随着地质灾害和城市基础设施监测的需求日益增长，光纤传感技术在土壤变形监测中的应用得到了广泛关注。特别是分布式光纤传感（DFOS）技术，凭借其高空间分辨率和实时监测能力，成为监测地下土层变形的有效工具。然而，光纤传感器与土壤之间的变形协调性（DCFS）对光纤测量精度的影响仍然是一个亟待解决的问题。本研究在三轴压缩条件下，系统探讨了光纤与砂砾土之间的变形协调性，揭示了不同砂砾粒径和粗糙度对变形协调性的显著影响，量化光纤与砂砾土之间的变形协调性，并为实际工程中的土壤变形监测提供参考。
如图1所示，课题组采用了三轴试验装置和光纤频域反射（OFDR）技术，结合粒子成像测速（PIV）技术，开展了四种不同砂砾材料在不同围压条件下的变形协调性研究。实验中，光纤被嵌入在砂砾土样本的轴向中，测试了粒径、表面粗糙度、围压以及加载卸载循环次数等因素对光纤与土壤变形协调性的影响。
图1 试验装置与试验材料示意图
在本研究中，粒子成像测速（PIV）技术与光纤频域反射（OFDR）技术相结合，发挥了关键作用。如图2所示，PIV技术精确分析了试样表面的位移分布，为光纤应变数据提供了有效验证，确保了实验结果的准确性。通过这一创新组合，我们不仅深入理解了光纤与土壤之间的应变协调性，还为实际土壤变形监测提供了可靠的技术支持。
图2 PIV分析区域及加载过程中试样表面位移分布示意图
使用OFDR获得的光纤应变数据如图3所示，试样两端由于端部效应的作用使光纤应变逐渐趋于零。本研究将光纤应变的峰值与试样自身应变之比定义为光纤-土体变形协调系数θf-s，如图3所示，光纤应变与试样应变拟合曲线的斜率即代表θf-s，并且从图中可看出θf-s随着加卸载循环次数的变化而变化。
图3 光纤应变分布及光纤应变与试样应变拟合曲线示意图
为探究θf-s随加卸载循环次数的变化规律，本研究继续开展多轮加卸载循环试验。如图4所示，在十轮加卸载循环中，随着循环次数的增加，变形协调性逐渐提升，且在第三个循环后趋于稳定。这一发现表明，光纤在长时间使用后的变形协调性具有较高的可靠性和稳定性。并将不同砾石在不同围压下试验获得的θf-s系数汇总如表1所示。
图4 十轮加卸载循环试验变形协调系数变化趋势示意图
表1 不同砾石在不同围压下θf-s系数汇总
为了进一步验证实验结果的可靠性，课题组将所提出的基于θf-s系数的光纤应变校正方法应用于实际的地面沉降监测项目中。通过与现有的层标（分层沉降标）数据进行对比分析，充分验证了θf-s系数在实际工程应用中的适用性和准确性。如图5、6所示，在滨海和盐城开展的两个监测案例中，研究团队利用该方法对光纤应变数据进行校正处理。结果显示，经过校正后的光纤应变数据能够准确地恢复出土层的实际变形量。无论是处于压缩工况还是回弹工况的土层，校正后的光纤监测数据与层标测量结果均呈现出高度一致性。
图5 滨海地区地面沉降检测系统组成结构及光纤应变与土层变形的时间演化
（图中红色五角星表示经校正后的光纤应变数据对应到实际土层变形中）
图6 盐城地区地面沉降检测系统组成结构及光纤应变与土层变形的时间演化
（图中红色五角星表示经校正后的光纤应变数据对应到实际土层变形中）
本研究为光纤传感技术在砂砾土变形监测中的应用提供了新的理论依据和实验数据。通过量化光纤与土壤之间的变形协调性，提出了有效的系数（θf-s）以提高监测精度。此外，研究成果在实际土层沉降监测中的成功应用，预示着光纤技术在地质灾害监测和工程监控中的广泛前景。
相关研究成果以“Coordinating Strain Responses Between Optical Sensing Fibre and Gravel Soil”为题，发表在SCI期刊Measurement上。论文第一作者为课题组硕士研究生艾志伟，通讯作者为张丹教授。论文研究工作得到了国家自然科学基金和江苏省自然科学基金的资助。