基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置及方法

1.本发明涉及岩土体变形的光纤监测技术领域中的测试装置及测试方法，尤其涉及一种基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置，本发明还涉及一种基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试方法。


背景技术：

2.冻土是一种对温度十分敏感且物理性质不稳定的复杂多相体系，其特性与土壤质地、密度、含水率等多种因素有关。冻土的温度、含水率、密度、冻胀率、导热系数等基本物理性质参数是冻土区水-热-力耦合理论研究和工程实践所需要的重要信息。其中，温度是冻土性质改变的最主要决定因素，随着温度的改变，冻土的成分发生变化，冻土中冰和水之间的发生转化，其含水率、含冰量、导热系数以及过程，都处于动态变化过程，因此，冻土基础物理性质参数的精确测量对于冻土区是理论和试验研究具有重要意义。
3.目前，冻土未冻水和含冰量的测量方法有膨胀法、介电谱法、热脉冲法和核磁共振法(nmr)。膨胀法的基本原理是将待测土壤样本放置在一个圆柱容器中，依据水冻结成冰的膨胀系数来计算冰的体积。介电谱法通过测定冻土的介电常数来间接反映参量。热脉冲法借助热脉冲测定冻土的热导率从而计算出冻土含冰量和未冻水含量。nmr氧原子在外加强磁场的作用下重新排列产生电压的原理测定。但是现有研究显示，上述四种方法均由于扰动大、测量不精确、价格昂贵或不适用于原位测量等原因，限制其在理论和工程研究中的应用。
4.冻土热物理性质参数,如导热系数、热容可通过稳态和瞬态两种测量方法或理论模型计算得到。室内测量技术较为成熟，可通过探针式、平板式分析仪等进行热物性参数测量，而对于原位冻土的热物性参数测量，则大多通过理论模型计算得到，缺乏直接精确测量的技术。
5.冻胀和融沉是季节性冻土区特有的现象。目前，对于原位冻土的冻胀和融沉主要通过经验和理论模型预测，通过监测含水率、含冰量、密度及其它参数间接得到，无法实现原位多物性参数的实时监测。


技术实现要素：

6.发明目的：针对现有技术中的不足之处，本发明提供一种基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置，本发明还提供一种基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试方法。
7.技术方案：本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置包括分布式传感光缆、光纤解调设备、拉拔测试仪、空管和夹具；
8.拉拔测试仪通过夹具对分布式传感光缆进行夹持固定，控制拉拔速率和位移，并记录分布式传感光缆在拉拔过程中的轴向拉拔力和位移；
9.光纤解调设备测量冻土在分布式传感光缆拉拔过程中的应变和温度分布。
10.本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试方法采用基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置进行测试，该测试方法包括以下步骤：
11.(1)将分布式传感光缆沿垂直地表方向埋设于待测原位冻土中相应位置；将空管沿垂直地表方向安装于地表处；分布式传感光缆从空管中由底部向上穿出地表；
12.(2)将分布式传感光缆连接光纤解调设备，光纤解调设备以设定的空间分辨率和采集频率读取沿分布式传感光缆长度方向的温度信息，得到原位冻土的温度沿深度方向的分布和变化；
13.(3)根据原位冻土的温度沿深度方向的分布和变化，确定原位冻土的冻结深度和冻土所经历的不同冻结阶段；
14.(4)拉拔前，将拉拔测试仪固定于地表相应位置，将夹具位于空管上方，拉拔测试仪对准空管的中心，分布式传感光缆固定于夹具中心；
15.(5)在原位冻土的不同冻结阶段，采用拉拔测试仪以恒定速率拉拔分布式传感光缆，并记录拉拔力与拉拔位移，光纤解调设备实时监测拉拔过程中分布式传感光缆沿长度方向的轴向应变分布；
16.(6)绘制拉拔过程中沿分布式传感光缆长度方向的轴向应变分布曲线、光缆拉拔力-拉拔位移曲线，根据分布式传感光缆-冻土界面的耦合变形关系对该曲线进行分析，得到分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度的分布；
17.(7)进行多物性参数测量，根据根据光缆-冻土界面剪切刚度与冻土的多物性参数之间的函数关系，计算出冻土多物性参数值，并进一步得到多物性参数沿光缆长度方向的分布曲线。
18.步骤(1)中，采用钻孔直埋的方式将多根分布式传感光缆沿垂直地表方向安装于待测冻土中，以原位冻土作为回填材料，并保证分布式传感光缆与冻土之间的耦合性。该步骤中，多根分布式传感光缆平行布设，在监测期间原位冻土的不同冻结阶段进行拉拔试验，进而实现原位冻土多物性参数的阶段性、分布式测量，分布式传感光缆的数量根据场地实际情况和监测需求而确定。
19.步骤(2)中，原位冻土的温度沿深度方向的分布和变化为：(a)土壤温度自地表向深部上升，并在恒温层稳定的空间分布；以及浅层地温在不同深度的地温梯度；(b)土壤温度随大气温度的波动、太阳辐射、积雪覆盖影响下随时间的变化。
20.步骤(3)中，以0℃所在位置的深度为冻结深度判断标准，进而确定原位冻土的冻结深度，通过冻结深度的变化判断原位冻土在不同阶段的冻结状态，其中，原位冻土不同的阶段包括无冻土期、冻结发展期、冻结盛期以及冻结融化期。
21.步骤(4)中所采用的夹具内表面附有弹性聚合物垫层，垫层中心刻有固定分布式传感光缆的锯齿状凹槽。
22.步骤(6)中，分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度的分布通过以下方法得出：
23.在拉拔过程中，以光缆长度方向为x轴，光缆深度方向为坐标轴正方向，对光缆微元段进行分析，其轴向应变与位移之间的关系为：
24.25.其中，ε(x)为光缆的轴向应变，u(x)为光缆的位移；
26.根据微元段的受力平衡条件，得
[0027][0028]
其中，d为光缆直径，f(x)为光缆轴力，以拉为正；τ(x)为光缆-土界面的剪应力；
[0029][0030]
其中，e为光缆的弹性模量；
[0031]
联立前面三式，得
[0032][0033]
在光缆和周围土体脱黏之前，界面剪应力与剪应变的关系可表述为
[0034]
τ(x)＝gγ(x)
ꢀꢀ
(5)
[0035]
其中，g是光缆-土界面剪切刚度，γ(x)是界面的剪应变；
[0036]
假设剪切层内土体的剪应变沿着径向线性减小，则拉拔位移与界面剪应力之间的关系表述为
[0037][0038]
其中，h是剪切层土体的厚度；
[0039]
联立式(4)～(6)，结合边界条件得光缆位移：
[0040][0041]
其中，p为拉拔力，l为光缆长度，g
*
＝2g/h定义为光缆-土界面的剪切系数；因此，光缆在xi位置的位移，与该位置对应的界面剪切刚度gi有关，即
[0042]
u(xi)＝g(gi)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0043]
结合实测的光缆的轴向应变ε(x)沿深度的分布曲线，结合式(1)计算得到光缆在xi位置的位移
[0044][0045]
综合式(8)、(9)得光缆的光缆-冻土界面剪切刚度g，并结合轴向应变分布曲线和光缆拉拔力-拉拔位移曲线得到光缆-冻土界面剪切刚度的分布。
[0046]
步骤(7)中，光缆-冻土界面剪切刚度与冻土的多物性参数之间的函数关系通过标定试验获得，标定过程如下：
[0047]
(7.1)配制多组冻土试样并分层填入模具中，每组试样分别设置多个不同参数的样品；
[0048]
(7.2)将分布式传感光缆安装于所述冻土试样内；
[0049]
(7.3)将冻土试样放置于试验箱中冻结；
[0050]
(7.4)使用拉拔测试仪以恒定速率进行拉拔试验，并实时记录分布式传感光缆轴向拉拔力及拉拔位移，光纤解调设备实时测试拉拔过程中光纤的应变分布；
[0051]
(7.5)绘制拉拔过程中沿分布式传感光缆长度方向的应变分布曲线、光缆拉拔力-拉拔位移曲线，根据光缆-土界面耦合变形关系对得出的曲线进行分析，得到分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度沿光缆长度方向分布曲线；
[0052]
(7.6)通过核磁共振法测得冻土试样的质量含冰量；通过导热系数分析仪测得冻土试样导热系数；通过冻结前后的冻土试样的高度h1,h2计算冻胀率得到每组冻土的冻胀率；
[0053]
(7.7)应用最小二乘法拟合建立分布式传感光缆-土界面剪切刚度g与多物性参数之间的函数关系g＝f(wu，wi，ρd，ξ，λ，c)；其中，其中，wu是未冻水含量，wi是含冰量，ρd是干密度，ξ是冻胀率，λ是导热系数，c是热容。
[0054]
步骤(7)中，根据光缆-冻土界面剪切刚度g与多物性参数之间的函数关系，以及步骤(6)中得到的光缆-冻土界面剪切刚度沿分布式传感光缆长度方向的分布曲线计算得到冻土原位的多物性参数沿光缆长度方向的分布曲线。
[0055]
冻土的多物性参数包括未冻水含量、含冰量、干密度、力学参数和热物理性质参数；力学参数包括冻胀率、融沉系数、抗剪强度；热物理性质参数包括导热系数、热容。其中，未冻水含量基准值通过介电常数法测得，含冰量基准值通过核磁共振法测得，干密度基准值通过环刀法测得，冻胀率和融沉系数通过室内模型试验中冻土的垂向位移计算得到，抗剪强度通过三轴剪切试验测得，导热系数和热容通过平板导热分析仪测得。
[0056]
工作原理：冻土中的冻结作用导致土体中产生水分迁移，水分冻结成冰，使土体发生体积膨胀；随温度升高冰晶融化，冻土结构强度降低，在自重应力下发生沉降。土体结构性及其物理力学性质进而发生改变。因此，发生于冻结过程中的水分迁移是导致冻胀的最主要因素。冻胀力是冻胀的衍生品，与冻土的初始含水率、含冰量、干密度具有正相关关系。
[0057]
分布式光纤传感技术依据散射光受外界环境影响的特性行使其监测作用，其中基于光频域反射ofdr技术具有相对较高的空间分辨率和信噪比，以百米级传感长度内实现1mm的空间分辨率，应变传感精度达到
±
1.0με；分布式温度传感dts技术能够以高精度、高时间和空间分辨率获得温度的分布式测量值，传感距离达到万米级。分布式传感测量以其远距离、高精度、抗电磁干扰等优势，可满足冻土变形精细化监测的要求。
[0058]
本发明基于分布式传感光缆-冻土界面的耦合变形关系，通过拉拔过程中的光缆-冻土界面剪切刚度与含冰量、干密度、导热系数、冻胀率及其它物性参数的相关关系实现参数测量。该原理进一步解释为：冻土作用于分布式光缆的作用力分为冻结力和冻胀力两部分。冻结力随着温度的降低、含冰量增大而增大，从而光缆-冻土界面剪切刚度增大。冻土的冻胀力由冻结过程中的水分和冰的变化控制，冻胀力与含水率和含冰量成正相关关系：在同样的冻结条件下，初始含水率越大，冻胀力越大；初始含水率相同的情况下，含冰量越大，冻胀力越大。冻胀力以正应力形式作用于竖直埋设的分布式传感光缆，光缆-冻土界面的抗剪强度、界面剪切刚度与冻胀力成正比。因此，在拉拔过程中，分布式光缆-冻土界面剪切刚度与含冰量、未冻水含量之间具有函数相关关系。且冻土的力学参数、热物理性质参数由其
结构、含水率和含冰量决定，因此通过建立分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度与多物性参数之间的关系，实现原位冻土多参数的测量。
[0059]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0060]
(1)本发明实现了对冻土基本参数(未冻水含量、含冰量、干密度)、力学参数(冻胀率、融沉系数、抗剪强度)、热物理性质参数(导热系数、热容)等多种物理性质参数的原位测量，对冻土扰动较小，解决了由于冻土性质不稳定导致的参数难以测量的难题。
[0061]
(2)本发明基于高精度分布式光纤传感技术实现原位冻土多物性参数的高精度、阶段性监测。
[0062]
(3)本发明通过分布式传感光缆实现深部冻土多物性参数的分布式测量。
[0063]
(4)本发明通过冻土温度、含冰量、冻胀率数据实现原位冻土水分迁移、土壤内部温度传递规律以及力学变形特征的监测；
[0064]
(5)本发明经济安全，操作便捷，自动化程度高，抗干扰能力强，精度可靠。
附图说明
[0065]
图1是本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置示意图；
[0066]
图2是本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置中的分布式传感光缆截面图；
[0067]
图3是本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置的夹具示意图；
[0068]
图4是本发明实施例中标定试验拟合得到的界面剪切刚度与含冰量曲线及函数关系图；
[0069]
图5是本发明实施例中标定试验拟合得到的界面剪切刚度与导热系数曲线及函数关系图；
[0070]
图6是本发明实施例中标定试验拟合得到的界面剪切刚度与冻胀率曲线及函数关系图；
[0071]
图7是本发明实施例中原位冻土含冰量沿深度的分布曲线图；
[0072]
图8是本发明实施例中原位冻土导热系数沿深度分布曲线图；
[0073]
图9是本发明实施例中原位冻土冻胀率沿深度分布曲线图；
[0074]
图10是本发明实施例中拉拔过程中分布式传感光缆-冻土界面的耦合变形关系示意图。
具体实施方式
[0075]
实施例：
[0076]
如图1所示，本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置，包括分布式传感光缆4、光纤解调设备10、高精度拉拔测试仪7，高精度拉拔测试仪7通过夹具6和螺栓20对分布式传感光缆4进行夹持固定，用于控制拉拔速率和位移、测量并记录拉拔过程中分布式传感光缆4的轴向拉拔力和拉拔位移。高精度拉拔测试仪7通过数据传输导线9连接计算机8进行程序控制和数据采集。分布式传感光缆4连接光纤解调设备10，进而测量冻土试样在拉拔过程中的应变和温度分布。光纤解调设备10连接计算机8进行数据采集、处理
和分析。其中，该分布式传感光缆4套接有不锈钢空管5，且该分布式传感光缆4穿过不锈钢空管5后通过夹具6固定。
[0077]
如图2所示，本发明所采用的分布式传感光缆4为双芯结构，该分布式传感光缆4包括应变传感光缆和温度传感光缆。其中，应变传感光缆由应变裸光纤11、涂覆层12、弹性高分子护套13和护套17组成，该应变传感光缆具有高抗拉强度和好的应变传递性。温度传感光缆由温度感测光纤14、防水导热保护层15和松套护套16组成，并封装为松套结构，不受应变影响，具有地温监测、冻深判断，以及对应变读数进行自动温度补偿的多重功能。
[0078]
如图3所示，高精度拉拔测试仪7所采用的夹具6，该夹具6内表面附有高弹性聚合物垫层18，垫层中心位置刻有锯齿状凹槽19，凹槽的直径等于分布式传感光缆4的直径，进而保证拉拔过程中不出现脱滑，且防止夹持过紧导致光路受损。
[0079]
如图10所示，分布式传感光缆4在拉拔过程中的分布式传感光缆-冻土界面的耦合变形关系体现在：冻土在冻结过程中未冻水26相变成冰27，对土颗粒25、分布式传感光缆4存在胶结作用，因此分布式传感光缆4受拉后，冻土受力形成剪切冻土层21，光缆-冻土界面由于冻胀力22和剪应力23会产生光缆与冻土层黏结区24，冻土层黏结区24的性质受冻土含冰量、含水率、导热系数、冻胀率影响，在拉拔过程中影响分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度。
[0080]
本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试方法如下：
[0081]
(1)将多根分布式传感光缆4沿垂直地表方向埋设于待测冻土中相应位置，本实施例中，待测冻土根据土壤种类和性质自上而下分别为第一待测冻土层1、第二待测冻土层2和第三待测冻土层3；将不锈钢空管5沿垂直地表方向安装于地表处，埋深为该不锈钢空管5长度的一半；分布式传感光缆4从不锈钢空管5中由底部向上穿出地表。
[0082]
(2)将分布式传感光缆4连接光纤解调设备10，光纤解调设备10以设定的空间分辨率和采集频率读取沿分布式传感光缆4长度方向的温度信息，得到冬季原位冻土温度沿深度方向逐渐上升至稳定的分布，以及冻土随气温波动、太阳敷设波动的变化规律，该分布及变化包括：1)冬季土壤温度自地表向深部逐渐上升、并在恒温层达到稳定的空间分布规律，尤其关注与浅层地温在不同深度的地温梯度；2)土壤温度随大气温度波动、太阳辐射、积雪覆盖影响下随时间的变化规律，土壤的温度随时间的变化率。
[0083]
(3)根据原位冻土的温度沿深度方向逐渐上升并达到稳定的分布特征，以温度等于零度为标准判断土壤冻结状态，并以零度温度所在位置为冻结深度判断标准，从而确定冻土的冻结深度和在不同冻结阶段的冻结状态。
[0084]
(4)拉拔前，将高精度拉拔测试仪7的底座固定于地表相应位置，高精度拉拔测试仪7的夹具6位于不锈钢空管5上方，夹具6中心对准不锈钢空管5的中心，分布式传感光缆4固定于夹具6中心凹槽处，并通过旋转夹具的螺栓夹紧固定。
[0085]
(5)在原位冻土的不同冻结阶段，采用高精度拉拔测试仪7以恒定的速率拉拔分布式传感光缆4，并自动记录拉拔力与拉拔位移，光纤解调设备10实时监测拉拔过程中分布式传感光缆4沿长度方向的轴向应变分布。
[0086]
(6)绘制拉拔过程中沿分布式传感光缆4长度方向的轴向应变分布曲线、光缆拉拔力-拉拔位移曲线，根据分布式传感光缆-冻土界面的耦合变形关系对所述曲线进行分析，得到分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度沿分布式传感光缆长度方向的分布曲线。
[0087]
(7)根据分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度与冻土的多物性参数之间的函数关系计算出冻土多物性参数值，并进一步得到多物性参数沿光缆长度方向的分布曲线。
[0088]
其中，冻土的多物性参数包括未冻水含量、含冰量、干密度、力学参数和热物理性质参数；力学参数包括冻胀率、融沉系数、抗剪强度；热物理性质参数包括导热系数、热容。
[0089]
本实施例的步骤(1)中采用钻孔直埋的方式将分布式传感光缆沿垂直地表方向安装于待测冻土中，以原位冻土作为回填材料，并保证分布式传感光缆与冻土之间的耦合性。
[0090]
步骤(1)中多根分布式传感光缆平行布设，在监测期间原位冻土的不同冻结阶段进行拉拔试验，进而实现原位冻土多物性参数的阶段性、分布式测量，分布式传感光缆的数量根据场地实际情况和监测需求而确定。
[0091]
本实施例中，步骤(1)中的不锈钢空管的内径与分布式传感光缆的外径相同，不锈钢空管与分布式传感光缆位于同一垂直线上以确保不发生轴向偏移。
[0092]
步骤(3)中以0℃所在位置的深度为判断标准确定原位冻土的冻结深度，从而通过冻结深度的变化规律判断原位冻土的冻结状态是无冻土期、冻结发展期、冻结盛期或冻结融化期。
[0093]
步骤(4)中用到的夹具6，其内表面附有高弹性聚合物垫层，垫层中心位置刻有锯齿状凹槽，凹槽的直径等于分布式传感光缆的直径，进而保证拉拔过程中不出现脱滑，且防止夹持过紧导致光路受损。
[0094]
步骤(7)中光缆-土界面剪切刚度与未冻水含量、干密度等多物性参数之间的函数关系通过标定试验得到，未冻水含量基准值通过介电常数法测得，含冰量基准值通过核磁共振法测得，干密度基准值通过环刀法测得，冻胀率和融沉系数通过室内模型试验中冻土的垂向位移计算得到，抗剪强度通过三轴剪切试验测得，导热系数和热容通过平板导热分析仪测得。
[0095]
本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试方法的步骤(7)中，通过进行某寒区原位冻土如含冰量、导热系数、冻胀率多物性参数测量的过程如下：
[0096]
进行含冰量、导热系数、冻胀率与分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度的函数关系标定试验：
[0097]
(1)通过钻孔采集该地区冻土试样，配制3组已知冻土试样并分层填入直径20cm、高度30cm模具中，每组试样分别设置6个不同参数的样品；
[0098]
(2)将分布式传感光缆4安装于冻土试样的相应位置；
[0099]
(3)试样放置于低温试验箱中冻结12h；
[0100]
(4)高精度拉拔测试仪7以速率v＝1mm/min进行拉拔试验，并实时记录分布式传感光缆轴向拉拔力及拉拔位移，光纤解调仪实时测试拉拔过程中光纤的应变分布，光纤解调仪扫描时间间隔为t＝15s；
[0101]
(5)绘制拉拔过程中沿分布式传感光缆4长度方向的应变分布曲线、光缆拉拔力-拉拔位移曲线，根据光缆-土界面耦合变形力学关系对得出的曲线进行分析，得到分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度沿光缆长度方向分布曲线。
[0102]
(6)通过核磁共振法测得冻土试样的质量含冰量分别为8％、10.6％、14％、17.5％、19％、22％；通过导热系数分析仪测得冻土试样导热系数分别为0.76、0.87、0.98、
1.31、1.75、1.93w/m
·
k；通过冻结前后的冻土试样的高度h1,h2计算冻胀率得到其冻胀率分别为0.54％、0.71％、0.92％、1.13％、1.43％、1.86％。
[0103]
(7)根据分布式传感光缆-冻土界面剪切刚度与冻土含冰量、导热系数、含冰量之间的关系，应用最小二乘法拟合建立分布式传感光缆-土界面剪切刚度g与含冰量wi之间的函数关系g＝f(wu，wi，ρd，ξ，λ，c)：g＝1.714wi+8.317，拟合曲线如图4所示；光缆-土界面剪切刚度g与导热系数λ之间的函数关系：g＝3.67
λ
+17.34，拟合曲线如图5所示；光缆-土界面剪切刚度g与冻胀率ξ之间的函数关系为：g＝3.86ξ2+5.17ξ+7.28，拟合曲线如图6所示。
[0104]
本实施例中，应用本发明基于光纤拉拔的冻土多物性参数的分布式原位测试装置进行某冻土拉拔原位试验，具体测试方法如下：
[0105]
(1)通过钻孔的方式将多根分布式传感光缆4沿垂向地表方向埋设于待测原位冻土中，钻孔深度8m；不锈钢空管5沿垂直地表方向安装于地表处，埋深为该不锈钢空管5长度的一半；分布式传感光缆4从不锈钢空管5中由底部向上穿出地表；
[0106]
(2)分布式传感光缆4连接光纤解调设备10，光纤解调设备10以一定的空间分辨率和采集频率读取沿光缆长度方向的温度信息，得到原位冻土沿深度方向的温度分布和时空变化规律；
[0107]
(3)根据原位冻土的温度沿深度方向的分布确定冻土的冻结深度和不同的冻结阶段；
[0108]
(4)拉拔前，将高精度拉拔测试仪7的底座固定于地表相应位置，高精度拉拔测试仪7的夹具6位于不锈钢空管5上方，该夹具6中心对准不锈钢空管5的中心，分布式传感光缆4固定于夹具5中心凹槽处，并通过旋转夹具的螺栓夹紧固定；
[0109]
(5)在原位冻土的不同冻结阶段，采用高精度拉拔测试仪以恒定的速率v＝1mm/min拉拔分布式传感光缆，并自动记录拉拔力与拉拔位移，光纤解调设备实时监测拉拔过程中分布式传感光缆沿长度方向的轴向应变分布；
[0110]
(6)绘制拉拔过程中沿分布式传感光缆4长度方向的轴向应变分布曲线、光缆拉拔力-拉拔位移曲线，根据分布式传感光缆-冻土界面的耦合变形力学关系对监测曲线进行分析，得到光缆-冻土界面剪切刚度沿分布式传感光缆长度方向的分布曲线。
[0111]
(7)根据建立的界面强度和光缆-冻土界面剪切刚度与冻土多物性参数，如未冻水含量、含冰量、干密度、力学参数(冻胀率、融沉系数、抗剪强度)、热物理性质参数(导热系数、热容)之间的函数关系计算出待测冻土的物性指标，如图7～9所示。在不同时间分别进行上述原位拉拔过程，得到冻土各物性参数的时空分布。
[0112]
本试验中采用武汉昊衡科技有限公司生产的osi系列光频域反射ofdr解调仪、苏州南智传感科技有限公司生产的便携分布式光纤温度解调仪nzs-dts-a03。
[0113]
本实施例中光缆-冻土界面剪切刚度与冻土含冰量、导热系数、冻胀率等多物性参数之间函数关系的理论推导过程阐述如下：
[0114]
在拉拔过程中，以光缆长度方向为x轴，光缆深度方向为坐标轴正方向。对光缆微元段进行分析，其轴向应变与位移之间的关系为：
[0115]
[0116]
其中，ε(x)为光缆的轴向应变，u(x)为光缆的位移。
[0117]
根据微元段的受力平衡条件，得
[0118][0119]
其中，d为光缆直径，f(x)为光缆轴力(以拉为正)，τ(x)为光缆-土界面的剪应力。
[0120][0121]
其中，e为光缆的弹性模量。
[0122]
联立前面三式，得
[0123][0124]
理想弹塑性模型是光缆界面渐进性破坏的常用模型，在光缆和周围土体脱黏之前，具有良好的协调变形，其界面剪应力与剪应变的关系表述为
[0125]
τ(x)＝gγ(x)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0126]
其中，g是光缆-土界面剪切刚度，γ(x)是界面的剪应变。
[0127]
假设剪切层内土体的剪应变沿着径向线性减小，则拉拔位移与界面剪应力之间的关系表述为
[0128][0129]
其中，h是剪切层土体的厚度。
[0130]
联立式(4)～(6)，结合边界条件得光缆位移的解答：
[0131][0132]
其中，p为拉拔力，l为光缆长度，g
*
＝2g/h定义为光缆-土界面的剪切系数。因此，光缆在xi位置的位移，与该位置对应的界面剪切刚度gi有关，即
[0133]
u(xi)＝g(gi)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0134]
结合实测的光缆的轴向应变ε(x)沿深度的分布曲线，结合式(1)计算得到光缆在xi位置的位移
[0135][0136]
综合式(8)、(9)得到光缆的界面剪切刚度g。在原位试验中得到应变分布曲线和光缆拉拔力-拉拔位移曲线，进而根据式(8)和(9)得到光缆-冻土界面剪切刚度的分布。
[0137]
关于冻土的现有研究显示，冻土的冻胀力与含冰量、干密度成正相关关系，并以正应力的方式作用于分布式传感光缆4，因此根据摩尔库伦准则，含冰量和干密度越大，冻胀力越大，界面抗剪性越好；光缆与周围冻土间由于冻结作用黏结在一起，黏结强度大小称为冻结力，冻结力随温度降低、含冰量增大、未冻水含量减小而增大，光纤-土界面的抗剪性越
好。因此，在冻胀力和冻结力的综合作用下，光缆-土界面的抗剪性与含冰量、干密度成正相关。冻土的导热系数、冻胀率等热物性参数及力学性质参数与冻土基本性质(含冰量、未冻水含量、干密度及其它参数)分别具有函数关系，因此，光缆-冻土界面剪切刚度g与冻土热物性和力学性质参数也具有一一对应的函数关系，即
[0138]
g＝f(wu，wi，ρd，ξ，λ，c)
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0139]
其中，wu是未冻水含量，wi是含冰量，ρd是干密度，ξ是冻胀率，λ是导热系数，c是热容。
[0140]
基于式(10)和现场试验测量得到的分布式光缆-冻土界面剪切刚度沿分布式传感光缆长度方向的分布曲线，计算得到冻土原位的含冰量、导热系数、冻胀率及其它物性参数沿分布式传感光缆长度方向的分布曲线。