采用分布式光纤传感技术实现土体龟裂发育过程的感知与预测

土体龟裂是干旱气候作用下一种常见的自然现象。裂隙的存在会显著弱化土体的工程性质，从而导致各种地质、岩土和环境工程问题甚至灾害。如裂隙会改变大气-土体界面上物质能量交换过程，加速土体风化、劣化和侵蚀，裂隙还会破坏土体结构的完整性，呈数量级增加土体的渗透性，从而降低边坡、路基、堤坝等工程结构物的稳定性，为滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生创造有利条件。因此，掌握土体龟裂的实时发育规律和潜在演化机制对极端气候作用下的工程地质防灾减灾具有重要意义。

近些年来，分布式光纤传感技术因其抗干扰性强、耐腐蚀、高灵敏度、高精度等优势在地质、岩土等工程监测中得到了广泛应用。考虑到该技术的特点和优势，我中心徐金鉴同学在导师的指导下提出了一种基于分布式光纤传感技术（DFOS-OFDR）的土体龟裂过程精细化监测新方法，发现DFOS-OFDR能够精确获得土体龟裂发育过程中应变场的时空演化特征，实现裂隙的精准定位，并能提前感知裂隙的形成。通过对试验结果进行分析，建立了感测应变与裂隙发育规律之间的关联。研究成果对深入掌握土体龟裂发育机理有重要意义，为预测土体龟裂发育过程提供了新的技术思路。

图1干燥过程中土体裂隙发育形态和感测应变的时空演化规律

上述研究成果近期以“Monitoring and Early Detection of Soil Desiccation Cracking Using Distributed Fiber Optical Sensing”为题，发表于岩土工程领域顶级期刊Géotechnique。论文工作的创新性得到了杂志主编和审稿专家的高度肯定。我中心博士研究生徐金鉴为论文第一作者，唐朝生教授和程青副教授为该论文的共同通讯作者。研究工作得到了国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划课题的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1680/jgeot.21.00397

其他相关论文:

Xu, J. J., Tang, C. S., Yang, Y., Li, L., Zhang, H., Cheng, Q., ... & Shi, B. (2024). Breathing phenomenon of soil desiccation cracking: Insights from novel geophysical observations. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 129(1), e2023JF007318. (https://doi.org/10.1029/2023JF007318)

Xu, J. J., Zhang, H., Tang, C. S., Cheng, Q., Liu, B., & Shi, B. (2022). Automatic soil desiccation crack recognition using deep learning. Geotechnique, 72(4), 337-349. (https://doi.org/10.1680/jgeot.20.P.091)

Xu, J. J., Zhang, H., Tang, C. S., Cheng, Q., Tian, B. G., Liu, B., & Shi, B. (2022). Automatic soil crack recognition under uneven illumination condition with the application of artificial intelligence. Engineering Geology, 296, 106495. (https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106495)

Xu, J. J., Tang, C. S., Cheng, Q., Xu, Q. L., Inyang, H. I., Lin, Z. Y., & Shi, B. (2021). Investigation on desiccation cracking behavior of clayey soils with a perspective of fracture mechanics: a review. Journal of Soils and Sediments, 1-30. (https://doi.org/10.1007/s11368-021-03082-y)