也很难在同样的条件下进行动态监测，而这种动态监测正是对探索土体裂隙过程机理研究时所需要的。
因此，急需要开发新的技术，以更好的对土体内部裂隙发育状态进行监测。
发明内容
1.发明目的
本发明的目的是针对土体干缩开裂问题，提供一种全新的土体内部裂隙发育状态的监测方法，该方法基于分布式光纤测温技术测量整个感温光纤路径上的温度，根据温度与感温光纤周围介质的导热系数相关的原理，通过温度的波动得到土体内部裂隙的发育状态，具有施工方便和工艺简单等诸多优势。
2.技术方案
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种土体内部裂隙的监测方法，该方法是在土体中布设感温光纤，加热感温光纤，基于分布式光纤测温技术测量感温光纤路径上连续的响应点的位置信息和温度信息，通过感温光纤路径上温度的波动监测土体内部裂隙的发育状态，温度传感过程中，土体中裂隙的部位热扩散能力弱，对应的温度也越高；不同含水率的土体相对于裂隙内部空气热扩散能力强，对应的温度也越低，因此感温光纤上温度因为周围介质是土壤或空气而发生波动，感温光纤路径上温度升高的部位则表明出现裂隙，通过温度的波动可以得到土体内部裂隙的宽度，监测土体内部裂隙的发育状态。
优选地，上述土体内部裂隙发育状态监测方法还包括裂隙状态反演，所述裂隙状态反演指通过温度反向推测土体裂隙状态，土体裂隙状态计算线性热源(感温光纤)周围介质的导热系数λ确定，具体通过式(1)确定，升温过程中感温光纤温度T与感温光纤周围介质的导热系数λ之间满足下列关系，空气导热系数约为0.023W/(m·K)；黏性土的导热系数约为0.25～2.05W/(m·K)：
式中：T0为初始温度；q单位感温光纤的加热功率；t是线性热源与周围介质(土体或裂隙)的接触时间；d常数。
优选地，上述响应点的位置信息和温度信息是通过检测感温光纤上光信号并将其转化而成位置信息和温度信息，光信号在不同温度条件下具有不同的传输特征和反射特征，泵浦光注入到光纤后，光子与光纤分子产生碰撞，产生声波，光子与声子的非弹性碰撞发生拉曼散射，产生两个不同波长的分量：斯托克斯散射光与反斯托克斯散射光，其中波长大于入射光的分量叫斯托克斯光，波长小于入射光的分量叫做反斯托克斯光，反斯托克斯光对温度敏感，即光纤上的不同温度响应会导致产生不同光强和频率的反斯托克斯光；根据脉冲光在光纤中入射和反射的时间差以及光束在光纤中传输的速度，可以定位出响应点位置信息，根据传感光纤传导的散射光的光强和频率，并结合参考光，可以计算出响应点的温度信息。
优选地，上述响应点位置信息计算如公式(2)所示，根据DTS的测距原理，首先确定从发射信号到接收到返回信号所用的时间，根据光在光纤中的速度，然后计算距离：
式中：X为任意一点至脉冲光注入端的距离；T′为从信号发射到接受到返回信号的时间；c为真空中的光速；n为被测光折射率。
优选地，上述响应点的温度信息计算如公式(3)所示：
式中：R(T)为待测温度的函数；IF为反斯托克斯光强；IS为斯多克斯光强；vF为反斯托克斯光频率；vS为斯托克斯光频率；c为真空中的光速；v为拉曼散射平移量；h为普朗克常量；K为波尔兹曼常数；T为待测试温度。
优选地，上述光信号通过光信号解调仪及脉冲光源检测，在光信号解调仪中可准确解调反斯托克斯光强IF和斯托克斯光强IS之比，并获取反斯托克斯光的频率vF以及频率斯托克斯光的vS。
优选地，上述响应点的位置信息和温度信息通过温度信息解调仪转化，以中央处理器为主体，并结合光学器件，并根据式(2)和式(3)计算响应点的位置信息和温度信息。
优选地，上述感温光纤布设方式包括平面网状布设和/或深度逐层布设，感温光纤的布设间距和布设方式选择需要根据野外实际需要监测裂隙的深度、宽度及密度决定。
优选地，对于土表面复杂裂隙网络的监测采用平面网状布设，可以准确得到土体表面裂隙的发育方向和发育宽度。
优选地，对于野外单道土体裂隙网络的监测采用深度逐层布设方式，不仅可以得到裂隙发育的准确深度而且可以获得裂隙从上到下的延深度发育准确宽度。
优选地，上述感温光纤由纤芯、涂覆层、包层、光纤护套组成。
优选地，上述感温光纤还包括包裹在感温光纤周围的铜丝、铜网和光缆护套，组成感温光缆。
优选地，上述感温光纤的加热通过加热模块进行，所述加热模块将铜网与电路连接，通电加热铜网以加热感温光纤。加热模块将电能转换成热能并使其向周围土中扩散，在转换过程中部分热能从铜网向外部土体介质或者空气介质中传播，另一部分能量向内部光纤传播，将光纤加热，二者之和为铜网向外释放的总能量，其中真正有效利用的能量是从光缆向周围扩散的热量，因此，应该尽量减少光缆本身对热量的吸收，将感温光缆通过开挖铺设于土体用于监测干缩开裂时，还应该尽量降低开挖回填材料及截面热阻抗的影响。
优选地，上述加热模块包括供给电源、变压器及调压器，使用时电流通过外部电路流入，电流流经变压器，将电压转换到所需的电压，从变压器流出的电流经过调压器接着流经接线盒，然后由接线盒分配给可加热铜网。
优选地，上述加热模块还包括控制器，控制变压器的输出电压，以及当电路中出现电流异常、温度异常、光路异常或者一次测试结束后，相关测试仪表将信息反馈给控制器，控制器发出指令断开电路。
优选地，上述加热模块还包括保险盒，电流通过外部电路流入，当电路正常时，电流首先经过保险盒，其目的是防止电路中短路时电流过大烧坏电路元件。
优选地，上述一种土体内部裂隙发育状态监测方法，具体包括以下步骤：
(1)根据野外裂隙的监测需求选择光缆布设方式和布设间距并进行感温光缆布设；
(2)利用加热模块对加热铜网进行加热，通过光信号解调仪检测光信号，同时使用温度解调仪温度对感温光缆的温度分布进行获取；由于空气导热系数与黏性土的导热系数不同，随着加热时间的增加，裂隙和土体对应位置光缆温度的上升出现区别。
(3)基于温度分布曲线获得土体内部裂隙的位置和宽度。
优选地，步骤(1)中感温光缆布设还包括根据需要监测的区域大小确定所用铜网自加热光缆的长度和铜网对应的阻值；根据铜网阻值以及所需加热功率确定所需要便携变压器和调压器提供的电压值；进一步地，加热功率取5～10W/m。
优选地，步骤(2)中利用加热模块对铜网加热10min，同时每隔1min使用温度解调仪对感温光缆的温度分布进行获取，计算公式如式(2)和式(3)。
优选地，步骤(3)中还可以根据获取的温度利用式(1)计算感温光纤周围介质的导热系数λ推测土体裂隙状态。
本发明还提供了一种土体内部裂隙的监测系统，该系统包括感温光缆、自加热模块、分布式光纤测温系统和数据处理系统；所述感温光缆包括感温光纤、包裹在感温光纤周围的铜丝、铜网和光缆护套，布设于土体内部；所述自加热模块用于加热感温光纤，将电能转换成热能并使其向周围土中扩散；所述分布式光纤测温系统用于检测感温光纤路径上的光信号；所述数据处理系统是根据式(2)和式(3)将光信号解调成响应点位置信息和温度信息，并将温度信息和位置信息输出图像或根据式(1)对裂隙状态进行反演，监测土体内部裂隙发育状态：
式中：T0为初始温度；q单位感温光纤的加热功率；t是感温光纤与周围介质的接触时间；d常数；
式中：X为任意一点至脉冲光注入端的距离；T′为从信号发射到接收到返回信号的时间；c为真空中的光速；n为被测光折射率；
式中：R(T)为待测温度的函数；IF为反斯托克斯光强；IS为斯多克斯光强；vF为反斯托克斯光频率；vS为斯托克斯光频率；c为真空中的光速；v为拉曼散射平移量；h为普朗克常量；K为波尔兹曼常数；T为待测试温度。
优选地，上述感温光纤包括纤芯、涂覆层、包层、光纤护套。
优选地，上述自加热模块与铜网连接，包括供给电源、变压器及调压器，使用时电流通过外部电路流入，电流流经变压器，将电压转换到所需的电压，从变压器流出的电流经过调压器接着流经接线盒，然后由接线盒分配给可加热铜网。
优选地，上述自加热模块还包括控制器，控制变压器的输出电压，以及当电路中出现电流异常、温度异常、光路异常或者一次测试结束后，相关测试仪表将信息反馈给控制器，控制器发出指令断开电路。
优选地，上述自加热模块还包括保险盒，电流通过外部电路流入，当电路正常时，电流首先经过保险盒，其目的是防止电路中短路时电流过大烧坏电路元件。
优选地，上述分布式光纤测温系统包括脉冲光源和光信号解调仪，光信号解调仪中可准确解调反斯托克斯光强和斯托克斯光强之比，获得感温光纤中反斯托克斯光的光强IF和反斯托克斯光的频率vF以及斯托克斯光的光强IS和斯托克斯光的频率vs。
优选地，上述数据处理系统包括温度信息解调仪，温度信息解调仪以中央处理器为主体，结合光学器件根据公式(2)和公式(3)将光信号转化为响应点位置信息和温度信息，
式中：X为任意一点至脉冲光注入端的距离；T′为从信号发射到接受到返回信号的时间；c为真空中的光速；n为被测光折射率。
优选地，上述数据处理系统还包括输出设备，输出响应点的位置信息和温度信息，可以是图片或数据等。
本发明还提供了上述土体内部裂隙的监测方法或土体内部裂隙的监测系统在制备土体内部裂隙发育状态监测设备中的应用。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的一种土体内部裂隙的监测方法，该方法属于全新的土体内部裂隙的监测方法，该方法是在土体中布设感温光纤，加热感温光纤，基于分布式光纤测温技术测量光纤路径上连续的响应点的位置信息和温度信息，通过感温光纤路径上温度的波动监测土体内部裂隙的发育状态，温度传感过程中，土体中裂隙的部位热扩散能力弱，对应的温度也越高，因此感温光纤上温度因为周围介质是土壤或空气而发生波动，感温光纤路径上温度升高的部位则表明出现裂隙，通过温度的波动可以得到土体内部裂隙的宽度，监测土体内部裂隙的发育状态。
(2)本发明提供的一种土体内部裂隙的监测方法，能够有效避免光纤-土体耦合问题，提出了两种感温光缆布设方式用于监测野外复杂环境的土体干缩开裂，并给出了建议的加热功率和加热时间，具有施工方便和工艺简单等诸多优势，可以在不扰动监测土体的情况下，在大尺度空间范围内，对土体内部裂隙的发育状态进行连续动态的原位监测，实现裂隙在长度和深度方向发育程度的实时监测，监测结果准确可靠，操作简便。
(3)本发明提供的一种土体内部裂隙的监测方法，使用温度解调仪输出的温度参数变化曲线清晰易懂，通过数据分析和图形绘制，可以直观反应裂隙在空间位置上出现的时间、发育过程以及最终发育稳定时间，并且本发明还可以对裂隙闭合过程进行实时监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为铜网自加热感温光缆结构示意图；
图3为自加热基本模块及相互关系示意图；
图4为光缆布设方式示意图；
图5为本发明的装置整体结构示意图；
图6为实施例1中裂隙最终发育状态和光缆的温度变化曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例提供一种土体内部裂隙的监测系统，所述系统包括感温光缆、自加热模块、分布式光纤测温系统和数据处理系统，其中：
感温光缆包括感温光纤、包裹在感温光纤周围的铜丝、铜网和光缆护套，感温光纤由纤芯、涂覆层、包层、光纤护套组成，感温光缆布设于土体内布。
自加热模块包括供给电源、变压器、调压器和控制器，将电能转换成热能并使其向周围土中扩散，加热感温光缆。使用时电流通过外部电路流入，电流流经变压器，将电压转换到所需的电压，从变压器流出的电流经过调压器接着流经接线盒，然后由接线盒分配给可加热铜网，控制变压器的输出电压，以及当电路中出现电流异常、温度异常、光路异常或者一次测试结束后，相关测试仪表会将信息反馈给控制器，控制器发出指令断开电路。
分布式光纤测温系统包括光信号解调仪和脉冲光源，光信号解调仪能够获得感温光纤中反斯托克斯光的光强(IF)和频率(vF)以及斯托克斯光的光强(IS)和频率(vS)。
数据处理系统包括温度信息解调仪，温度信息解调仪包括将光信号转化成相应位置(响应点)温度信息的相关设备和计算模块，基于温度分布曲线可以准确获得土体内部裂隙的位置和宽度。还可以包括裂隙状态进行反演，监测土体内部裂隙发育状态。
实施例2
本实施例提供一种土体内部裂隙发育状态监测方法，使用实施例1中土体内部裂隙的监测系统。
为了探究分布式光纤测温技术在监测土体裂隙发育的效果，进行了相关室内土体干燥试验，试验的装置原理示意图如图5所示，具体包括如下步骤：
(1)选用南京地区的下蜀土作为试验土料，将取回后的土样经过风干粉碎，过2mm筛；
(2)将根据步骤(1)获取的土样配成含水率为170％的泥浆样，去除气泡待泥浆沉积稳定后，抽去表面清液，测得此时含水率为69.34％；
(3)根据试样裂隙的监测需求铺设单层铜网自加热感温光缆；
(4)根据步骤(3)所述光缆布设方式确定所用铜网自加热光缆的长度为0.5m和铜网对应的阻值为5Ω；
(5)根据步骤(4)所述的铜网阻值以及所需加热功率10W/m确定所需要调压器提供的电压值为5V；
(6)将泥浆分两层倒入试验容器(布设感温光缆)置于20℃恒温条件下进行干燥，每层加入泥浆为400g(高度1.5cm)，试验所用容器为50cm×5cm×5cm有机玻璃盒；
(7)用电子天平间隔5min实时试样质量，同时使用高清摄像机间隔5min对试样表面进行拍摄，获得裂隙最终发育状态；
(8)当监测试样出现裂隙，间隔50min使用自加热模块对感温光缆进行加热，每次对铜网进行加热10min，同时每隔1min使用分布式光纤温度解调仪温度对感温光缆的温度分布进行获取。
图6为试样裂隙最终发育状态和光缆的温度变化曲线图，由裂隙最终发育图可以看出，试样一共产生了6道裂隙，分别为Crack1，Crack2，Crack3，Crack4，Crack5，Crack6，对应的实际位置为4cm，15cm，23cm，28cm，36cm，44cm，且对应裂隙实际宽度分别为7mm，7mm，4mm，6mm，4mm，5mm。根据温度解调仪获得的不同加热时间的温度分布数据，可以准确获得6道裂隙的位置分别为36～42mm，149～155mm，228～231mm，281～286mm，358～361mm，438～442mm，由此得到的裂隙宽度分别为7mm，7mm，4mm，6mm，4mm，5mm，和实际试样的裂隙位置和宽度准确对应。因此验证本发明应用于土体内部裂隙发育状态监测的效果十分显著，有较好的应用前景。
以上内容是对本发明及其实施方式进行了示意性的描述，该描述没有限制性，实施例中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的实施方式并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述方法包括在土体中布设感温光纤，加热感温光纤，测量感温光纤路径上连续的响应点的位置信息和温度信息，通过感温光纤路径上温度的波动监测土体内部裂隙的发育状态。
2.根据权利要求1所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述方法还包括裂隙状态反演，所述裂隙状态反演指通过计算感温光纤周围介质的导热系数λ推测土体裂隙状态，根据式(1)确定：
式中：T0为初始温度；q单位感温光纤的加热功率；t是感温光纤与周围介质的接触时间；d常数。
3.根据权利要求1或2所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述响应点的位置信息和温度信息是通过检测感温光纤上光信号并将其转化而成位置信息和温度信息。
4.根据权利要求3所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述响应点的位置信息转化通过式(2)确定：
式中：X为任意一点至脉冲光注入端的距离；T′为从信号发射到接收到返回信号的时间；c为真空中的光速；n为被测光折射率；
和/或所述响应点的温度信息转化通过式(3)确定：
式中：R(T)为待测温度的函数；IF为反斯托克斯光强；IS为斯多克斯光强；vF为反斯托克斯光频率；vS为斯托克斯光频率；c为真空中的光速；v为拉曼散射平移量；h为普朗克常量；K为波尔兹曼常数；T为待测试温度。
5.根据权利要求4所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述光信号通过光信号解调仪及脉冲光源检测，和/或响应点的温度信息通过温度信息解调仪转化。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述感温光纤布设方式包括平面网状布设和/或深度逐层布设。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，所述感温光纤还包括包裹在感温光纤周围的铜丝、铜网和光缆护套组成感温光缆，所述感温光纤加热通过加热模块进行，所述加热模块将铜网与电路连接，通电加热铜网以加热感温光纤。
8.根据权利要求7所述的一种土体内部裂隙发育状态监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)根据野外裂隙的监测需求选择感温光缆布设方式和布设间距并进行感温光缆布设；
(2)利用加热模块对加热铜网进行加热，通过光信号解调仪检测光信号，同时使用温度解调仪温度对感温光缆的温度分布进行获取；
(3)基于温度分布曲线获得土体内部裂隙的位置和宽度。
9.一种土体内部裂隙的监测系统，其特征在于，包括感温光缆、自加热模块、分布式光纤测温系统和数据处理系统；所述感温光缆包括感温光纤、包裹在感温光纤周围的铜丝、铜网和光缆护套，布设于土体内部；所述自加热模块用于加热感温光纤，将电能转换成热能并使其向周围土中扩散；所述分布式光纤测温系统用于检测感温光纤路径上的光信号；所述数据处理系统是根据式(2)和式(3)将光信号解调成响应点位置信息和温度信息，并将温度信息和位置信息输出图像或根据式(1)对裂隙状态进行反演，监测土体内部裂隙发育状态：
式中：T0为初始温度；q单位感温光纤的加热功率；t是感温光纤与周围介质的接触时间；d常数；
式中：X为任意一点至脉冲光注入端的距离；T′为从信号发射到接收到返回信号的时间；c为真空中的光速；n为被测光折射率；
式中：R(T)为待测温度的函数；IF为反斯托克斯光强；IS为斯多克斯光强；vF为反斯托克斯光频率；vS为斯托克斯光频率；c为真空中的光速；v为拉曼散射平移量；h为普朗克常量；K为波尔兹曼常数；T为待测试温度。
10.权利要求1-8任一所述的方法或权利要求9所述的监测系统在制备土体内部裂隙发育状态监测设备中的应用。
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