基于BOTDA光纤监测技术的大直径圆形抗滑桩的受力特征分析

杜鸿 韦梦贤

摘要：文章研究在大直径圆形抗滑桩的受力主筋上绑扎分布式光纤，通过对监测数据的分析，评价抗滑桩的加固效果。基于应变曲线，得到大直径圆形抗滑桩在滑坡推力作用下的最大弯矩和最大抗滑力分别为460 kN·m和188 kN，对比设计的最大抗滑力（425 kN），可以发现实际抗滑力远小于设计抗滑力，表明大直径圆形抗滑桩作为边坡防护是有效的。

关键词：大直径圆形抗滑桩;分布式光纤;监测;加固效果

0 引言

随着山区高速公路的建设，需对大量山体进行开挖，导致其原有平衡被打破，造成边坡失稳。选择有效的边坡支护方式就显得尤为重要。圆形抗滑桩与矩形抗滑桩在截面相等的情况下，通过数值分析可知其抗弯能力远小于矩形抗滑桩[1]，因此大量学者从配筋方面来优化圆形抗滑桩，使其达到最优的设计状态[2-3]。随着旋挖钻机的发展，其直径越来越大，抗弯能力也得到了很大的提升，其在工程抢险方面的快速成孔、快速浇筑等优势为抢险工程赢得了许多宝贵时间。

本文依托贵州某高速公路抢险工程，采用分布式光纤监测技术对抗滑桩的受力情况进行监测，可以避免传统监测技术[4-6]需要对大量监测数据进行假设和拟合[7-9]，使数据可以真实反映受力效果。通过光纤监测数据分析可以得到：（1）及时掌握抗滑桩变形情况;（2）可以判断抗滑桩的工作状态，为后续设计优化提供资料，确保边坡的设计支护达到最优效果;（3）为圆形抗滑桩在边坡支护工程中的應用提供数据支撑，对于大直径圆形抗滑桩的应用发展具有重大的意义。

1 分布式光纤的监测原理

布里渊光时域分析（BOTDA）技术的测量原理，是利用布里渊散射光时域散射技术，通过探测对光纤注入泵浦光和探测光，当泵浦光足够大时，泵浦光和探测光产生的反向斯托克斯光发生干涉作用，激发产生布里渊光发生散射。当光纤发生应变时，光纤中布里渊散射光的频率的漂移量与光纤应变之间存在良好的线性关系。

当光纤埋设完成以后，通过测量就可以获得应变值，通过相隔一段时间的测量就可以获得光纤在一段时间内的应变变化值。

2 抗滑桩受力分析

以桩身轴线为x轴，在抗滑桩任意截面位置，假设光纤U1和U1′距离中性面的距离为y和y′，抗滑桩在x处，产生应变为[8]：

3 工程实例分析

3.1 工程概况

贵州某在建高速公路，路基右侧边坡设计为六级边坡，设计第一级坡比为1∶1.25，第二～六级坡比为1∶1.5，最大坡高约53 m，于第一级平台设置矩形3 m×4 m和2 m×3 m相间交错的矩形抗滑桩，二、三、四级平台设置钢管桩。根据现场勘察资料可知，场区主要为坡积层粉质黏土、角砾土，厚0～20 m;崩积层块石土，主要成分为碎石粉质黏土，全、强风化砂岩、泥岩;志留系砂岩、泥岩。

随着边坡开挖和路基工程的推进，坡面局部产生鼓胀现象，坡体后缘有零星裂缝，发展成后缘裂缝已闭合成圈椅状，且有进一步的发展趋势。根据现场深部位移监测结果显示，滑坡最大变形深度达35.5 m，变形速率为9.0～13.0 mm/d，处于急速滑动阶段。目前裂缝已基本贯通，统一滑面基本形成。

为了确保高速公路的如期通车及后期运营安全，结合现场情况，决定采用圆形抗滑桩进行支护，在第一排矩形桩后布置了一排圆形抗滑桩，抗滑桩的桩间距为4 m，桩径为2.2 m，桩长为30 m。为了监测圆形抗滑桩的支护效果和变形，在抗滑桩内部布设分布式光纤进行监测。

3.2 现场光纤的埋设

本次现场监测仪器为加拿大OZ公司生产的DSTS（分布式光纤传感仪），图1为抗滑桩的光纤布设示意图，抗滑桩为桩长30 m、截面D=2.2 m的大直径圆形截面抗滑桩，根据现场光纤铺设示意图，光纤沿抗滑桩向下轴向布设光纤，共铺设了两条光纤传感回路，U1-U1′和U2-U2′，其中U1-U1′绑扎在抗滑桩的受力主筋上，U2-U2′绑扎在与U1-U1′回路成30°夹角的受力钢筋上。以U1-U1′回路为例，光纤从抗滑桩桩顶沿抗滑桩轴向向下进行铺设，桩底以180°拐弯再沿抗滑桩轴向向上进行铺设至桩顶，形成一个回路接入DSTS监测仪器。[KH-*1]

[JZ][XCmh10.EPS;%90%90;P][TS（][JZ][HT5”H]图1 抗滑桩光纤布设示意图[TS）][KH-*1]

3.3 监测数据分析

下页图2～3分别为U1-U1′和U2-U2′两个回路的应变与桩长的监测曲线图。对比图2和图3可以清楚地看出U2-U2′回路受外界干扰性较大，造成测试数据的跳动性较大，估计是光纤在埋设时或者在混凝土浇筑过程中受到破坏，因此对于后面计算弯矩和实际抗滑力都采用U1-U1′回路进行。图2的数据是抗滑桩一年内的测试数据，从图中可以看出抗滑桩在桩顶先产生拉应变，由于第二次滑动面在桩顶附近形成，导致桩顶应变发生变化。在4～10 m这段范围，压应变先增大后逐渐稳定。由于桩顶附近堆积土受施工作用发生扰动，造成桩顶在滑坡水平推力作用下发生弯曲，现场立即对坡后进行回填反压土，增大抗滑力，随着反压土的完成，桩顶达到一个稳定的状态。同时从图中可以看出，拉压应变几乎对称，因为光纤在桩内的布置成对称状态，由于受到温度或者局部应力的影响，桩内的应力发生局部波动。

根据图2的桩身应变曲线，由式（4）、式（5）可以计算出大直径圆形抗滑桩的弯矩和最大实际抗滑桩的曲线分布，如图4～5所示。从图4可以看出抗滑桩在桩顶和16 m附近，弯矩值发生变化，弯矩最大值为460 kN·m，可进一步与现场勘察资料对应，二次滑面形成的时候滑动面发生上移。从图5中可以看出抗滑桩在16 m附近最大的实际抗滑力为188 kN，位于第一次滑面位置处。抗滑桩的最大设计抗滑力为425 kN，通过对比分析可以看出圆形抗滑桩所承受的设计值为44.24%，远远低于抗滑桩可以承受的抗滑力，表明利用大直径圆形抗滑桩对边坡支护是有效的，该边坡通车运行至今处于稳定状态，为以后边坡加固方式增加一种选择。

4 结语

（1）通过在抗滑桩的受力主筋上綁扎分布式光纤来监测抗滑桩在滑坡推力作用下的应变情况，通过计算公式来分析抗滑桩所承受的实际最大弯矩和最大抗滑力，分析抗滑桩的受力状态。

（2）分析抗滑桩弯矩变化情况可以初步判断滑动面的位置，通过和现场勘察资料的对比分析，可以发现利用监测数据分析滑动面所在位置，与勘察得到的滑动面的位置是一致的，说明监测数据的有效性、准确性。

（3）对比监测数据分析得到的最大抗滑力和设计值，可以得出大直径圆形抗滑桩的实际最大抗滑力远远小于设计值，表明采用大直径圆形抗滑桩作为边坡加固支挡结构是有效的。

（4）[JP+1]本文的不足之处在于监测的频次太少，虽然通过监测数据分析可以得到抗滑桩的应用效果是稳定的，但是应该加大监测的频次，特别是在极端天气的情况下，可以获得大直径圆形抗滑桩所承受的最大抗滑力，对于设计的优化具有非常大的意义。[JP2]

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