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)

0 引 言

隨著我國城市化、工業(yè)化進(jìn)程的加快，地下管線在城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著越來越重要的作用。作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，供水、排水、燃?xì)?、熱力、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達(dá)數(shù)萬公里的管線，沿線地區(qū)地殼活動劇烈，地質(zhì)環(huán)境惡劣。最近10年間，國內(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)損失和惡劣的社會影響。

國內(nèi)外研究表明，由于埋地管道長期處于復(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)展的過程，管周土壓力、管道的縱向和環(huán)向形變將發(fā)生動態(tài)變化。地下管線變形破壞的工程誘因主要包括大面積地面堆載、基坑開挖和降水、鄰近地下施工、深部采礦活動等。在這些問題中，均存在著明顯的管-土相互作用，近年來一些分析計(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，人們對于開挖、降水、盾構(gòu)施工等擾動效應(yīng)較為關(guān)注，對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。這類技術(shù)將光纖同時(shí)作為傳感和傳輸介質(zhì)，在監(jiān)測原理、信號傳輸方式以及數(shù)據(jù)解調(diào)等方面與傳統(tǒng)測試技術(shù)有很大的差異，具有精度高、耐久性好、不易受干擾、無監(jiān)測盲區(qū)等優(yōu)勢(朱鴻鵠等， 2013， 2020； 施斌等， 2019)。近年來，一些學(xué)者將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于解決地下管線變形、泄漏和腐蝕等監(jiān)測難題，得到了一些初步的經(jīng)驗(yàn)(胡盛等， 2008； Feng et al.，2018； 孫夢雅等， 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，用光纖感測技術(shù)監(jiān)測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)場布設(shè)的建議。Simpson et al. (2015)在室內(nèi)模型試驗(yàn)中，通過環(huán)向布設(shè)的分布式感測光纖成功監(jiān)測到不同材質(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。

粒子圖像測速(particle image velocimetry， PIV)是一種應(yīng)用廣泛的數(shù)字圖像測量技術(shù)，也稱為數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation， DIC)技術(shù)。該技術(shù)將被測介質(zhì)的變形看作為顆粒低速流動的過程，通過比對變形前后照片的關(guān)聯(lián)性，獲得應(yīng)變場、位移場(Adrian et al.，2005)。Huang et al. (2015)利用該技術(shù)跟蹤監(jiān)測了砂土中管道的上拔破壞特征。為了測量凍土試樣的凍脹變形，劉振亞等(2018)系統(tǒng)研究了光場、表面紋理和相關(guān)度參數(shù)等對PIV分析結(jié)果的影響。倪鈺菲等(2020)開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(Zhang et al.，2018； 吳涵等， 2020)。Zhang et al. (2016)和李飛等(2017)對比分析了地基加載試驗(yàn)中PIV和光纖傳感器的變形監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者的發(fā)展趨勢較為一致。但是前者屬于非接觸式測量技術(shù)，測的是土體側(cè)面的應(yīng)變，因此會受到模型箱邊界的摩擦效應(yīng)的影響； 后者測的是土體內(nèi)部的線應(yīng)變，因此理論上應(yīng)該更為準(zhǔn)確，但是監(jiān)測結(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值偏小。在柴敬等(2019， 2020)開展的煤層開采模型試驗(yàn)中，也觀測到了類似的現(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)測結(jié)果可以定性反映采動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，并探究了埋深率對管周土體變形的影響規(guī)律。

1 測試原理及方法

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)，光柵會反射特定中心波長的光，該中心波長滿足以下條件：

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，并稱籽粒鮮重。

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

以下對比FBG和PIV獲取的、對應(yīng)位置處的土體水平向線應(yīng)變測值。圖 8顯示，兩種方法得到的土體應(yīng)變演化趨勢具有某些相似性。在1號測點(diǎn)處，PIV捕捉到前3級荷載作用下的水平向應(yīng)變均為壓應(yīng)變，與FBG的監(jiān)測結(jié)果吻合； 但是隨著荷載逐級增加，PIV數(shù)據(jù)波動性明顯加大，分析原因可能是由于模型箱側(cè)壁的摩擦效應(yīng)對土體表面顆粒移動帶來一些干擾。2號和3號為距離加載板較近的測點(diǎn)，此處PIV監(jiān)測到的應(yīng)變變化與FBG相比規(guī)律較差，但其量值明顯大于FBG的測值。這說明，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)測現(xiàn)場一般采用圓片狀或十字形錨固體保證傳感光纜和周圍土體的變形匹配性(Hauswirth et al.，2014； 張誠成等， 2019)，而且變形范圍、尺度也更大，因此光纖應(yīng)變測值會更為準(zhǔn)確。

ΔλB=Δε(1-Pe)λB

(2)

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

長期以來，由于體制、機(jī)制、技術(shù)上的限制，我國并沒有系統(tǒng)的開展統(tǒng)一的地理國情監(jiān)測，多頭開展和多部門共同參與地理國情監(jiān)測帶來數(shù)據(jù)重復(fù)采集、監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和監(jiān)測結(jié)果主觀性等問題，無法滿宏觀決策和公共服務(wù)對地理國情的真實(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情監(jiān)測系統(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)一的地理國情監(jiān)測體系和權(quán)威發(fā)布平臺，為下一步開展常態(tài)化的土地利用、生態(tài)環(huán)境、能源礦產(chǎn)評估、水資源、自然災(zāi)害等地理國情監(jiān)測打下夯實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 PIV測試技術(shù)

PIV技術(shù)通過圖像匹配實(shí)現(xiàn)非接觸、動態(tài)的變形測量，其基本測試原理如圖 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、應(yīng)變場等。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)動模式和應(yīng)變積累過程，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，防止圖像畸變對測量結(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)識別位移場的兩個(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)定過大，則會導(dǎo)致PIV分析無法進(jìn)行； 如果采用過小的閾值，則會引起較大的測試誤差。

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

對于埋地管道這類柔性環(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。

半專業(yè)勞務(wù)派遣森林消防撲火隊(duì)是指經(jīng)過森林防火技能培訓(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人的半專業(yè)國有林場應(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)撲火和火場安全逃生基本知識。

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。他們曾在零下18℃的冷庫里連續(xù)工作20小時(shí)，地毯式地排查搜尋涉案物證。他們近年來查辦的燕莎薩拉伯爾餐廳經(jīng)營超保質(zhì)期食品案、“愛瑪客北京分公司”未經(jīng)許可從事餐飲服務(wù)活動案等數(shù)十件大案要案，獲得了上級部門和轄區(qū)群眾的充分肯定，贏得執(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無菌水，充分振蕩，采用梯度稀釋進(jìn)行稀釋，稀釋度為101～108。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，觀測菌落形成情況。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為作用在單位管長上的荷載；EIl為單位管長的管壁環(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?u∈Rn，

(8)

當(dāng)管周土體發(fā)生大變形后，光纖傳感器和周圍土體將發(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)于加載板呈對稱分布，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復(fù)雜的非線性接觸問題，掌握管周土壓力的分布對于實(shí)時(shí)評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)制造活動的完成時(shí)間；對于n個(gè)串聯(lián)形式的制造活動完成時(shí)間求其總時(shí)間；φi表示第i個(gè)制造活動的完成時(shí)間影響系數(shù)，該系數(shù)考慮制造活動中的轉(zhuǎn)移、設(shè)備故障等的時(shí)間系數(shù)；表示對m個(gè)并聯(lián)形式的組織活動完成時(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)抖動情況。采用圖像軟件控制每隔1 min自動拍攝1次，照片像素為5184×3456。試驗(yàn)結(jié)束后，基于MATLAB平臺，采用劍橋大學(xué)、西澳大學(xué)和皇后大學(xué)等聯(lián)合開發(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與應(yīng)變場。由于試驗(yàn)時(shí)間較短，環(huán)境光場基本恒定，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)拍攝加載過程中土體表面的PIV圖像。

以艾略特波浪理論分析國證A指走勢。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)會出現(xiàn)此等情況，分析師容易被迷惑。

3.3 試驗(yàn)過程

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)對地表進(jìn)行分級加載，并自動記錄荷載大小和豎向位移量。在試驗(yàn)過程中，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)過程中室溫基本不變，因此忽略環(huán)境溫度對FBG應(yīng)變測值的影響。

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)氧樹脂粘貼4個(gè)串聯(lián)的FBG傳感器，用于監(jiān)測管壁的環(huán)向應(yīng)變，其初始波長分別為1528 nm、1532 nm、1537 nm、1542 nm； 在管頂正上方5 cm處對稱放置5個(gè)串聯(lián)的FBG傳感器，用于監(jiān)測H水平面上土體的線應(yīng)變，其初始波長分別為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)鍵問題之一(朱鴻鵠等， 2013)。為了準(zhǔn)確測量壓應(yīng)變，在安裝時(shí)均對光柵位置進(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瑝簯?yīng)變?yōu)樨?fù)。監(jiān)測結(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)過強(qiáng)度校核，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，管道均處于彈性階段，無塑性變形。

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，引起土體對管道的彈性抗力，約束管道進(jìn)一步變形。

圖 5 加載過程中管道上FBG的應(yīng)變監(jiān)測結(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)測結(jié)果Fig. 7 FBG strain monitoring results at level of H

圖 8 FBG應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果與PIV結(jié)果對比圖Fig. 8 Comparison between FBG strain monitoring results and PIV resultsa. 1號測點(diǎn)； b. 2號測點(diǎn)； c. 3號測點(diǎn)

溫度和軸向應(yīng)變是引起FBG反射光中心波長變化的兩個(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λB發(fā)生相應(yīng)的漂移量。通過獲取λB的變化量，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變或溫度量值的絕對測量。若溫度保持不變，F(xiàn)BG所受應(yīng)變和中心波長漂移量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)動趨勢，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有明顯側(cè)向移動，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

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、三內(nèi)角、半周長、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(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(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(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)行文庫模板的富集，氫氧化鈉變性，產(chǎn)生單鏈DNA片段。

以上監(jiān)測結(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限空間解答逐漸接近，此時(shí)的地基極限承載力與無管道情況一致(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)變測值可以反演管周的土壓力分布。

(2)粒子圖像測速與FBG傳感器所得到的監(jiān)測結(jié)果都能夠反映管周土體的應(yīng)變分布和變形情況，這兩類方法在監(jiān)測管-土相互作用中的可行性得到了論證。由于測試原理和誤差來源不同，兩種方法的測值有一定的差異。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。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)合碘消毒液對細(xì)菌繁殖體和真菌殺菌效果較好，毒性低、無刺激性、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，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。