基于BOTDA的巖質邊坡錨桿變形規(guī)律分析

魯洪強， 高俊啟， 任 強， 吳佳騏

(1.青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266101；2.南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016)

基于BOTDA的巖質邊坡錨桿變形規(guī)律分析

魯洪強1， 高俊啟2， 任 強1， 吳佳騏2

(1.青島市市政工程設計研究院有限責任公司，山東 青島 266101；2.南京航空航天大學 土木工程系，江蘇 南京 210016)

根據(jù)嶗山路邊坡現(xiàn)場情況，基于分布式光纖傳感技術，設計一套監(jiān)測網(wǎng)絡，在錨桿上布設光纖，使用BOTDA設備進行長期監(jiān)測，分析錨桿應變隨時間的發(fā)展狀況，研究同一斷面不同錨桿的應變分布規(guī)律。研究成果表明，施工完成1 a后錨桿主要受拉力影響且多數(shù)錨桿拉力減小，在錨頭處存在應力集中效應，而在錨桿中部至錨端應變變化較小。在同一邊坡斷面上靠近坡頂位置的錨桿應力降低較大，不同斷面、不同高度的錨桿應變不同但主要呈現(xiàn)收斂的趨勢，邊坡趨于安全。

BOTDA；邊坡；錨桿；應變；監(jiān)測

0 引言

分布式光纖傳感技術可應用于邊坡監(jiān)測、溫度場監(jiān)測、土體變形監(jiān)測等多個領域[1]。它采用傳感光纖作為傳感器件，克服了傳統(tǒng)金屬監(jiān)測元件的不足，在耐腐蝕性、耐久性、適應性、敏感度、分布式等方面優(yōu)勢明顯[2-3]。BOTDA法是一種基于布里淵光時域分析的光纖傳感技術，也被稱為受激布里淵光時域散射分析技術，其基本原理[4]是當光纖沿線存在軸向應變或者溫度變化時，光纖中的背向布里淵散射光的頻率相對于注入的脈沖光頻率將發(fā)生漂移，而布里淵散射光頻率的漂移量與光纖所受的軸向應變和溫度變化呈良好的線性關系，由此可以確認監(jiān)測對象的變形情況。

國內外許多學者對光纖傳感技術在邊坡工程中的應用開展了研究工作。何建平[5]利用全尺度分布式監(jiān)測手段對結構損傷探測問題展開研究，表明全尺度分布式監(jiān)測手段能更有效地揭示結構損傷的全局性態(tài)。王寶軍等[6]探究了BOTDR技術對埋入土工織布的邊坡形變穩(wěn)定監(jiān)測及早期破壞警報的可行性，發(fā)現(xiàn)將光纖依附于錨桿和框梁中時監(jiān)測效果更好。Higuchi K et al[7]將基于OTDR光纖傳感技術的監(jiān)測系統(tǒng)安裝在富士山的Takisaka邊坡上進行監(jiān)測，研究發(fā)現(xiàn)光纖的彎曲會引起傳輸光的衰弱，與位移計測得的結果誤差極小。隋海波等[8]利用BOTDR技術對粵贛高速公路邊坡錨桿進行了監(jiān)測研究，并結合數(shù)值模擬分析對其應變規(guī)律進行了總結。

以往研究工作多針對邊坡施工完成后中短期內的變形或是錨桿拉拔試驗展開[9-10]，而現(xiàn)主要對施工完成1 a后的錨桿應變情況加以研究，對邊坡后期的發(fā)展狀況進行監(jiān)測分析，對監(jiān)測數(shù)據(jù)與邊坡穩(wěn)定性的關系進行分析，提出巖質邊坡錨桿的變形規(guī)律。

1 監(jiān)測方案

1.1 項目概述

青島市嶗山路擴建工程，南面臨海，北側靠山，規(guī)劃為城市主干道，全線設護坡9處，本監(jiān)測路段位于C坡。該區(qū)巖性為安山巖、硅化安山巖，可見斑狀結構、塊狀構造。構造巖以安山質斷層角礫巖、糜棱巖、碎裂巖為主。斷裂兩側巖石較破碎，風化蝕變較強，主要為高嶺土化、褐鐵礦化，巖石含水性差。C坡長約178 m，高度為7.3～18.8 m，坡底標高約31.5 m，坡度60°～70°。自上而下分為雜填土、強風化安山巖、中風化安山巖3個巖層，C區(qū)邊坡地質剖面圖如圖1所示。邊坡安全等級二級，主要采用錨桿支護+噴播的處理方法。C1斷面錨桿布置見圖2。所用錨桿取HRB335級鋼，直徑25 mm，間距1.5 m，全長涂刷環(huán)氧樹脂涂層防腐，方向與巖面垂直，鉆孔孔徑100 mm，采用孔底返漿的方式注漿。

圖1 嶗山路C區(qū)邊坡地質剖面圖

圖2 C1斷面錨桿布置圖

1.2 光纖監(jiān)測

分布式光纖傳感技術首先需要解決光纖的固定與溫度補償問題[11]。本研究中錨桿上鋪設的光纖采用粘結式固定與直接溫度補償?shù)姆椒?圖3)。在錨桿一側，利用粘結材料將拉緊的光纖固定在錨桿上，繞過錨桿末端后，在錨桿另一側將光纖套上軟管，軟管內光纖保持自由松弛狀態(tài)，作為溫度補償段，貼靠于錨桿另一側。光纖安裝后的監(jiān)測錨桿見圖4。錨頭處的傳感光纖通過軟管進行保護，并固定于錨桿錨頭上。當錨桿安裝于邊坡之后，進行首次測量，確定應變段和溫度補償段。邊坡監(jiān)測中所用的光纖均為標準單模光纖，直徑2 mm，表面材料為聚氨酯，應變傳感系數(shù)499.8 MHz/%，溫度傳感系數(shù)1.89 MHz/℃，所用分析設備為瑞士產(chǎn)DITEST STA-R型BOTDA。

圖3 錨桿光纖布設圖

圖4 布設光纖的監(jiān)測錨桿

圖5 監(jiān)測錨桿布置圖

C坡監(jiān)測共有5個斷面(c1，c2，c3，c4，c5)，其樁號分別為K0+034.3，K0+060.0，K0+080.0，K0+105.7，K0+138.0，每個斷面分別在5根錨桿(g1，g2，g3，g4，g5)上鋪設有光纖，各斷面監(jiān)測錨桿自上而下編號，錨桿監(jiān)測布置見圖5。普通錨桿布置見圖2。

2 數(shù)據(jù)分析

光纖傳感器對應變與溫度都十分敏感，其布里淵頻移受到應變與溫度變化兩者影響的疊加，為準確得到監(jiān)測對象的應變效應，需要消除溫度效應的影響。光纖的軸向應變和溫度與布里淵散射光頻率的漂移量關系為

(1)

式中，vB(ε,T)是光纖應變?yōu)棣牛瑴囟葹門時的布里淵頻移；vB(0,T0)是光纖應變?yōu)?，溫度為T0時的布里淵頻移。T0、T分別為初始溫度與測量時的溫度；ε與ΔT分別為應變與溫度變化量；?vB(ε,T)/?ε與?vB(ε,T)/?T即應變系數(shù)與溫度系數(shù)。

對單根錨桿不同時間的布里淵頻率做差可得頻移，并可分為溫度效應段與應變溫度效應疊加段。圖6所示為2014年7月14日至2015年4月16日間c3g3錨桿光纖的頻率與頻移情況。

圖6 光纖頻率頻移圖

2.1 錨桿應變分析

以2014年7月14日即施工完成約1 a后的監(jiān)測數(shù)據(jù)為初始值，該時間點至2014年11月4日為t1(113 d)，至2015年1月10日為t2(180 d)，至2015年4月16日為t3(276 d)，至2015年8月4日為t4(386 d)。圖7為c1g1、c2g1、c4g1、c4g3錨桿應變隨時間的分布，距離表示距坡面長度。

圖7 錨桿應變圖

由圖7可見，在錨桿深度方向上，不同錨桿在不同時間段上呈現(xiàn)相對一致的規(guī)律，即在淺部靠近錨頭的位置，錨桿應變減小，即相對2014年7月14日時的應力，錨桿應力減小。應力減小段落主要集中在深度1～3.0 m位置。在錨桿深度3～6 m的段落，錨桿應變變化較小，相較2014年7月14日時的應力狀態(tài)，錨桿深部應力稍有波動，但變化不大，較為穩(wěn)定。

c1g1在1～3 m處具有明顯的負應變，這表明其拉力有所下降。隨時間推移，錨桿應變趨于減小，至2015年4月16日，經(jīng)過276 d的發(fā)展，c1g1錨桿全線應變均減小，這表明c1g1錨桿發(fā)生應力松弛。c2g1錨頭處應變先減后增，但到2015年8月4日時，在1～3 m內產(chǎn)生了異常變形，即錨頭應變突然增大，比2014年7月14日的應變還大。查詢2015年8月4日的天氣記錄，發(fā)現(xiàn)當日溫度25～29 ℃，雷陣雨。這說明當日的降雨導致錨桿c2g1穿過的表層巖層發(fā)生了變化，引起錨桿錨頭應變異常，深部巖層穩(wěn)定。c4g1錨桿在1～3 m范圍內應變在減小，在3～6 m范圍內應變稍有增加。至2015年4月16日，經(jīng)過276 d的發(fā)展，c4g1錨桿全線應變均減小，這表明c4g1錨桿發(fā)生應力松弛，巖層穩(wěn)定。c4g3錨桿在0～2.5 m范圍內應變減小，在2.5～6 m范圍內應變稍有波動，變化不大。這說明經(jīng)過386 d的發(fā)展，c4g3錨桿同樣全線應變均減小，這表明c4g3錨桿應力降低，c4g3錨桿附近巖層穩(wěn)定。

總體來說，不同位置的錨桿沿線應變隨時間的變化較為復雜。施工后期錨頭3 m范圍內存在較大負應變，表明其拉應力逐漸減小。3～6 m范圍內錨桿應變變化較小。隨時間推移，多數(shù)錨桿應力從錨頭至錨端均減小。當天氣降雨時，錨桿c2g1錨頭應力明顯增加，說明錨桿c2g1附近巖層受降雨的影響，有發(fā)生滑移的危險。

2.2 邊坡各斷面應變分析

分析相同斷面不同位置錨桿的應變情況，圖8為c1、c2、 c3、 c4斷面2015年1月10日測量的應變結果。

圖8 斷面應變圖

由圖8可見，c1斷面中c1g2錨桿應變降低最多，c1g1與c1g3應變降低接近。3個錨桿深部應力變化不大，均是錨頭段1～3 m范圍應力下降明顯，表明c1斷面巖層穩(wěn)定；c2斷面中c2g3錨桿應變降低最小，c2g1與c2g3錨桿應變變化相近。在錨頭1～4 m范圍內，錨桿c2g1與c2g3 的應力均降低，表明c2斷面巖層穩(wěn)定。c3斷面中c3g1與c3g2應變降低最大，c3g3與c3g4錨桿應變變化較小。4個錨桿在錨頭段落應力均降低，這表明c3斷面也是穩(wěn)定的。c4斷面中c4g1、c4g2錨桿應變1～3 m范圍下降較大，c4g3、c4g4錨桿應變變化相對較小，但錨頭段應力也是下降的，說明c4斷面整體上是穩(wěn)定的。比較4個斷面錨桿應變狀態(tài)可以看出，靠近坡頂位置的錨桿應力降低較大，錨桿中部至底部的應力下降較小。整個邊坡是穩(wěn)定的。

邊坡問題多是圍繞邊坡穩(wěn)定性分析展開的。通過監(jiān)測錨桿應變隨時間的發(fā)展規(guī)律可以確定其內力變化的斂散情況。若應變持續(xù)發(fā)散式增加則表示工程可能存在危險，需要進行預警，若應變增速收斂或是拉力逐漸減小則可輔證工程的安全性與可靠性。本次邊坡監(jiān)測項目中大部分錨桿的應變逐漸減小，表示其拉力減小，錨桿內力趨于穩(wěn)定，邊坡工程整體安全可靠。

2.3 錨桿應力計測量結果

在利用傳感光纖進行邊坡監(jiān)測的同時，在5個斷面中g1、g3錨桿上也安裝了錨桿應力計(見圖2)。2014年7月13日c2g1錨桿上鋼筋計測量的錨桿拉力為23.08 kN。以2014年7月13日測量結果為基準，鋼筋計和傳感光纖測量結果見圖9。

圖9 c2g1錨桿拉力變化

由圖9可見，隨著時間增加，由2014年11月4日至2015年8月4日，錨桿拉力逐漸減小。鋼筋應力計測量結果和傳感光纖測量結果一致，這說明BOTDA測量結果是準確的。

3 結論

通過在嶗山路邊坡若干斷面的錨桿上布設傳感光纖，利用分布式光纖傳感技術對錨桿變形進行長期的監(jiān)測，探討其應力應變分布規(guī)律，結論如下：

(1)施工完成1 a后多數(shù)錨桿拉力減小，拉力減小段落主要集中在錨桿靠近錨頭深度1.0～3.0 m位置。在錨桿深度3.0～6.0 m的段落，錨桿拉力變化較小。不同錨桿應變隨時間的發(fā)展存在差異，但大部分錨桿的應變趨向收斂。

(2)在同一邊坡斷面上靠近坡頂位置的錨桿應力降低較大，靠近坡底及坡中位置的錨桿應力降低較小。錨桿中部至底部的應力下降較小。大部分錨桿的應變逐漸減小，錨桿內力趨于穩(wěn)定，邊坡工程整體安全可靠。

(3)對于降雨等特殊天氣情況，BOTDA技術可以發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定巖層位置?；贐OTDA的光纖傳感技術在邊坡錨桿監(jiān)測中是可行的，可以用于危險邊坡監(jiān)測。

(4)相比錨桿應力計，分布式光纖傳感技術最顯著的優(yōu)點就是可以測出光纖沿線任一點上的應變、溫度和損傷等信息，實現(xiàn)對監(jiān)測對象的全方位監(jiān)測。但由于基于BOTDR 的分布式光纖傳感器的布里淵頻移同時包含應變和溫度信息，這種應變和溫度的交叉敏感問題增加了光纖布設和后期數(shù)據(jù)處理難度。

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Analysis on Rock Slope Monitoring Based on BOTDA

Lu Hongqiang1， Gao Junqi2， Ren Qiang1， Wu Jiaqi2

(1.Qingdao Municipal Engineering Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266101, China;2.Department of Civil Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Taking a monitoring slope project as an example, a monitoring system based on distributed optical fiber sensor was designed, using BOTDA for long term monitoring to analyze the time-strain development and the distribution of stress of anchor bars in a slope of Laoshan Road. The results show that it is mainly affected by the tensile force after one year and the majority of the tensile forces in bolts decrease. There exists the effect of stress concentration in the anchor head, but in the anchor bar from the middle to the end its strain is becoming smaller. The stress reduction in the middle of anchor bar which is near the top of the slope is apparent. The strains at the same depth for the anchor bars installed at different heights are different but the majority of internal force of anchor bars are convergence over the long term and the slope tends to be safe.

BOTDA;slope;anchor bar;strain;monitoring

中國博士后科學基金(2013M541666)；江蘇省博士后科研資助計劃(1302138C)

魯洪強(1973-)，男，本科，教授級高工，主要從事道路與鐵道工程的研究。E-mail: lhq9@163.com

TU454

A

2095-0373(2017)02-0031-06

2016-05-07 責任編輯:車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.02.06

魯洪強，高俊啟，任強，等.基于BOTDA的巖質邊坡錨桿變形規(guī)律分析[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(2):31-36.