基于MatDEM的感测光缆-松散土体变形协调性研究

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研究内容

近年来，光纤感测技术已被广泛应用于土体的变形监测（图1）。然而，土体作为松散堆积体，其物理力学性质与质地相对均一的感测光缆存在显著差异，且土体的变形行为十分复杂，这使得感测光缆-土体的变形协调性成为决定感测光缆能否准确获得土体变形的关键因素。受到测试设备的限制，利用实验手段揭示感测光缆与松散土体的变形耦合行为仍因无法准确观察到光缆与土体的相互作用而存在一定限制。为此，南京大学顾凯副教授课题组基于刘春教授开发的高性能离散元数值模拟软件MatDEM建立了一个已知最精细的二维模型，重现了不同围压条件下光缆在土中的拉拔过程，深入揭示了光缆-土体变形协调行为。

研究结果表明：离散元方法能够很好地揭示拉拔过程中光缆与土体颗粒各自的变形特征以及在实验中无法获得的光缆-土体界面剪应力分布（图2）；地层围压是决定光缆-土体耦合的关键因素；不同于常用的“应变传递深度Lε”，光缆与土体界面的“滑脱深度Ls”能够更准确的反映光缆与土体间的耦合程度；阐明了应变软化型光缆拉拔过程中各阶段光缆轴应变分布与界面剪切应力分布的理论模型（图3），并提出了分别基于“光缆轴应变”和“界面剪应力”的光缆-土体变形协调性评价方法。这些结果能够为深入理解光缆-土体变形协调性提供重要依据，为土体变形光纤监测提供科学支撑。

图1 基于光纤感测技术的土体变形监测

图2 不同阶段光缆应变分布、粒间断裂和界面剪应力分布

图3 应变软化型光缆拉拔过程中各阶段光缆轴应变分布和剪应力分布理论发展过程

上述研究成果近期以“Insight into the mechanical couplingbehavior of loose sediment and embedded fiber-optic cable using discreteelement method”为题，发表于工程地质领域权威期刊Engineering Geology。南京大学顾凯副教授为论文的第一作者和通讯作者，合作者包括硕士毕业生向伏林、刘春教授、施斌教授和博士毕业生郑兴。

这项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、关键地球物质循环前沿科学中心青年教师独立团队项目、中央高校基本科研业务费国际合作项目、自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室开放课题和国家自然科学基金重点项目联合资助。

研究延伸

向伏林, 杨天亮, 顾凯*, 施斌, 刘春, 刘苏平, 张诚成, 姜月华. 钻孔全断面分布式光纤监测中光缆-土体变形协调性的离散元数值模拟.岩土力学2021；42(6);
1743-1754

来源：矩阵离散元MatDEM

Mechanical 断裂岩土离散元理论

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首次发布时间：2023-12-30