基于光频域反射技术（OFDR）的黏土干缩开裂预警模型研究

为解决黏土干缩开裂引发的多种灾害问题，研究人员基于光频域反射技术（OFDR）开展了一项创新性研究，构建了干缩开裂预警模型。该模型通过实时监测土壤应变场和应力场，结合蒸发异质性和边界约束效应，实现了潜在开裂区域的精准预测。研究验证了应变与开裂演化的强相关性，并提出了基于异常应变增量的预警方法，为土壤干裂灾害防治提供了重要技术支撑。

　　

黏土干缩开裂是近地表土壤中常见的自然现象，随着全球地表温度升高，这一问题日益严重。干缩开裂不仅破坏土壤结构完整性，还会引发滑坡、地下水污染、生态破坏等一系列灾害。然而，由于土壤层的固有异质性和土壤-大气多因素耦合作用，监测土壤干缩开裂过程极具挑战性。传统监测方法如数字图像处理和X射线计算机断层扫描（X-CT）存在局限性，无法实现大尺度、长期实时监测。

为解决这一难题，来自重庆的研究团队基于光频域反射技术（OFDR）开发了一种新型预警模型。该研究创新性地将经典土壤干燥水力学理论与光纤-土壤界面耦合理论相结合，通过拉拔试验和干燥试验验证了模型的科学性。研究发现土壤应变与裂纹时间演化存在强相关性，并首次提出了基于应变场和应力场分析的干缩开裂预警方法。

研究采用了三项关键技术：1）光频域反射技术（OFDR）用于实时监测土壤应变场分布；2）拉拔试验评估不同含水率下光纤-土壤界面耦合行为；3）干燥试验验证应变场与开裂演化的相关性。试验所用土壤采自重庆，属于瘦黏土（CL），主要矿物成分为伊利石。

OFDR原理
OFDR技术通过可调谐激光源（TLS）发射连续光，分为参考臂和测量臂。测量臂光线注入被测光纤（FUT），其瑞利散射返回并与参考臂的局部振荡（LO）光干涉，通过傅里叶变换获取应变信息。该技术具有高空间分辨率（毫米级）和高应变灵敏度（±1με），适用于土壤应变场监测。

材料特性
研究土壤的天然重量含水率约为19.5±1%，X射线衍射显示其主要矿物成分为伊利石，含少量高岭石和蒙脱石。土壤收缩曲线显示其收缩过程分为正常收缩、残余收缩和零收缩三个阶段。

光纤-土壤界面耦合
拉拔试验表明，随着含水率降低，光纤-土壤界面耦合强度先增后减。研究人员引入变形补偿系数定量分析不同界面耦合状态的影响，发现含水率在25%时耦合效果最佳。

应变场监测与预警
干燥试验中，OFDR监测到早期应变场呈马鞍形分布，这是蒸发异质性和边界条件共同作用的结果。通过识别应变增量异常区域，可有效预警潜在开裂区。应力场分析显示，干燥过程中土壤内部拉应力持续累积，当达到最大抗拉强度时即发生开裂。

结论与意义
该研究提出的OFDR预警模型成功实现了对土壤干缩开裂全过程的监测，包括土壤收缩特性分析、拉伸破坏预警和空间裂纹定位。模型创新性地将应变场与应力场关联，为土壤干裂灾害防治提供了新思路。研究证实OFDR技术在土壤力学监测方面具有独特优势，其高精度、实时性和分布式测量能力使其在工程实践中具有广阔应用前景。该成果不仅推动了土壤干燥机理研究，也为相关灾害预防策略的制定提供了科学依据。

研究得到国家自然科学基金（52478330）和辽宁省科技计划联合项目（2024JH2/102600029）的资助。作者声明无利益冲突。