基于光纖傳感及數(shù)字圖像測(cè)試的管-土相互作用試驗(yàn)研究*

朱鴻鵠 王德洋 王寶軍 朱 寶 施 斌

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023，中國(guó))

0 引 言

隨著我國(guó)城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，地下管線(xiàn)在城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，供水、排水、燃?xì)狻崃?、電力、通信等管道及其附屬設(shè)施在地下縱橫交錯(cuò)，它們所受的工作荷載、所處的工程地質(zhì)條件復(fù)雜多樣。另一方面，西氣東輸、南水北調(diào)等戰(zhàn)略性工程中也涉及到長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)公里的管線(xiàn)，沿線(xiàn)地區(qū)地殼活動(dòng)劇烈，地質(zhì)環(huán)境惡劣。最近10年間，國(guó)內(nèi)外埋地管道事故頻發(fā)，南京、青島等地相繼發(fā)生了死傷百人以上的地下管線(xiàn)泄漏爆炸重大事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。

國(guó)內(nèi)外研究表明，由于埋地管道長(zhǎng)期處于復(fù)雜的工程地質(zhì)環(huán)境下，所面臨的工況是一個(gè)持續(xù)性發(fā)展的過(guò)程，管周土壓力、管道的縱向和環(huán)向形變將發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。地下管線(xiàn)變形破壞的工程誘因主要包括大面積地面堆載、基坑開(kāi)挖和降水、鄰近地下施工、深部采礦活動(dòng)等。在這些問(wèn)題中，均存在著明顯的管-土相互作用，近年來(lái)一些分析計(jì)算模型和方法應(yīng)運(yùn)而生(張土喬等， 2003； Klar et al.，2005； Sargand et al.，2005； 馬鳳山等， 2010； Abolmaali et al.，2013； 周敏等， 2016)。其中，人們對(duì)于開(kāi)挖、降水、盾構(gòu)施工等擾動(dòng)效應(yīng)較為關(guān)注，對(duì)地面堆載工況下淺埋管道的受力特性及周邊土體變形機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不充分，亟待進(jìn)一步研究。

作為一種可實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)變、溫度傳感的手段，光纖傳感技術(shù)在國(guó)內(nèi)外一些重大工程項(xiàng)目中取得了良好的應(yīng)用效果。這類(lèi)技術(shù)將光纖同時(shí)作為傳感和傳輸介質(zhì)，在監(jiān)測(cè)原理、信號(hào)傳輸方式以及數(shù)據(jù)解調(diào)等方面與傳統(tǒng)測(cè)試技術(shù)有很大的差異，具有精度高、耐久性好、不易受干擾、無(wú)監(jiān)測(cè)盲區(qū)等優(yōu)勢(shì)(朱鴻鵠等， 2013， 2020； 施斌等， 2019)。近年來(lái)，一些學(xué)者將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于解決地下管線(xiàn)變形、泄漏和腐蝕等監(jiān)測(cè)難題，得到了一些初步的經(jīng)驗(yàn)(胡盛等， 2008； Feng et al.，2018； 孫夢(mèng)雅等， 2019； 吳海穎等， 2019)。在加拿大，Cauchi et al.(2007)采用光纖白光干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)，成功獲取了斜坡上輸氣管道的彎曲變形特征。Glisic et al.(2012)在兩組足尺試驗(yàn)中，用光纖感測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)了由地震引起的埋地管道及其周邊土體的永久變形，并提出了光纖現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的建議。Simpson et al. (2015)在室內(nèi)模型試驗(yàn)中，通過(guò)環(huán)向布設(shè)的分布式感測(cè)光纖成功監(jiān)測(cè)到不同材質(zhì)管道在加載作用下的應(yīng)變分布。其結(jié)果顯示，光纖傳感器與電阻應(yīng)變片相比精度更高，信息量更全。

粒子圖像測(cè)速(particle image velocimetry， PIV)是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)字圖像測(cè)量技術(shù)，也稱(chēng)為數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation， DIC)技術(shù)。該技術(shù)將被測(cè)介質(zhì)的變形看作為顆粒低速流動(dòng)的過(guò)程，通過(guò)比對(duì)變形前后照片的關(guān)聯(lián)性，獲得應(yīng)變場(chǎng)、位移場(chǎng)(Adrian et al.，2005)。Huang et al. (2015)利用該技術(shù)跟蹤監(jiān)測(cè)了砂土中管道的上拔破壞特征。為了測(cè)量?jī)鐾猎嚇拥膬雒涀冃危瑒⒄駚喌?2018)系統(tǒng)研究了光場(chǎng)、表面紋理和相關(guān)度參數(shù)等對(duì)PIV分析結(jié)果的影響。倪鈺菲等(2020)開(kāi)展了錨板抗拔破壞試驗(yàn)，利用PIV技術(shù)成功揭示了地基密實(shí)度和錨板埋深對(duì)土體的變形破壞模式的影響規(guī)律。將光纖傳感和數(shù)字圖像測(cè)試技術(shù)結(jié)合使用，在地質(zhì)工程相關(guān)的試驗(yàn)研究中可以互相驗(yàn)證，從而得到更加可靠的規(guī)律性認(rèn)識(shí)(Zhang et al.，2018； 吳涵等， 2020)。Zhang et al. (2016)和李飛等(2017)對(duì)比分析了地基加載試驗(yàn)中PIV和光纖傳感器的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的發(fā)展趨勢(shì)較為一致。但是前者屬于非接觸式測(cè)量技術(shù)，測(cè)的是土體側(cè)面的應(yīng)變，因此會(huì)受到模型箱邊界的摩擦效應(yīng)的影響； 后者測(cè)的是土體內(nèi)部的線(xiàn)應(yīng)變，因此理論上應(yīng)該更為準(zhǔn)確，但是監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性受到纖-土界面變形協(xié)調(diào)的約束，因此在很多情況下測(cè)值偏小。在柴敬等(2019， 2020)開(kāi)展的煤層開(kāi)采模型試驗(yàn)中，也觀(guān)測(cè)到了類(lèi)似的現(xiàn)象。他們認(rèn)為，采用巖體-光纖耦合性系數(shù)可以描述這種效應(yīng)，當(dāng)兩者發(fā)生解耦后，光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果可以定性反映采動(dòng)覆巖的破斷程度和范圍。

本文基于光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)，提出了基于光纖應(yīng)變測(cè)值反演管周土壓力及管體彎矩的計(jì)算方法； 同時(shí)結(jié)合PIV技術(shù)，通過(guò)1 g模型試驗(yàn)研究了地面加載作用下管-土的相互作用特征，并探究了埋深率對(duì)管周土體變形的影響規(guī)律。

1 測(cè)試原理及方法

1.1 FBG傳感技術(shù)

FBG傳感技術(shù)利用摻鍺光纖的光敏現(xiàn)象，通過(guò)特殊的制作工藝使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用，導(dǎo)致纖芯折射率發(fā)生周期性變化(施斌等， 2019)。該技術(shù)的原理如圖 1所示，當(dāng)入射光進(jìn)入光纖時(shí)，光柵會(huì)反射特定中心波長(zhǎng)的光，該中心波長(zhǎng)滿(mǎn)足以下條件：

λB=2neffΛ

(1)

式中，neff為光纖的有效折射率；Λ為光柵周期。

調(diào)查果穗及籽粒形狀、生育期變化（播種期、出苗期、吐絲期、大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、成熟期、生育天數(shù)）等，收獲時(shí)各小區(qū)隨機(jī)連續(xù)抽取10株進(jìn)行考種，各處理小區(qū)收獲時(shí)取20 m2單收，計(jì)算實(shí)產(chǎn)。取樣結(jié)束后機(jī)收小區(qū)玉米，并稱(chēng)籽粒鮮重。

圖 1 FBG傳感原理圖Fig. 1 Principle of the FBG sensing technique

以下對(duì)比FBG和PIV獲取的、對(duì)應(yīng)位置處的土體水平向線(xiàn)應(yīng)變測(cè)值。圖 8顯示，兩種方法得到的土體應(yīng)變演化趨勢(shì)具有某些相似性。在1號(hào)測(cè)點(diǎn)處，PIV捕捉到前3級(jí)荷載作用下的水平向應(yīng)變均為壓應(yīng)變，與FBG的監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合； 但是隨著荷載逐級(jí)增加，PIV數(shù)據(jù)波動(dòng)性明顯加大，分析原因可能是由于模型箱側(cè)壁的摩擦效應(yīng)對(duì)土體表面顆粒移動(dòng)帶來(lái)一些干擾。2號(hào)和3號(hào)為距離加載板較近的測(cè)點(diǎn)，此處PIV監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變變化與FBG相比規(guī)律較差，但其量值明顯大于FBG的測(cè)值。這說(shuō)明，在土體發(fā)生小變形時(shí)，F(xiàn)BG讀數(shù)由于應(yīng)變傳遞率等原因雖然偏小，但其穩(wěn)定性明顯好于PIV； 利用FBG光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠比較靈敏地捕捉土體在荷載作用下的內(nèi)部變形特征。需要指出的是，與室內(nèi)小比例尺模型試驗(yàn)不同的是，在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)一般采用圓片狀或十字形錨固體保證傳感光纜和周?chē)馏w的變形匹配性(Hauswirth et al.，2014； 張誠(chéng)成等， 2019)，而且變形范圍、尺度也更大，因此光纖應(yīng)變測(cè)值會(huì)更為準(zhǔn)確。

ΔλB=Δε(1-Pe)λB

(2)

管道外壁在A(yíng)和B兩點(diǎn)的環(huán)向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

長(zhǎng)期以來(lái)，由于體制、機(jī)制、技術(shù)上的限制，我國(guó)并沒(méi)有系統(tǒng)的開(kāi)展統(tǒng)一的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)，多頭開(kāi)展和多部門(mén)共同參與地理國(guó)情監(jiān)測(cè)帶來(lái)數(shù)據(jù)重復(fù)采集、監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和監(jiān)測(cè)結(jié)果主觀(guān)性等問(wèn)題，無(wú)法滿(mǎn)宏觀(guān)決策和公共服務(wù)對(duì)地理國(guó)情的真實(shí)需求，因此準(zhǔn)確規(guī)范的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)顯得尤為重要。地理國(guó)情普查的一個(gè)主要目的就是利用其精確普查的地表三維數(shù)據(jù)和各種要素集為地理國(guó)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供規(guī)范完整的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)[3]，有利于建立統(tǒng)一的地理國(guó)情監(jiān)測(cè)體系和權(quán)威發(fā)布平臺(tái)，為下一步開(kāi)展常態(tài)化的土地利用、生態(tài)環(huán)境、能源礦產(chǎn)評(píng)估、水資源、自然災(zāi)害等地理國(guó)情監(jiān)測(cè)打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 PIV測(cè)試技術(shù)

PIV技術(shù)通過(guò)圖像匹配實(shí)現(xiàn)非接觸、動(dòng)態(tài)的變形測(cè)量，其基本測(cè)試原理如圖 2所示(White et al.，2003； 李元海等， 2004)。在應(yīng)用該技術(shù)時(shí)，先利用高清數(shù)碼相機(jī)拍攝照片，然后將照片分割成若干均勻的初始網(wǎng)格，通過(guò)圖像網(wǎng)格之間的交叉函數(shù)技術(shù)進(jìn)行圖像匹配，得到所有網(wǎng)格中心點(diǎn)的像素位移，最終獲取整個(gè)圖像的位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)等。將這一技術(shù)應(yīng)用于巖土模型試驗(yàn)，可捕獲砂土顆粒的運(yùn)動(dòng)模式和應(yīng)變積累過(guò)程，準(zhǔn)確揭示土體的局部化變形、剪切帶生成和漸進(jìn)性破壞等過(guò)程。由于砂土表面有一定紋理，可直接作為變形信息的載體，無(wú)需設(shè)置侵入性的示蹤粒子。該方法的精度取決于圖像的拍攝質(zhì)量和像素?cái)?shù)量。在應(yīng)用前，需要通過(guò)嚴(yán)格的標(biāo)定、校準(zhǔn)，確定圖像位移和實(shí)際位移的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方式，防止圖像畸變對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖 2 PIV技術(shù)原理示意圖Fig. 2 Schematic illustration of the PIV technique

PIV技術(shù)識(shí)別位移場(chǎng)的兩個(gè)重要參數(shù)是種子區(qū)域相關(guān)性閾值和整體相關(guān)性閾值(White et al.，2003)。如果閾值設(shè)定過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致PIV分析無(wú)法進(jìn)行； 如果采用過(guò)小的閾值，則會(huì)引起較大的測(cè)試誤差。

圖 3 Iowa公式的計(jì)算模型Fig. 3 Computational model of the Iowa formula

2 管道周邊土壓力計(jì)算方法

對(duì)于埋地管道這類(lèi)柔性環(huán)狀結(jié)構(gòu)物，假設(shè)其在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力作用下始終處在彈性變形狀態(tài)，并發(fā)生如圖 3所示的橢圓形變形(Klar et al.，2008； Mohamad et al.，2012)。管道變形后中性軸在x軸和y軸的截距分別記作a、b。根據(jù)幾何關(guān)系可得到圖 3中A和B兩點(diǎn)的曲率變化量：

(3)

式中，rm為管體內(nèi)外半徑的平均值； Δ為管體發(fā)生的豎向變形量。此處假設(shè)管道截面發(fā)生小變形，A和B處的位移絕對(duì)值相等，即圖3中Δx=Δy=Δ。

式中，Δε為光纖軸向應(yīng)變的變化量；Pe為有效光彈系數(shù)。若把初始中心波長(zhǎng)不同的FBG傳感器串聯(lián)于同一根光纖上，則可以實(shí)現(xiàn)光纖上各點(diǎn)應(yīng)變的準(zhǔn)分布式監(jiān)測(cè)。

半專(zhuān)業(yè)勞務(wù)派遣森林消防撲火隊(duì)是指經(jīng)過(guò)森林防火技能培訓(xùn)，有基本的防護(hù)和通訊裝備，能夠熟練使用撲火機(jī)具，以退伍軍人、營(yíng)林生產(chǎn)工人、附近村民為主，組建一支規(guī)模在30-40人的半專(zhuān)業(yè)國(guó)有林場(chǎng)應(yīng)急森林消防隊(duì)。隊(duì)員條件：要求男性；年齡18-55周歲，身體健康，體力好；掌握科學(xué)撲火和火場(chǎng)安全逃生基本知識(shí)。

εA=twdkA/2 或εB=twdkB/2

(4)

式中，tw為管道壁厚。

每逢遇到疑難案件和重大案件，朝陽(yáng)區(qū)食品藥品監(jiān)管局執(zhí)法人員都有不怕吃苦的沖勁兒和一查到底的韌勁兒。他們?cè)诹阆?8℃的冷庫(kù)里連續(xù)工作20小時(shí)，地毯式地排查搜尋涉案物證。他們近年來(lái)查辦的燕莎薩拉伯爾餐廳經(jīng)營(yíng)超保質(zhì)期食品案、“愛(ài)瑪客北京分公司”未經(jīng)許可從事餐飲服務(wù)活動(dòng)案等數(shù)十件大案要案，獲得了上級(jí)部門(mén)和轄區(qū)群眾的充分肯定，贏(yíng)得執(zhí)法“利劍”的美譽(yù)，其中有些重要案件還被北京市局和國(guó)家總局列為典型案例。

由式(3)、式(4)可知，A和B兩點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)變和管體豎向變形之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：

(5)

根據(jù)Iowa公式可得管頂?shù)呢Q向變形量為：

向10 g泡菜中加入90 mL無(wú)菌水，充分振蕩，采用梯度稀釋進(jìn)行稀釋?zhuān)♂尪葹?01～108。吸取0.2 mL稀釋液涂于含有0.5% CaCO3的改良MRS固體培養(yǎng)基上，30 ℃厭氧箱中培養(yǎng)2～5天，觀(guān)測(cè)菌落形成情況。選取有鈣圈生成的菌落，挑取單菌落，反復(fù)進(jìn)行劃線(xiàn)分離直至獲得純菌落。

(6)

式中，Df為管道變形滯后效應(yīng)系數(shù)；Ks為基床系數(shù)；Wc為作用在單位管長(zhǎng)上的荷載；EIl為單位管長(zhǎng)的管壁環(huán)向抗彎剛度；E′為土壤反力模量。

因此，管道應(yīng)變和管頂荷載有如下關(guān)系：

(7)

在此基礎(chǔ)上，假設(shè)水平、豎向應(yīng)力的關(guān)系為：

(3)設(shè)a=(a1,a2,…,an)T∈Rn和b=(b1,b2,…,bn)T∈Rn，定義盒子約束集合C={x∈Rn:ai≤xi≤bi,i=1,…,n}。對(duì)?u∈Rn，

(8)

當(dāng)管周土體發(fā)生大變形后，光纖傳感器和周?chē)馏w將發(fā)生解耦，此時(shí)變形匹配性將難以保證(Zhu et al.，2015)。以下分析加載板施加的地表沉降量分別為2.5 mm、5imm、7.5 mm和10 mm條件下，由GeoPIV-RG分析得到的管周土體的變形特征。圖 9和圖 10中展示了土體豎向和水平向位移的云圖。對(duì)于豎向位移，地基土體在加載板下部到管道的頂部區(qū)域發(fā)生的位移最大，向下和向兩側(cè)逐漸遞減； 而水平向位移則關(guān)于加載板呈對(duì)稱(chēng)分布，橫向位移在上述倒梯形區(qū)域內(nèi)接近為0，在加載板中心處下方具有極值。在加載初期地基處于彈性壓密狀態(tài)，加載板兩側(cè)的土體未向上擠出。這與傳統(tǒng)地基整體剪切破壞形式相吻合。

若采用表面粘貼式FBG傳感器測(cè)得埋地管道所受的環(huán)向應(yīng)變，則可以反推管道周邊的土壓力分布。根據(jù)彈性力學(xué)中的逆解法，管周的土壓力為：

=2(Wc-σH)cos2θ

(9)

由于管道和周邊土體之間的相互作用是一類(lèi)復(fù)雜的非線(xiàn)性接觸問(wèn)題，掌握管周土壓力的分布對(duì)于實(shí)時(shí)評(píng)估管道安全具有重要的意義?，F(xiàn)有的Marston極限平衡法、彈性理論法和數(shù)值模擬法等均很難精確獲得管周土壓力，而光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)為這一難題提供了一種解決途徑。

3 管-土相互作用模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

式中：TFD表示訂單任務(wù)交貨時(shí)間；T0表示當(dāng)然任務(wù)時(shí)間；tMAi表示第i個(gè)制造活動(dòng)的完成時(shí)間；對(duì)于n個(gè)串聯(lián)形式的制造活動(dòng)完成時(shí)間求其總時(shí)間；φi表示第i個(gè)制造活動(dòng)的完成時(shí)間影響系數(shù)，該系數(shù)考慮制造活動(dòng)中的轉(zhuǎn)移、設(shè)備故障等的時(shí)間系數(shù)；表示對(duì)m個(gè)并聯(lián)形式的組織活動(dòng)完成時(shí)間求其交集時(shí)間。

表 1 試驗(yàn)砂土的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of the test sand

圖 4 試驗(yàn)設(shè)置示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the test setup

3.2 試驗(yàn)設(shè)置

在拍攝試驗(yàn)照片時(shí)，將相機(jī)設(shè)為定焦模式，并封閉試驗(yàn)區(qū)，防止相機(jī)鏡頭受干擾出現(xiàn)抖動(dòng)情況。采用圖像軟件控制每隔1 min自動(dòng)拍攝1次，照片像素為5184×3456。試驗(yàn)結(jié)束后，基于MATLAB平臺(tái)，采用劍橋大學(xué)、西澳大學(xué)和皇后大學(xué)等聯(lián)合開(kāi)發(fā)的GeoPIV-RG軟件(Stanier et al.，2016)分析處理拍攝的照片，以得到土體表面的位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)。由于試驗(yàn)時(shí)間較短，環(huán)境光場(chǎng)基本恒定，保證了拍攝相片的質(zhì)量。在PIV分析中，種子區(qū)域相關(guān)性閾值和整體相關(guān)性閾值分別設(shè)置為默認(rèn)推薦值0.9和0.75。

在試驗(yàn)前，將佳能EOS 60D數(shù)碼相機(jī)放置在模型箱正前方1 m處的三腳架上，并保證其完全水平，用于連續(xù)拍攝加載過(guò)程中土體表面的PIV圖像。

以艾略特波浪理論分析國(guó)證A指走勢(shì)。2008年1月結(jié)束第（3）浪，其后的第（4）浪是一個(gè)大型水平三角形。其中，2008年1月至11月的急跌為（4）浪A，2008年11月至2010年11月為（4）浪 B，2010年 11月至2012年12月為（4）浪C，2012年12月至2013年10月為（4）浪D，2013年10月至2014年5月為（4）浪E最后一跌。（4）浪E規(guī)模很小，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)此等情況，分析師容易被迷惑。

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

模型試驗(yàn)中，管道的埋置深度H分別設(shè)置為100 mm、150 mm和200 mm，對(duì)應(yīng)于埋深率H/D=1、1.5、2。試驗(yàn)中采用微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)對(duì)地表進(jìn)行分級(jí)加載，并自動(dòng)記錄荷載大小和豎向位移量。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用蘇州南智傳感有限公司的NZS-FBG-A01型光纖光柵解調(diào)儀對(duì)FBG傳感器進(jìn)行連續(xù)讀數(shù)，采集頻率為1 Hz。由于試驗(yàn)過(guò)程中室溫基本不變，因此忽略環(huán)境溫度對(duì)FBG應(yīng)變測(cè)值的影響。

模型試驗(yàn)符合二維平面應(yīng)變條件，其設(shè)置如圖 4所示。試驗(yàn)中采用的模型箱由亞克力材料和鋁合金材料制成，其外部尺寸為500 mm×250 mm×500 mm。模型全部填筑完成后，在中央放置剛性鋁板作為加載板，其厚度和寬度分別為20 mm、100 mm。在PVC管道外壁的A、B、C、D 4點(diǎn)處用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼4個(gè)串聯(lián)的FBG傳感器，用于監(jiān)測(cè)管壁的環(huán)向應(yīng)變，其初始波長(zhǎng)分別為1528 nm、1532 nm、1537 nm、1542 nm； 在管頂正上方5 cm處對(duì)稱(chēng)放置5個(gè)串聯(lián)的FBG傳感器，用于監(jiān)測(cè)H水平面上土體的線(xiàn)應(yīng)變，其初始波長(zhǎng)分別為1528 nm、1532 nm、1537 nm、1542 nm、1550 nm。以上傳感器在試驗(yàn)前均已經(jīng)過(guò)標(biāo)定，其平均應(yīng)變靈敏度系數(shù)為820 με/nm，應(yīng)變監(jiān)測(cè)精度為0.8 με。光纖傳感器的鋪設(shè)工藝是模型試驗(yàn)結(jié)果是否可靠的關(guān)鍵問(wèn)題之一(朱鴻鵠等， 2013)。為了準(zhǔn)確測(cè)量壓應(yīng)變，在安裝時(shí)均對(duì)光柵位置進(jìn)行了預(yù)拉，預(yù)拉應(yīng)變約為200 με。為了確保土中直埋的FBG傳感器和土體變形一致，在光纖上設(shè)置了多個(gè)管狀的微錨固體(朱鴻鵠等， 2013； 吳涵等， 2020)。前期的試驗(yàn)研究證明，光纖上的微錨固體可以同時(shí)起到摩擦黏結(jié)和點(diǎn)式固定的效果，因而大大提高了光纖和土體界面的峰值抗剪強(qiáng)度，在小變形情況下有效防止兩者之間出現(xiàn)滑脫(Zhang et al.，2020)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 管道受力及土體變形特征

以下選取管道埋深率H/D=1的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。當(dāng)?shù)乇砗奢d分別為8 kPa、16 kPa、24 kPa、26 kPa、28 kPa、30 kPa和32 kPa時(shí)，由各FBG傳感器的中心波長(zhǎng)讀數(shù)計(jì)算得到了如圖 5所示的管道應(yīng)變數(shù)據(jù)，圖中拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，管頂、底均處于受壓狀態(tài)，且隨著荷載的增加，應(yīng)變不斷累積； 管道兩側(cè)發(fā)生持續(xù)增大的拉應(yīng)變。這些現(xiàn)象與傳統(tǒng)的管道力學(xué)模型相吻合。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度校核，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，管道均處于彈性階段，無(wú)塑性變形。

采用前述介紹的方法計(jì)算了加載作用下管周產(chǎn)生的附加土壓力，計(jì)算中管道變形滯后效應(yīng)系數(shù)Df取1.5，土壤反力模量E′取5 MPa，基床系數(shù)Ks取0.1，土體泊松比v取0.25。經(jīng)過(guò)計(jì)算，管周土壓力分布如圖 6所示。由圖可知，地面加載使得管道周邊土壓力明顯上升，其中頂?shù)變蓚?cè)的土壓力大于左右兩側(cè)。這種現(xiàn)象是由于管道側(cè)壁和底部外凸變形，引起土體對(duì)管道的彈性抗力，約束管道進(jìn)一步變形。

圖 5 加載過(guò)程中管道上FBG的應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 5 Strain monitoring results of the pipe under loading using the FBG sensors

圖 6 不同地表荷載條件下管周的土壓力分布(單位：kPa)Fig. 6 Distribution of earth pressure around the pipe under different surface loadings(unit： kPa)

圖 7 H水平面上FBG應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig. 7 FBG strain monitoring results at level of H

圖 8 FBG應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果與PIV結(jié)果對(duì)比圖Fig. 8 Comparison between FBG strain monitoring results and PIV resultsa. 1號(hào)測(cè)點(diǎn)； b. 2號(hào)測(cè)點(diǎn)； c. 3號(hào)測(cè)點(diǎn)

溫度和軸向應(yīng)變是引起FBG反射光中心波長(zhǎng)變化的兩個(gè)直接物理量。當(dāng)環(huán)境溫度或者光纖所受應(yīng)變發(fā)生改變時(shí)，中心波長(zhǎng)λB發(fā)生相應(yīng)的漂移量。通過(guò)獲取λB的變化量，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或溫度量值的絕對(duì)測(cè)量。若溫度保持不變，F(xiàn)BG所受應(yīng)變和中心波長(zhǎng)漂移量ΔλB的關(guān)系可以表示為：

4.2 管周土體的豎向和水平向位移特征

式中，v為土體泊松比。

根據(jù)Prandtl地基滑移場(chǎng)理論，豎向荷載作用下地基土體將出現(xiàn)塑性變形區(qū)，土體有側(cè)向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，并進(jìn)一步擴(kuò)大形成斜向的滑移面。在試驗(yàn)中，PIV結(jié)果表明管道上方的土體并沒(méi)有明顯側(cè)向移動(dòng)，主要原因是由于管體本身發(fā)生了橢圓形變形，使得管頂局部土體隨之發(fā)生較大的豎向沉降。隨著荷載的進(jìn)一步增加，加載板兩側(cè)的土體出現(xiàn)了隆起變形。

4.3 不同埋深條件下管周土體的剪應(yīng)變場(chǎng)

圖 11～圖 13顯示，當(dāng)埋深率H/D分別為1、1.5和2時(shí)，隨著加載板的沉降量從0逐漸增加到10 mm，管道發(fā)生不斷增大的豎向壓縮變形，導(dǎo)致管周土體應(yīng)力重新分布，管道上方的土體剪應(yīng)變不斷累積。在加載初期，由于荷載較小，地基處于彈性壓密階段，在此階段土體變形甚微，剪應(yīng)變最大值出現(xiàn)在加載板的邊緣處。隨著荷載增加，塑性區(qū)從加載板的兩側(cè)逐漸向深部擴(kuò)展，并且其擴(kuò)展方式與管道埋深有關(guān)。

2339 設(shè)△ABC三邊長(zhǎng)、三內(nèi)角、半周長(zhǎng)、外接圓和內(nèi)切圓半徑分別為a,b,c,A,B,C,s,R,r,則有

圖 9 不同地表沉降條件下管周土體豎向位移分布云圖 (單位：mm)Fig. 9 Contour of vertical soil displacement around the pipe under different ground surface settlements(unit： mm)a. 2.5 mm； b. 5 mm； c. 7.5 mm； d. 10 mm

圖 10 不同地表沉降條件下管周土體水平向位移分布云圖 (單位：mm)Fig. 10 Contour of horizontal soil displacement around the pipe under different ground surface settlements(unit： mm)a. 2.5 mm； b. 5 mm； c. 7.5 mm； d. 10 mm

圖 11 H/D=1條件下的管周土體剪應(yīng)變場(chǎng)(單位：%)Fig. 11 Contour of soil shear strain around the pipe under the condition of H/D=1(unit：%)a. 2.5 mm； b. 5 mm； c. 7.5 mm； d. 10 mm

圖 12 H/D=1.5條件下的管周土體剪應(yīng)變場(chǎng)(單位：%)Fig. 12 Contour of soil shear strain around the pipe under the condition of H/D=1.5(unit：%)a. 2.5 mm； b. 5 mm； c. 7.5 mm； d. 10 mm

圖 13 H/D=2條件下的管周土體剪應(yīng)變場(chǎng)(單位：%)Fig. 13 Contour of soil shear strain around the pipe under the condition of H/D=2(unit：%)a. 2.5 mm； b. 5 mm； c. 7.5 mm； d. 10 mm

如圖 11所示，當(dāng)管道埋深率為1時(shí)，隨著地表荷載的增加，加載板邊緣的剪切滑移帶逐步向下擴(kuò)展，其分布始終位于加載板寬度范圍內(nèi)。由于管道剛度小，使得加載板下方土體作整體下移，與兩側(cè)土體之間形成較為明顯的滑移現(xiàn)象，該部分土柱內(nèi)部為壓密區(qū)，無(wú)明顯的剪切變形。當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，由于管、土剛度的不同，管-土界面出現(xiàn)了界面滑移現(xiàn)象，且管頂土體中的兩個(gè)剪切帶將土體分隔為內(nèi)、外兩個(gè)部分，中間部分呈“扇型”分布。此時(shí)，管道的存在使得管道兩側(cè)土體受到管道抵抗變形能力的約束，發(fā)生明顯的擠壓，土拱效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。

連接“Y”字形接頭，使用磁珠篩選去除接頭自連片段，利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫(kù)模板的富集，氫氧化鈉變性，產(chǎn)生單鏈DNA片段。

以上監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)管道埋深較淺時(shí)，加載板下方土體為擠壓剪切破壞的直線(xiàn)破壞面，隨著埋深的增加，加載板下方兩側(cè)土體出現(xiàn)剪切、拉張并存的曲線(xiàn)破壞面。管道埋設(shè)越深，管道頂部的土拱效應(yīng)越明顯，有效地將上方荷載向兩側(cè)傳遞，使得土體塑性區(qū)局限于地表附近(周敏等， 2015)。若管道埋深率繼續(xù)增大，可以預(yù)料的是，在荷載作用下土體的變形與半無(wú)限空間解答逐漸接近，此時(shí)的地基極限承載力與無(wú)管道情況一致(肖成志等， 2018)。這一現(xiàn)象在分析管-土相互作用時(shí)必須加以考慮。

5 結(jié) 論

本文利用FBG和PIV測(cè)試技術(shù)，在埋地管道的模型試驗(yàn)中獲取了管道應(yīng)變、土壓力和土體變形的分布特征，分析了地表荷載作用下的管-土相互作用機(jī)理，得到了以下結(jié)論：

(1)利用FBG光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以掌握管道及周邊土體的受力變形特征，這為研究管-土相互作用提供了一種新的思路和方法。當(dāng)管道處于彈性變形階段時(shí)，根據(jù)光纖應(yīng)變測(cè)值可以反演管周的土壓力分布。

(2)粒子圖像測(cè)速與FBG傳感器所得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果都能夠反映管周土體的應(yīng)變分布和變形情況，這兩類(lèi)方法在監(jiān)測(cè)管-土相互作用中的可行性得到了論證。由于測(cè)試原理和誤差來(lái)源不同，兩種方法的測(cè)值有一定的差異。在小變形條件下，F(xiàn)BG傳感器的應(yīng)變讀數(shù)穩(wěn)定性相對(duì)較好。

恰當(dāng)?shù)膭?chuàng)面處理可以有效降低燒傷后膿毒血癥的發(fā)生率，局部用藥是創(chuàng)面處理中的一個(gè)重要組成部分，然而有關(guān)新生兒燒傷創(chuàng)面用藥還未形成共識(shí)。有報(bào)道新生兒大范圍使用含乙醇或氯已定的消毒液導(dǎo)致皮膚化學(xué)燒傷［2，7］;磺胺嘧啶銀對(duì)體外培養(yǎng)角質(zhì)形成細(xì)胞有一定毒性效應(yīng)，并可能誘發(fā)變態(tài)反應(yīng)導(dǎo)致新生兒肝、腎損害，使用后血中銀離子濃度升高可能引起精神狀態(tài)異常［8］。絡(luò)合碘消毒液對(duì)細(xì)菌繁殖體和真菌殺菌效果較好，毒性低、無(wú)刺激性、性能穩(wěn)定，最低合格濃度為有效碘260 mg/L［9］;考慮到該患兒創(chuàng)面較大，創(chuàng)面用藥時(shí)間長(zhǎng)，因此，應(yīng)用絡(luò)合碘稀釋液(濃度0.25% ～0.30%)消毒創(chuàng)面，未使用磺胺嘧啶銀。

(3)不同管道埋深率條件下，管周土體的變形破壞模式有所不同。管道埋設(shè)越深，則土體塑性區(qū)越局限于地表附近，土拱效應(yīng)發(fā)揮得越明顯。