基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究

吴冰; 朱鸿鹄; 曹鼎峰; 魏广庆; 施斌

doi:10.11779/CJGE201912018

基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究 English Version

吴冰¹,
朱鸿鹄^1,2, ,,
曹鼎峰³,
魏广庆⁴,
施斌¹

1. 南京大学地球科学与工程学院,江苏南京 210023;
2. 冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000;
3. 中山大学土木工程学院,广东广州 519082;
4. 苏州南智传感科技有限公司,江苏苏州 215123

基金项目: 国家重点研发计划项目（2018YFC1505104）; 国家自然科学基金优秀青年基金项目（41722209）; 冻土工程国家重点实验室开放基金项目（SKLFSE201814）

详细信息

作者简介:
吴冰(1995— ),女,安徽安庆人,硕士研究生,主要从事地质工程方面的研究工作。E-mail：wb@smail.nju.edu.cn。

通讯作者:
朱鸿鹄，E-mail：zhh@nju.edu.cn

中图分类号: TU445
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出版历程
- 收稿日期: 2019-02-25
- 发布日期: 2019-12-24

Feasibility study on FBG-based monitoring method for ice content in frozen soil

1. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China;
2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Lanzhou 730000, China;
3. School of Civil Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 519082, China;
4. Nanzee Sensing Technology Co., Ltd., Suzhou 215123, China

摘要

摘要: 含冰量是冻土研究的一项重要参数。针对现有含冰量测量的局限性,提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的冻土含冰量监测方法。结合冻土温度场,应用内加热FBG刚玉管传感器,通过室内标定试验验证该方法的可行性;基于传统导热系数模型推导出温度特征值与含冰量之间相应函数模型,并应用试验数据进行验证。研究结果表明：试验所得温度特征值随冻土含冰量增加而减小,可以通过该规律初步判断含冰量范围;在温度特性值与含冰量数值关系的拟合中,指数函数模型与本次试验数据拟合度最高,含冰量测量误差小于2%,在可接受范围内;本方法实现冻土含冰量监测具有可行性。
- 冻土 /
- 含冰量 /
- FBG /
- 函数模型
Abstract: The ice content is an important parameter in frozen soil research. Aiming at the limitation of the existing ice content measurement, a method based on fiber Bragg grating (FBG) for monitoring the ice content in frozen soil is proposed. Based on the temperature field of frozen soil, a series of indoor calibration tests are performed using the FBG corundum tube sensor with internal heating. The corresponding function model between characteristic value of temperature and ice content is deduced and verified using the experimental data. The results show that the proposed method is feasible to monitor the ice content in frozen soil, the characteristic value of temperature decreases with the increase of ice content in frozen soil, and the approximate range of ice content can be preliminarily judged by this law. In the fitting of the function model, the exponential function model has the highest fitting degree with the experimental data, and the measurement error of ice content is less than 2% within the acceptable range.
- frozen soil /
- ice content /
- FBG /
- function model

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参考文献(28)

[1]	徐学祖, 邓友生. 冻土中水分迁移的实验研究[M]. 北京: 科学出版社, 1991: 21-29. (XU Xue-zu, DENG You-sheng.Experimental research on water transport in frozen soil[M]. Beijing: Science Press, 1991: 21-29.(in Chinese))
[2]	徐学祖, 王家澄, 张立新. 冻土物理学[M]. 2版. 北京: 科学出版社, 2010: 102-103. (XU Xue-zu, WANG Jia-cheng, ZHANG Li-xin.Physics of frozen soil[M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2010: 102-103. (in Chinese))
[3]	霍托维奇Н А. 冻土力学[M]. 张长庆, 等译. 北京: 科学出版社, 1985. (ЧЬЛТОВИЧ Н А. Frozen soil mechanics[M]. ZHANG Chang-qing, et al trans. Beijing: Science Press, 1985. (in Chinese))
[4]	FABBRI A, FEN-CHONG T, COUSSY O.Dielectric capacity, liquid water content, and pore structure of thawing-freezing materials[J]. Cold Regions Science & Technology, 2006, 44(1): 52-66.
[5]	周幼吾, 郭东信, 邱国庆, 等. 中国冻土[M]. 北京: 科学出版社, 2000: 37-44. (ZHOU You-wu, GUO Dong-xin, QIU Guo-qing, et al.Geocryology in China[M]. Beijing: Science Press, 2000: 37-44. (in Chinese))
[6]	程强. 冻土冰/水含量同腔共射原位测定方法创新与冻融模型检验[D]. 北京: 中国农业大学, 2014. (CHENG Qiang.A Co-Tube-Radiation method of in-situ determation of ice and liquid water content in frozen soil and freeze-thaw model validation[D]. Beijing: China Agricultural University, 2014. (in Chinese))
[7]	PATTERSON D E.The measurement of unfrozen water content by time domain reflectometry results from laboratory tests[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1981, 18(1): 131-144.
[8]	BITTELLI M, FLURY M, CAMPBELL G S.A thermodielectric analyzer to measure the freezing and moisture characteristic of porous media[J]. Water Resources Research, 2003, 39(2): 1041.
[9]	王丽萍, 刘霞, 边海明, 等. 用于估算冻土中液态水分量的TDR数据校正[J]. 内蒙古农业大学学报(自然科学版), 2011, 32(1): 208-214. (WANG Li-ping, LIU Xia, BIAN Hai-ming, et al.Calibration of TDR data for moisture estimation in frozen soil[J]. Journal of Inner Mongolia Agricultural University, 2011, 32(1): 208-214. (in Chinese))
[10]	TICE A R.Determination of unfrozen water in frozen soil by pulsed nuclear magnetic resonance[C]// Proceedings of 3rd International Conference on Permafrost. Ottawa, 1978: 149-155.
[11]	LIU G, SI B C.Soil ice content measurement using a heat pulse probe method[J]. Canadian Journal of Soil Science, 2011, 91(2): 235-246.
[12]	WATANABE K, WAKE T.Measurement of unfrozen water content and relative permittivity of frozen unsaturated soil using NMR and TDR[J]. Cold Regions Science & Technology, 2009, 59(1): 34-41.
[13]	谭龙, 韦昌富, 田慧会, 等. 冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究[J]. 岩土力学, 2015, 36(6): 1566-1572. (TAN Long, WEI Chang-fu, TIAN Hui-hui, et al.Experimental study of unfrozen water content of frozen soils by low-field nuclear magnetic resonance[J]. Rock and Soil Mechanics, 2015, 36(6): 1566-1572. (in Chinese))
[14]	BAKER J.Water relations of frozen soil[J]. Investigative Ophthalmology & Visual Science, 2004, 45(2): 466-72.
[15]	ZHU Hong-hu, SHI Bin, ZHANG Cheng-cheng.FBG-based monitoring of geohazards: current status and trends[J]. Sensors, 2017, 17(3): 452.
[16]	徐东升. 一种新型光纤光栅局部位移计在小应变测量中的应用[J]. 岩土工程学报, 2017, 39(7): 1330-1335. (XU Dong-sheng.New fiber Bragg grating sensor-based local displacement transducer for small strain measurements of soil specimens[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2017, 39(7): 1330-1335. (in Chinese))
[17]	范成凯, 孙艳坤, 李琦, 等. 页岩单轴压缩破坏试验的光纤布拉格光栅测试技术研究[J]. 岩土力学, 2017, 38(8): 2456-2464. (FAN Cheng-kai, SUN Yan-kun, LI Qi, et al.Testing technology of fiber Bragg grating in the shale damage experiments under uniaxial compression conditions[J]. Rock and Soil Mechanics, 2017, 38(8): 2456-2464. (in Chinese))
[18]	李焕强, 孙红月, 刘永莉, 等. 光纤传感技术在边坡模型试验中的应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(8): 1703-1708. (LI Huan-qiang, SUN Hong-yue, LIU Yong-li, et al.Application of optical fiber sensing technology to slope model test[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(8): 1703-1708. (in Chinese))
[19]	XU Dong-sheng.A new measurement approach for small deformations of soil specimens using fiber bragg grating sensors[J]. Sensors, 2017, 17(5): 1061.
[20]	朱鸿鹄, 殷建华, 张林, 等. 大坝模型试验的光纤传感变形监测[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(6): 1188-1188. (ZHU Hong-hu, YIN Jian-hua, ZHANG Lin, et al.Deformation monitoring of dam model test by optical fiber sensors[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(6): 1188-1188. (in Chinese))
[21]	CAO Ding-feng, SHI Bin, ZHU Hong-hu, et al.A distributed measurement method for in-situ soil moisture content by using carbon-fiber heated cable[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2015, 7(6): 700-707.
[22]	段超喆, 施斌, 曹鼎峰, 等. 一种准分布式内加热刚玉管FBG渗流速率监测方法[J]. 防灾减灾工程学报, 2018, 38(3): 504-510. (DUAN Chao-zhe, SHI Bin, CAO Ding-feng, et al.A quasi-distributed internal heating seepage velocity monitoring method of FBG embedded in alundum tube[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2018, 38(3): 504-510. (in Chinese))
[23]	曹鼎峰, 施斌, 严珺凡, 等. 基于C-DTS的土壤含水率分布式测定方法研究[J]. 岩土工程学报, 2014, 36(5): 910-915. (CAO Ding-feng, SHI Bin, YAN Jun-fan, et al.Distributed method for measuring moisture content of soils based on C-DTS[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(5): 910-915. (in Chinese))
[24]	何瑞霞, 金会军, 赵淑萍, 等. 冻土导热系数研究现状及进展[J]. 冰川冻土, 2018, 40(1): 116-126. (HE Rui-xia, JIN Hui-jun, ZHAO Shu-ping, et al.Review of status and progress of the study in thermal conductivity of frozen soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2018, 40(1): 116-126. (in Chinese))
[25]	胡田飞. 冻土热物性参数的确定方法及热响应测试研究进展[J]. 路基工程, 2015(5): 7-11. (HU Tian-fei.Research progress on determination methods of thermal physical parameters and thermal response test of frozen soil[J]. Subgrade Engineering, 2015(5): 7-11. (in Chinese))
[26]	ZHU M.Modeling and simulation of frost heave in frost- susceptible soils[D]. Michigan: University of Michigan, 2006.
[27]	陈飞熊, 李宁, 程国栋. 饱和正冻土多孔多相介质的理论构架[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(2): 213-217. (CHEN Fei-xiong, LI Ning, CHENG Guo-dong.The theoretical frame of multi-phase porous medium for the freezing soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(2): 213-217. (in Chinese))
[28]	韩天一. 正冻土水热力耦合的数值机理研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2008. (HAN Tian-yi.Numerical research on the coupled mechanism of the moisture-heat-stress fields in freezing soil[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2008. (in Chinese))

施引文献(61)

期刊类型引用(42)

1.	朱赛楠，殷跃平，铁永波，撒兰鹏，高延超，贺宇，赵慧. 乌蒙山区巨型古滑坡变形特征与复活机理研究——以大关古滑坡为例. 岩土工程学报. 2025(02): 305-314 . 本站查看
2.	胡贵良，刘文，鄢勇，范雄安，张毅，杜光远，熊皓，王猛，余天彬. 金沙江上游色拉古滑坡复活特征与堵江溃决模拟分析. 地质学报. 2025(02): 602-615 . 百度学术
3.	杨豹，赵瑞志，王海波，李晓光，吕钊，赵阳，王梦云. 遥感技术对地质灾害早期识别和动态监测——以昌波乡至羊拉乡段为例. 科学技术与工程. 2024(05): 1823-1836 . 百度学术
4.	殷跃平，高少华. 高位远程地质灾害研究：回顾与展望. 中国地质灾害与防治学报. 2024(01): 1-18 . 百度学术
5.	Yiqiu Yan，Changbao Guo，Yanan Zhang，Zhendong Qiu，Caihong Li，Xue Li. Development and Deformation Characteristics of Large Ancient Landslides in the Intensely Hazardous Xiongba-Sela Section of the Jinsha River, Eastern Tibetan Plateau, China. Journal of Earth Science. 2024(03): 980-997 . 必应学术
6.	李林，李涛，何治林，李树建，董健，王彪. 基于试验模拟的滑坡泥石流灾害链风险监测预警. 水土保持通报. 2024(02): 167-175 . 百度学术
7.	蒋涛，崔圣华，许向宁，蒙明辉. 四川高位滑坡发育特征及典型地质力学模式. 地质灾害与环境保护. 2024(02): 1-11 . 百度学术
8.	李金秋，张永双，任三绍，冉丽娜. 金沙江上游扎马古滑坡复活特征及堵河危险性分析. 水利学报. 2024(04): 481-492 . 百度学术
9.	武德宏，郝利娜，严丽华，唐烽顺，郑光. 金沙江滑坡群InSAR探测与形变因素分析. 自然资源遥感. 2024(03): 259-266 . 百度学术
10.	冉涛，徐如阁，李奇. 川藏交通廊道怒江段斜坡地质灾害发育特征及主控因素分析. 自然灾害学报. 2024(04): 176-187 . 百度学术
11.	徐正宣，林之恒，刘云鹏，聂晓芳，任利，张志龙. 复杂孕灾环境下隧道进口斜坡稳定性分析与评价. 西南交通大学学报. 2024(05): 1068-1077+1085 . 百度学术
12.	蒋佳岐，吴中海，黄小龙，黄飞鹏，王世锋. 金沙江干流巨型滑坡发育特征及其形成机理. 地震科学进展. 2024(10): 680-695 . 百度学术
13.	郑顺祥，王军，鄢勇，刘文，赵恒，杨钧翔，范雄安，张毅，王猛，余天彬. 金沙江上游沙东滑坡发育特征与堵江溃决预测分析. 水文地质工程地质. 2024(06): 160-170 . 百度学术
14.	郭海湘，区歌阳，杨钰莹. 1987—2022年中国自然灾害链研究进展与趋势——基于CiteSpace的计量分析. 安全与环境工程. 2024(06): 118-133 . 百度学术
15.	谭银龙，许万忠，曹家菊，罗丹，王本栋，谯立家，周谊. 基于Midas-GTS的三峡库区金鸡岭滑坡成因机制与稳定性分析. 水文地质工程地质. 2023(01): 113-121 . 百度学术
16.	牛敏杰，师芸，吕杰，赵侃，石龙龙. 基于SBAS-InSAR技术的广安村滑坡形变监测分析. 地理空间信息. 2023(01): 79-84 . 百度学术
17.	王庆芳，郑志军，董继红，余天彬，刘文，黄细超. 基于多源遥感技术的红层滑坡识别与监测研究. 人民长江. 2023(01): 111-118 . 百度学术
18.	高秉海，何毅，张立峰，姚圣，杨旺，陈毅，何旭，赵占骜，陈鹤升. 顾及In SAR形变的CNN滑坡易发性动态评估——以刘家峡水库区域为例. 岩石力学与工程学报. 2023(02): 450-465 . 百度学术
19.	董建军，梅媛，闫斌，刘士乙. 高海拔排土场边坡安全稳定性的PS-InSAR监测. 防灾减灾工程学报. 2023(01): 149-157 . 百度学术
20.	贾丽娜，李瑞冬，魏新平. 基于InSAR技术的黄土滑坡及周边斜坡变形识别. 地下水. 2023(02): 121-124 . 百度学术
21.	王之栋，唐伟，马志刚，李雨宸，杨本勇，李维庆，李永鑫. 九寨沟地区高位滑坡隐患InSAR-LiDAR早期识别. 测绘通报. 2023(05): 9-15 . 百度学术
22.	李沙，张立舟，周成涛，刘洋，陈锐. 基于SBAS-InSAR的大型滑坡变形分区及时序监测研究. 人民长江. 2023(06): 103-111 . 百度学术
23.	赵子昕，汪发武，朱国龙，彭星亮. 混杂岩形成机制及非均质力学特性研究进展. 工程地质学报. 2023(03): 796-814 . 百度学术
24.	张彦锋，高杨，李滨，朱赛楠. 青藏高原混杂岩带及其地质灾害发育特征分析. 工程地质学报. 2023(03): 981-998 . 百度学术
25.	刘印明. 区域降雨型浅层滑坡失稳机理研究. 科技创新与生产力. 2023(07): 30-33 . 百度学术
26.	李晓斌，白海军. 高位远程古滑坡既有变形特征和后续变形发展规律研究. 大地测量与地球动力学. 2023(11): 1129-1135 . 百度学术
27.	陈兴长，郭晓军，陈慧. 金沙江上游德格-白玉段流域地貌特征及影响因素分析. 第四纪研究. 2023(05): 1269-1281 . 百度学术
28.	吴明堂，房云峰，沈月，戴可人，姚义振，陈建强，冯文凯. 基于短基线DInSAR的白鹤滩库区蓄水期滑坡隐患广域快速动态识别. 遥感技术与应用. 2023(05): 1054-1061 . 百度学术
29.	包馨，张瑞，刘安梦云，王婷，向卫，刘国祥. 联合升降轨时序InSAR的金沙江滑坡群隐患识别. 北京理工大学学报. 2023(11): 1135-1145 . 百度学术
30.	刘媛媛，陈人杰，陈能辉. 西藏色拉滑坡时序InSAR二维形变反演与预测. 北京理工大学学报. 2023(11): 1115-1124 . 百度学术
31.	陈新咏. 某高位滑坡强变形监测及成因机制分析. 福建建材. 2022(01): 64-67+73 . 百度学术
32.	易思材，张明文，李帅. 云南某梯田滑坡灾害治理施工技术. 建筑机械化. 2022(02): 64-66 . 百度学术
33.	丁永辉，张勤，杨成生，王猛，丁辉. 基于高分遥感的金沙江流域滑坡识别——以巴塘县王大龙村为例. 测绘通报. 2022(04): 51-55 . 百度学术
34.	王海鹏，高瑞丹，宁树理，王航，寻怀军. 重庆市丰太六组前缘滑坡特征分析及治理方案. 工程建设. 2022(06): 36-41 . 百度学术
35.	戴可人，沈月，吴明堂，冯文凯，董秀军，卓冠晨，易小宇. 联合InSAR与无人机航测的白鹤滩库区蓄水前地灾隐患广域识别. 测绘学报. 2022(10): 2069-2082 . 百度学术
36.	铁永波，葛华，高延超，白永健，徐伟，龚凌枫，王家柱，田凯，熊小辉，范文录，张宪政. 二十世纪以来西南地区地质灾害研究历程与展望. 沉积与特提斯地质. 2022(04): 653-665 . 百度学术
37.	钟彬，柳志云，李向新，吕加颖. 滑坡形变的升降轨时序干涉合成孔径雷达监测与分析. 激光与光电子学进展. 2022(24): 247-254 . 百度学术
38.	杨成生，董继红，朱赛楠，熊国华. 金沙江结合带巴塘段滑坡群InSAR探测识别与形变特征. 地球科学与环境学报. 2021(02): 398-408 . 百度学术
39.	朱赛楠，殷跃平，黄波林，张枝华，王平，王文沛，赵慧，张晨阳. 三峡库区大型单斜顺层新生滑坡变形特征与失稳机理研究. 工程地质学报. 2021(03): 657-667 . 百度学术
40.	吴瑞安，马海善，张俊才，杨志华，李雪，倪嘉伟，钟宁. 金沙江上游沃达滑坡发育特征与堵江危险性分析. 水文地质工程地质. 2021(05): 120-128 . 百度学术
41.	黄细超，余天彬，王猛，朱赛楠，宋班，刘文. 金沙江结合带高位远程滑坡灾害链式特征遥感动态分析——以白格滑坡为例. 中国地质灾害与防治学报. 2021(05): 40-51 . 百度学术
42.	熊国华，杨成生，朱赛楠，董继红，张勤. 基于MSBAS技术的金沙江上游色拉滑坡形变分析. 中国地质灾害与防治学报. 2021(05): 1-9 . 百度学术