光纖傳感技術在黃土邊坡變形監(jiān)測中的應用研究

趙麗榮,郭震山

（1.山西遠大公路橋梁建設養(yǎng)護有限公司，山西 忻州 034000；2.山西省交通科學研究院 巖土與地下工程山西省重點實驗室，山西 太原 030006）

工程建設過程中，邊坡的穩(wěn)定性一直是土木工程行業(yè)關注的熱點問題[1-2]。邊坡失穩(wěn)滑塌災害事故也屢見報道，邊坡滑塌可能導致人員傷亡，同時造成巨大的經(jīng)濟損失，社會影響惡劣。為避免邊坡事故的發(fā)生，常在工程重要部位布設相關監(jiān)測器件來監(jiān)測邊坡體的變形，以評估邊坡當前所處的安全穩(wěn)定狀態(tài)，預測變形發(fā)展趨勢，及時發(fā)現(xiàn)工程潛在的安全隱患，并進行處治，進而確保邊坡在建設期及運營期的安全和穩(wěn)定。

目前常采用的辦法是在坡體內(nèi)部布設測斜管，并在邊坡上布設位移觀測點的形式監(jiān)測坡體變形。這種監(jiān)測手段比較成熟，監(jiān)測精度較高，因而被廣泛采用。然而這種監(jiān)測手段也存在一定的弊端，如只能獲取某些關鍵點的位移信息，對整體變形發(fā)展趨勢多采取經(jīng)驗推斷，人為因素較大，有時單通過幾個點的位移不能很好地反映整體變形發(fā)展情況。隨著光纖傳感技術的逐漸成熟[3-5]，基于布里淵分布式光纖傳感技術的監(jiān)測手段應運而生。分布式光纖監(jiān)測技術具有可連續(xù)監(jiān)測、線路簡單、傳輸距離長、精度高以及抗干擾能力強等優(yōu)點，被越來越多地應用于工程監(jiān)測中[6-8]。其中分布式傳感光纖在邊坡中的應用示意圖如圖1所示。

本文以山西省內(nèi)某黃土陡坡工程為依托，通過在邊坡坡面上布設分布式傳感光纖，監(jiān)測邊坡的變形變化情況；同時在邊坡不同位置布置位移監(jiān)測點，監(jiān)測邊坡位移變化情況，檢驗分布式傳感光纖監(jiān)測結(jié)果的準確性。

圖1 光纖在邊坡變形監(jiān)測中的應用

1 工程概況

現(xiàn)場試驗邊坡為黃土邊坡，坡高35 m，坡度79°，部分坡面沖刷嚴重，具有Ⅲ級自重濕陷性，并夾薄層粉質(zhì)黏土，含水率16.9%，重度17.6 kN/m3，孔隙比1.03，塑限17.0，液限26.8。某在建高速公路將采用橋梁形式跨越此邊坡，為保證公路修建過程中邊坡的安全穩(wěn)定，項目在開展過程中，通過在邊坡上布設縱向和橫向分布式傳感光纖監(jiān)測邊坡變形發(fā)展情況，評估邊坡目前所處的狀態(tài)，并預測未來變形發(fā)展趨勢，進而為施工提供指導。其中順邊坡方向布設一條長度為30 m的縱向光纖，橫向分別在坡頂、坡中以及坡腳位置布設3條縱向光纖，長度為12 m，如圖2所示，其中黑線代表布設的光纖。為一步了解邊坡變形發(fā)展情況，分別在坡頂、坡中和坡腳處放置微型光學棱鏡做為監(jiān)測點，采用徠卡TS09 PLUS高精度全站儀對邊坡的位移進行監(jiān)測。

圖2 現(xiàn)場光纖布設示意圖

2 光纖測試結(jié)果

邊坡光纖布設工作在2016年12月完成，布設完成后每隔半個月監(jiān)測一次，本文取具有代表性的3次監(jiān)測進行分析，監(jiān)測時間分別是2016年12月20日、2017年2月18日和2017年5月1日。其中，2016年12月20日為初始值監(jiān)測，此時邊坡尚未動工；2017年2月18日開始進行場地平整作業(yè)；2017年5月1日，開始進行橋梁樁基施工。圖3為分布在坡體中的縱向光纖在3次監(jiān)測時間下的應變曲線。從圖中可看出，不同監(jiān)測時間下，光纖應變曲線變化規(guī)律大致相同，隨著監(jiān)測時間的推移，樁身光纖逐漸由負應變轉(zhuǎn)化為正應變。第一次監(jiān)測時，光纖應變?yōu)樨搼?，第二次監(jiān)測時光纖應變正負交錯，第三次監(jiān)測時光纖應變?nèi)孔優(yōu)檎龖?。說明在監(jiān)測周期內(nèi)，邊坡產(chǎn)生了一定的變形。同時可以看出不同測量時間內(nèi)坡頂處應變變化較小，坡腳處變化加大，說明坡腳處變形大于坡頂。

圖3 縱向光纖應變曲線

圖4為3條橫向光纖變形曲線，從圖中可看出，不同測量時間內(nèi)，坡頂、坡中以及坡腳處的光纖均產(chǎn)生不同程度的變形。3個地方的變形情況有所不同，其中坡頂處變形差異較小，坡中次之，坡腳處變化最大。

3 邊坡位移監(jiān)測

圖4 橫向光纖應變曲線

圖5為邊坡水平位移監(jiān)測曲線，從圖中可看出，隨著監(jiān)測時間推移，3個位置處的水平位移均呈增大趨勢，其中坡腳處變形最大，坡中次之，坡頂最小，這與分布式傳感光纖監(jiān)測結(jié)果一致，說明分布式傳感光纖可以較為精準地反映邊坡的變形情況。從圖中還可看出，坡腳和坡中在監(jiān)測初期變形增大速率較大，后隨著時間推移，變化速率逐漸減小，有逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。監(jiān)測8周后，坡腳、坡中以及坡頂處邊坡水平位移分別為6.0 mm、3.2 mm和1.0 mm。

圖5 邊坡水平位移曲線

4 結(jié)論

本文通過采用分布式傳感光纖技術，對某黃土高邊坡進行監(jiān)測，獲得了其在不同監(jiān)測時間點內(nèi)的變形發(fā)展情況，并采用全站儀對邊坡不同位置處的位移變化進行監(jiān)測。測試結(jié)果表明，分布式傳感光纖可以敏感地獲取邊坡的變形發(fā)展情況，可以將其作為一種新型邊坡監(jiān)測手段進行推廣。