可用于结构健康监测的BOTDR光纤变形检出特性试验研究

应用BOTDR检测技术对用于结构物健康监测的光纤变形检出特性进行了试验研究,包括光纤锥重拉伸试验和光纤压缩与拉张试验。通过试验,分析了光纤应变区长度对检测结果的影响,确定了光纤应变检测段长度的选择区间,验证了BOTDR检测光纤压应变和张应变的有效性。     

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆耦合性研究

钻孔回填料与直埋式应变传感光缆之间的耦合性,是决定分布式光纤感测(DFOS)技术能否利用一个钻孔精细化监测钻孔地层剖面变形分布的关键。利用自主研制的可控围压光缆–土体相互作用特性试验装置,探究了0～1.6MPa围压下传感光缆与松填砂土以及击实砂–黏混合土之间的耦合性。试验与理论分析结果表明:在拉拔状态下,光缆–土体界面呈现渐进性破坏特征;在低围压下,光缆轴向应变随拉拔位移的增大而增大,且不断向光缆尾部传递;在高围压下,应变的扩展与传递被限制在很小的范围内;理想弹–塑性拉拔模型可较好地描述光缆–土体界面的渐进性破坏特性。提出采用光缆–土体耦合系数ζc–s定量描述光缆与土体之间的耦合性,将10000??下的ζc–s值作为评价长期监测条件下两者耦合性的指标,并根据0.5,0.75,0.9三个ζc–s值将两者的耦合性分为强、较强、较弱以及弱4类。一定围压下,光缆与土体具有强耦合性;对于松填砂土与击实砂–黏混合土,该临界围压值分别为0.55 MPa与0.17 MPa。以苏州盛泽地面沉降为例,分析了钻孔回填料与传感光缆之间的耦合性,结果表明:距地表约16 m深度以内两者具有较强耦合性;而约16m深度以下两者具有强耦合性,传感光缆的应变数据可准确反映地层的变形。这一研究成果为DFOS技术应用于钻孔剖面地面沉降监测提供了坚实的理论依据。     

控制厚度条件下土体干缩开裂的界面摩擦效应

土体厚度和界面粗糙度对土体干缩开裂有着重要影响,为了探究土体在不同厚度和界面粗糙度条件下的干缩开裂特性,开展了一系列室内干燥试验。试验中共配置了9组初始饱和的泥浆样,分别设置3种不同的土体厚度和3种不同的界面粗糙度,并在恒温30℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率变化及表面裂隙的演化过程,利用数字图像处理技术,对裂隙网络进行了定量分析,得到不同厚度和不同界面粗糙度条件下土体龟裂的动态发展过程及相关参数。试验结果表明:①界面粗糙度越大,龟裂发育速度越快,然而土体厚度越大,龟裂发育速度越慢,且土体整体收缩效应越明显;②界面粗糙度越大,龟裂发育程度越高,然而增加土体厚度可以削弱界面粗糙度对龟裂发育过程的影响;③土体厚度和界面粗糙度都对土体开裂时的临界含水率有重要影响,且两者对龟裂发育过程的影响具有耦合作用关系。最后,结合土体干燥收缩特性,探讨了上述两种因素对龟裂的影响机理。     

多边界条件下缓冲/回填材料的膨胀特性

高放废物处置库中缓冲/回填材料的膨胀特性是评价其屏障性能的关键因素。受试验仪器等条件的限制,以往的膨胀试验基本都是在恒体积和恒应力这两种极端边界条件下开展的,无法有效反映处置库中的复杂应力–应变环境。研发了一套新型的多边界条件膨胀仪,集成了恒体积、恒应力和柔性等刚度3种边界条件。利用该膨胀仪对中国高庙子(GMZ)缓冲/回填材料开展了一系列膨胀试验,分析了边界条件对试样膨胀特性的影响。结果表明:研发的多边界条件膨胀仪具有操作简单、性能稳定等特点,能有效地模拟各种边界条件;边界条件对试样膨胀指标具有重要影响,对应的最终膨胀力关系为:恒体积柔性等刚度恒应力边界条件,最终膨胀率关系为:恒应力柔性等刚度恒体积边界条件;膨胀平衡极限(SEL)曲线可作为评价土体在复杂边界条件下水化时的最终体变和膨胀力的参考。研究结果对进一步认识土体的膨胀特性和指导高放废物处置库中缓冲/回填材料的设计具有一定参考意义。     

基于相似材料的光纤应变传感器在分区破裂模型试验中的研究

基于模型相似材料研制了适用于地质力学模型试验的光纤光栅应变传感器,能够同时实现横向、纵向和切向3个方向的应变测量。将7个光纤应变传感器依次预埋在模型巷道的左边墙,采用波分复用技术组成光纤传感网络,实现对模型内部应变分布的实时监测。光纤传感器的监测结果表明,在巷道开挖过程中,深部巷道周围径向应变值没有表现出随距离巷道远近而递减的规律,而是呈波浪形分布;超载试验完成后,巷道周围径向应变值依然呈波浪形分布。最后将模型剖开,成功观测到了高地应力深部巷道围岩的分区破裂现象,同时验证了设计的光纤光栅应变传感器的可靠性。     

高放废物处置库中COx黏土岩回填材料压缩特性研究

 高放废物处置库中回填材料需要预先压缩到一定密实度,其压缩特性对处置库的设计和安全性有重要影响。目前,粉碎后的Callovo-Oxfodian(COx)黏土岩(法国)被考虑为可选的回填材料之一。通过开展一维压缩试验,研究2种不同粉碎工艺下获得的粗/细COx土样的压缩特性,结果表明：压缩曲线受粒度成分的影响非常明显,为获得同等压实度,细粒土所需的压实功能较粗粒土高,除此之外,细粒土的压缩指数也高于粗粒土,表现出较强的压缩性;随着土样压实密度的增加,粗/细土样的压缩曲线逐渐靠拢,粒度成分对压实功能影响逐渐减弱;土样卸荷时回弹指数随干密度的增加而增加,受粒度成分的影响不明显;高压实(rd = 2.0 g/cm3)粗粒土样在7 MPa的轴向应力下饱和时,体积发生明显的塌陷现象,饱和后土样的压缩指数小于饱和前,而回弹指数则较饱和前高。     

显微CT扫描南京粉砂空间孔隙结构的精细化表征

孔隙结构是反映土体物理、力学性质变化的本征指标,传统医用CT分辨率尺度不足以辨识表征岩土体细观结构的单个颗粒或孔隙。使用了14μm高空间分辨率的工业显微CT,对砂雨法生成的南京粉砂试样进行了扫描。对CT图像预处理后所得二值数字图像序列进行了三维重构,实现了任意表征单元体(REV)提取,并可对REV采用三维二值矩阵加以表征与定量分析。通过分析断层图像序列,计算出土样整体的体积孔隙率,与实验孔隙率误差仅3.93%。沿试样高度计算表观孔隙率在20.97%~46.77%范围内波动。从试样底部一REV中提取出水平方向、与水平面成60°角以及两正交垂直方向共4个典型切面,对其孔隙定向性进行统计分析,结果表明,水平切面具有最小主定向角,两正交垂直切面中,一个具有最大主定向角,另一具有最小各向异性率,斜切面孔隙呈近似等向分布,无明显定向性。采用孔隙网络模型进行空间孔径定量分析,结果发现,所提取出3个REV的最大孔径分布在629~696μm,最小孔径分布在54~77μm,平均孔径分布在166~185μm,孔径分布在100~200μm范围内最为集中。方法可用于热、水、力等各类因素作用下土体空间孔隙结构的无损定量分析。     

同步辐射X射线驻波实验技术研究半导体超薄异质外延层

利用双晶单色器和精密二圆衍射仪,在北京同步辐射装置建立了同步辐射X射线驻波实验技术,并用这一实验技术结合X射线衍射方法,研究了Si晶体中外延生长的超薄Ge原子层的微结构。实验结果表明,由于Ge原子的偏析,在Si晶体样品中形成了共格生长的GexSi1-x合金层,浓度平均值为X=0．13;650℃退火会使Ge原子向表面扩散,Si晶体中的合金层消失,在晶体表面形成接近纯Ge的单原子层。     

速率过程理论在粘性土蠕变模拟中的应用

介绍了速率过程理论及其相应的粘性土蠕变模型的推导，选取淮阴三类不同土质的粘性土样开展了蠕变试验研究，分别制备了各向异性和各向同性的结构试样，获得了相应的蠕变试验成果，最后用速率过程理论模型对试验成果进行了拟合。研究成果表明：以速率过程理论为基础而建立的蠕变模型能有效地模拟不同土质粘性土的蠕变过程、趋势和变形，反映出粘性土土性的本质特点，使土质学和土力学紧密地结合在了一起。     

Si(001)斜切衬底上Ge量子点的固相外延生长

研究了Si(001)面偏[110]方向6°斜切衬底上Ge量子点的固相外延生长.实验结果表明,在Si(001)6°斜切衬底上固相外延生长Ge量子点的最佳退火温度为640℃,在斜切衬底上成岛生长的临界厚度低于在Si(001)衬底成岛生长的临界厚度,6°斜切衬底上淀积0.7nm Ge即可成岛,少于Si(001)衬底片上Ge成岛所需的淀积量.从Ge量子点的密度随固相外延温度的变化曲线,得到Ge量子点的激活能为1.9eV,远高于Si(111)面上固相外延Ge量子点的激活能0.3eV.实验亦发现,在Si(001)斜切衬底上固相外延生长的Ge量子点较Si(001)衬底上形成的量子点的热稳定性要好.