基于分布式感测的多场作用下土体结构系统变形响应和灾变机理研究

This project takes the deep and thick layer Quaternary soil mass in the land subsidence area of Suzhou-Wuxi-Changzhou areas as the research object, closely around the central topic "Research on the deformation response and disaster mechanism of soil mass structure system with multi-field coupling function based on distributed optical fiber sensing technology". By considering the soil mass as a structural system, using distributed optical fiber sensing technology, the project will systematically focus on the structure deformation response of soil mass under multi-field coupling function and explore the sensing methods for measuring the coordinate deformation of soil mass structure system in order to find a new research idea and a new research method for soil mass engineering geology. The project is expected to get a number of innovations: (1) Master the law of deformation response of soil mass structure system under a single field function and a multi-field coupling function; (2) Figure out the catastrophic process and mechanism of soil mass deformation under a single field function and a multi-field coupling function; (3) Develop a series of suitable hardware devices and software systems with the invention patent of distributed optical fiber sensing technology to measure the soil mass deformation; (4) Set up the deformation damage and strength analysis model of the soil mass structure system, and put forward catastrophe control measures; (5) Clarify the soil mass structure system deformation evolution and disaster mechanism of the deep and thick layer Quaternary soil mass in the land subsidence area of Suzhou-Wuxi-Changzhou areas. This project is of great significance to the prevention of soil geological disasters and protection of the geological environment.

本项目紧紧围绕"基于分布式感测的多场作用下土体结构系统变形响应和灾变机理研究"这一中心课题，以苏锡常地区深厚层的第四纪土体为研究对象，将土体作为一个结构系统来考虑，采用分布式光纤感测技术，系统研究多场耦合作用下土体结构系统的变形响应，探索土体结构系统协调变形的感测方法，为土体工程地质研究开辟一条新的研究思路和一种新的研究方法。项目可望获得一批创新成果：（1）掌握单一场和多场耦合作用与土体结构系统间的变形响应规律；（2）掌握单一场和多场耦合作用下土体变形的灾变过程和机理；（3）研发出一系列适合于量测土体变形的具有发明专利性的分布式光纤感测软硬件器件和系统；（4）建立土体结构系统变形损伤与强度分析模型，提出土体灾变调控措施；（5）揭示苏锡常地区深厚层第四纪土体结构系统的变形演变和灾变机理。本项目的研究对于科学利用工程土体资源，防治土体地质灾害和保护地质环境具有重要意义。

该项目五年来，采用分布式光纤监测等手段，围绕多场作用下土体结构系统变形响应和灾变机理研究，按计划完成了各项研究内容，获得了预期成果。(1) 分析了土体结构系统中各种场的性质及其多场耦合作用机理，掌握了苏锡常地区第四纪沉积物的宏观和细微观结构系统，并对含水系统进行了划分。(2)研发了适用于室内模型试验及现场多场多参量监测的分布式光纤感测技术，发明了土体剖面含水率光纤监测技术，建立了钻孔全断面光纤监测系统。(3) 发现了降水过程中黏土层中的“负压”现象；掌握了回灌地下水后地面回弹的机理，并提出了土层最大回弹量的预测方法；开展了降雨入渗与土质边坡变形耦合模型试验研究，发现了在滑动面剪切带附近应变拉压转换带；提出了边坡的水平向应变率指标作为渗流滑坡预警的参考值。（4）获得了苏州和无锡地面沉降变形与土的微观结构之间的关系，建立了用于模拟土体结构系统损伤灾变的三维离散元模型，揭示了负压的形成和对土中骨架有效应力与压缩应变的影响。（5）提出了二种土层压缩潜力评价方法，即孔隙比率指标法（Ec和Es）和光纤e-p曲线法，制定了地面沉降生命过程阶段评价标准，并对苏州盛泽钻孔地区的土层压缩潜力进行了评价；从土体的结构系统分析，目前苏州盛泽地区地面沉降量的主要来源是土体中紧邻主要砂土层的弱含水层，地面沉降处在中老年阶段。（6）建立了加载对加筋边坡稳定性影响的力学模型，得到了坡体内应变分布和边坡稳定性的相关性，并用来确定土质边坡滑裂面的存在；获得了土钉的弯曲应变和荷载水平间的关系，以评价土质边坡土钉加固的效果。（7）获得了纤维加筋改性土存在纤维最优掺量，利用测得的纤维/土界面剪切强度，可确定纤维的最大临界加筋长度，为地面沉降区的土质地基改性提供科学依据。.研究成果已在江苏、北京、浙江、天津、上海、西安、安徽等省市的地面沉降监测中得到应用，相关监测技术大幅节省了经费开支，取得了良好的社会和经济效益。