מחקר על ניטור סיבים אופטיים מבוזרים וטכנולוגיית זיהוי מוקדם של התכווצות יבשה וסדיקה של אדמה

סקירה כללית

שליטה בכללי הפיתוח של שדה הזנים הפנימיים במהלך התפתחות סדקי התכווצות יבשים בקרקע היא תנאי מוקדם חשוב לחקר מנגנון היווצרות סדקי התכווצות יבשים בקרקע. עם זאת, שיטות ניטור קונבנציונליות אינן יכולות להשיג את מאפייני העיוות של הקרקע הפנימית ואינן יכולות לעמוד בדרישות של הצטמקות יבשה של הקרקע. דרישות ללימודי פיצוח. קבוצת המחקר של טאנג צ'אושנג הציעה שיטה חדשה לניטור מעודן של תהליך התכווצות ופיצוח ייבוש קרקע המבוססת על טכנולוגיית חישת סיבים אופטיים מבוזרת (DFOS-OFDR), ומצאה שמכשיר החקירה DFOS-OFDR (OSI-S) יכול להשיג את הקרקע במדויק. תהליך ייבוש ופיצוח. ניתן למקם במדויק את מאפייני האבולוציה המרחביים והזמניים של שדה המתח במהלך התפתחות סדקי התכווצות, ולחוש מראש את היווצרותם של סדקים.

תהליך בדיקה

אדמת החמר שהתאוששה יובשה באוויר, טחונה והועברה דרך מסננת 2 מ"מ. לאחר מכן מערבבים את האדמה עם כמות מתאימה של מים כדי להשיג תכולת לחות מטרה של כ-69% ​​(פי 1.9 מגבול הנוזלים) מהבוץ המוכן לשימוש. לאחר מכן מרטיבים את הבוץ על שולחן רוטט במשך 5 דקות כדי להסיר את כל בועות האוויר, ולאחר מכן יוצקים לתוך תבנית פרספקס באורך של 500 מ"מ, רוחב של 50 מ"מ וגובה של 50 מ"מ בזה אחר זה. הנחת הכבל האופטי נועדה להוסיף תחילה 800 גרם של תמיסה (גובה של 20 מ"מ) לתוך תבנית הפרספקס ולרטוט כדי להשיג משטח שטוח. הכבל האופטי מניחים את הכבל האופטי על גבי התרחיץ, ולאחר מכן יוצקים לתבנית 400 גרם מהגלימה הנותרת (גובה 10 מ"מ) ומבוצעים. רטט כדי להסיר בועות אוויר. ראוי לציין כי שני קצוות הכבל האופטי בדגימת האדמה אינם קבועים ויכולים לשקוע בחופשיות כאשר האדמה מתכווצת. הכבל האופטי מתח מחובר במלואו ל-DFOS-OFDR demodulator. התרשים הסכמטי של מכשיר הניטור המשמש בבדיקה מוצג באיור 1. בדיקת הייבוש מתבצעת בטמפרטורת החדר 30±1 מעלות. על מנת ללכוד טוב יותר את ההתחלה וההתפתחות של סדקי אדמה במהלך תהליך הייבוש, נעשה שימוש במצלמה דיגיטלית לצילום תמונות ברזולוציה גבוהה כל 5 דקות, באותה תדירות כמו דגימת מכשירי החקירה DFOS-OFDR (OSI-S).

איור 1 תרשים סכמטי של מכשיר הבדיקה

תוצאות מבחן

אבולוציה של עקומת המתח עם זמן הייבוש

איור א' מציג את ההתפתחות המרחבית של עקומת המתח מ-0 דקות עד 5500 דקות של ייבוש. ככל שהייבוש מתקדם, עקומת חלוקת המתח משתנה בהדרגה מהמצב הלא מעוות למצב הדחוס הכללי, מה שאומר שלדגימה יש נטייה להתכווץ בנפח עקב איבוד מים, ובכך לסחוט את הכבל האופטי המתח הפנימי. ישנם שני אזורי דחיסה ברורים (A1 ו-A2) באיור, כאשר פסגות המתח נעות בין -250 με ל--3000 με (A1) ו--500 με עד -10000 με (A2). אידוי המים בדגימה מתחיל משטח הקרקע. ככל שתהליך האידוי נמשך, הנקבוביות בין חלקיקי האדמה מתחילות ליצור מניסקי מים-אוויר, מה שמוביל לעלייה בשאיבה נימית ולהצטברות מתח מתיחה. כאשר מתח המתיחה המצטבר עולה מעבר לחוזק המתיחה של הקרקע, יתרחש סדקי התכווצות בקרקע. עם הופעת הסדק הראשון (4930 דק'), מופיע מתיחה ומתיחה ממשיכה לרדת, מה שאומר שברגע שהאדמה נסדקת, העלייה ברוחב הסדק תגביר את מתח המתיחה בכבל האופטי ותייצר מתיחה מתאימה.

איור 2 אבולוציה של מורפולוגיה של סדק בקרקע ואבולוציה מרחבית-זמנית של עקומת המתח במהלך תהליך הייבוש מ-0 עד 5500 דקות

כפי שמוצג באיור ב, יש 4 פסגות מתח על עקומת המתח ב-0.29m, 0.36m, 0.20m ו-0.10m, אשר תואמים לחלוטין את המיקומים של 4 הסדקים. שיאי המתח של סדקים 1, 2, 3 ו-4 ב-5500 דקות הם 8457.11 με, 3552.48 με, -719.67 με ו--736.39 με בהתאמה. רוחבי הסדקים המתאימים הם 6.41 מ"מ, 6.61 מ"מ, 4.45 מ"מ ו-4.54 מ"מ בהתאמה. ניתן לראות בבירור שסדקים רחבים יותר תואמים בדרך כלל למתחים גדולים יותר.

גילוי מוקדם של סדקי התכווצות יבשים באדמה

התוצאות שהתקבלו בסעיף הקודם מראות שטכנולוגיית DFOS-OFDR יכולה להשיג במדויק את מיקום הסדק. על מנת לבחון האם הטכנולוגיה המוצעת יכולה לבצע זיהוי מוקדם של מיקום ההתחלה של סדקי התכווצות ייבוש קרקע, נחקרו השינויים ברוחב של ארבעה סדקים ומצבי המתח שלהם עם זמן הייבוש. האבולוציה של מצב המתח המתקבל על ידי הכבל האופטי יכולה לא רק לשקף את הצטמקות הקרקע לפני פיצוח הצטמקות יבשה, אלא גם לשקף את כל התהליך של התרחבות סדק הקרקע.

על מנת להעריך עוד יותר האם טכנולוגיית DFOS-OFDR יכולה לחזות מראש פיצוח התכווצות ייבוש בקרקע, מחקר זה הציע שלושה פרמטרים: Tm (הזמן שבו סדקי אדמה מזוהים על ידי DFOS-OFDR), Tc (המושג באמצעות תצפית בעין בלתי מזוינת או תמונה דיגיטלית טכנולוגיית עיבוד) זמן פיצוח קרקע) ו- ΔTp (מרווח זמן חזוי מראש, מוגדר כהבדל בין Tm ל-Tc).

איור 3 מציג את השינויים ברוחב הסדק ובמצב המתח עם זמן הייבוש. הסדק הראשון (סדק 1) הופיע לאחר 4955 דקות, ו-DFOS-OFDR כבר זיהה את התחלת סדקים לאחר 4930 דקות, מה שמעיד על כך שטכנולוגיית DFOS-OFDR יכולה לזהות התכווצות של ייבוש קרקע כ-25 דקות מראש. באופן דומה, עבור סדק 2, סדק 3 וסדק 4, ערכי ΔTp המתאימים הם 55, 40 ו-40 דקות בהתאמה. הדיוק של הדמודולטור DFOS-OFDR (OSI-S) יכול להגיע ל-1 με. דיוק כה גבוה מאפשר ל-DFOS-OFDR לחוש במדויק כל דפורמציה קטנה בתוך האדמה, מה שמאפשר זיהוי מוקדם של סדקי קרקע. עבור כל סדק, זמן ההובלה של היווצרות הסדק החזוי על ידי טכנולוגיית DFOS-OFDR שונה. הסיבה לכך היא שלמרות שבבדיקה נעשה שימוש בבוץ אחיד יחסית, הבוץ לא יכול להיות אחיד לחלוטין, מה שישפיע על פיזור הכבלים האופטיים בתוך האדמה. זה משפיע על זמן ההובלה של גילוי מוקדם.

איור 3 הקשר בין רוחב הסדק ומצב המתח של הסדק

תוצאות ניסיוניות

ניתן להשתמש בטכנולוגיית DFOS-OFDR כדי לנטר את ההתפתחות של סדקי התכווצות יבשים על פני הקרקע ובפנים. עקומת התפלגות המתח המתקבלת על ידי DFOS-OFDR יכולה ללכוד במדויק את מאפייני התכווצות הקרקע ואת עמדות התחלת הסדקים, ולקבל את הקשר בין רוחב הסדק ומצב המתח המתאים עם זמן הייבוש, מה שיכול לספק עזרה לזיהוי מוקדם של מיקום הסדקים. . בהשוואה לשיטות מסורתיות לניטור מתח בדידות, DFOS-OFDR היא טכנולוגיה מבוזרת, לא הרסנית, מדויקת, יעילה וברזולוציה גבוהה של פיצוח הצטמקות ייבוש קרקע וטכנולוגיית זיהוי מוקדם. הוא משמש לחקר פני הקרקע וסדקי התכווצות יבשים פנימיים. לספק תמיכה אמינה בנתונים.