地面沉降是一种地面标高缓慢降低的环境地质现象。作为一种地质灾害，地面沉降已经威胁到市政基础设施及居民的生命财产安全。根据国家自然资源部发布的2020年全国地质灾害灾情报告，年内全国共发生地质灾害7840起，其中有关地面沉降的灾害事件334起。苏锡常累计地面沉降量大于0.2m的区域已达5000km2，最大累计沉降量已超过2m。地面沉降带来的危害有很多：建筑物沉降开裂、地下管道受损、河道运输受阻、城市内涝加剧等。不管从发生的频率，还是从带来的危害来看，地面沉降对人们的生命和财产安全带来了很大的挑战。并且，地面沉降是一种渐进性和潜在性的地质灾害。一项评估表明：未来累计沉降面积将达220万平方公里，影响12亿居民，经济影响占全球GDP的21%。
为了监测和预防地面沉降，开发了多种监测技术和方法。分布式光纤感测技术（Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS）是一种以光为载体、光纤为媒介，测量应变(ε)、温度(T)、含水率(w)等被测参量沿光纤长度的分布及变化的传感技术，具有分布式、抗电磁干扰、长距离监测、高灵敏、强鲁棒性等优势。传感光纤和土体之间的变形协调是DFOS在土地沉降监测中使用的一个关键问题。针对这一问题，主要的研究思路是开展光纤拉拔试验，测试光纤与土体的变形耦合性。对于这种情形，光纤是主动位移，土体被动产生纤-土界面滑移，和地面沉降监测中的土体主动发生变形，通过纤-土界面作用带动光纤变形的情况相反。此外，地面沉降是区域性的土体变形，沉降量体现的是局部区域的累计变形，通常不会出现光纤拉拔测试中局部数千~数万微应变。因此，拉拔试验得出的结论可能不适用于阐述土体压缩条件下光纤-土体变形协调性。
课题组基于OFDR高分辨率分布式光纤感测技术，研究光纤与钻孔回填料之间的变形协调关系，针对灌砂、中级砂和标准砂这三种代表性的钻孔回填料与Φ5mm钢绞线光纤的变形协调性展开实验研究，设置三种围压（200kPa, 400kPa, 500kPa）和两种含水状态，研究不同因素对纤-土变形协调性的影响。
光纤应变分布曲线是本次试验研究获得核心数据。为了描述光纤-土体变形协调性，将光纤应变经过积分得到的位移与位移计位测量的位移进行线性拟合，拟合曲线的斜率定义为光纤-土体变形协调系数。从上图种可以看到，不同的试验条件所得到的光纤-土体变形协调系数是不同的。本研究的结果可以总结为：（1）钻孔回填料的粒径越大、越均匀，纤-土变形协调性（FSDC）越好；（2）传感光缆的安装深度越深，FSDC越好。（3）地下水位以下FSDC较好。加卸载循环次数增加，FSDC趋于稳定，适宜进行长期地面沉降监测。
该研究的意义在于：利用光纤-土体变形协调系数修正光纤实测应变，以得到土体真实应变，为实现分布式光纤监测技术在地面沉降监测中的应用提供试验依据。
此研究成果以“Investigation of deformation coordination between optical fibre and borehole sand backfill”为题，发表于期刊Geotechnical Engineering。论文第一作者为课题组研究生艾山江·依米提（Hasanjan Yimit），张丹教授作为通讯作者。论文研究工作得到了国家自然科学基金、自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室开放课题等项目的资助。
原文链接：Yimit, H., Zhang, D., Luo, Q., Gong, X., Wang, H., Liao, H., 2023. Experimental investigation on the deformation coordination between an optical fibre and backfilling sand of borehole. Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Geotechnical Engineering 1–27. https://doi.org/10.1680/jgeen.23.00055