基于BOTDA光纖監測技術的大直徑圓形抗滑樁的受力特征分析

杜鴻 韋夢賢

摘要：文章研究在大直徑圓形抗滑樁的受力主筋上綁扎分布式光纖，通過對監測數據的分析，評價抗滑樁的加固效果。基于應變曲線，得到大直徑圓形抗滑樁在滑坡推力作用下的最大彎矩和最大抗滑力分別為460 kN·m和188 kN，對比設計的最大抗滑力（425 kN），可以發現實際抗滑力遠小于設計抗滑力，表明大直徑圓形抗滑樁作為邊坡防護是有效的。

關鍵詞：大直徑圓形抗滑樁;分布式光纖;監測;加固效果

0 引言

隨著山區高速公路的建設，需對大量山體進行開挖，導致其原有平衡被打破，造成邊坡失穩。選擇有效的邊坡支護方式就顯得尤為重要。圓形抗滑樁與矩形抗滑樁在截面相等的情況下，通過數值分析可知其抗彎能力遠小于矩形抗滑樁[1]，因此大量學者從配筋方面來優化圓形抗滑樁，使其達到最優的設計狀態[2-3]。隨著旋挖鉆機的發展，其直徑越來越大，抗彎能力也得到了很大的提升，其在工程搶險方面的快速成孔、快速澆筑等優勢為搶險工程贏得了許多寶貴時間。

本文依托貴州某高速公路搶險工程，采用分布式光纖監測技術對抗滑樁的受力情況進行監測，可以避免傳統監測技術[4-6]需要對大量監測數據進行假設和擬合[7-9]，使數據可以真實反映受力效果。通過光纖監測數據分析可以得到：（1）及時掌握抗滑樁變形情況;（2）可以判斷抗滑樁的工作狀態，為后續設計優化提供資料，確保邊坡的設計支護達到最優效果;（3）為圓形抗滑樁在邊坡支護工程中的應用提供數據支撐，對于大直徑圓形抗滑樁的應用發展具有重大的意義。

1 分布式光纖的監測原理

布里淵光時域分析（BOTDA）技術的測量原理，是利用布里淵散射光時域散射技術，通過探測對光纖注入泵浦光和探測光，當泵浦光足夠大時，泵浦光和探測光產生的反向斯托克斯光發生干涉作用，激發產生布里淵光發生散射。當光纖發生應變時，光纖中布里淵散射光的頻率的漂移量與光纖應變之間存在良好的線性關系。

當光纖埋設完成以后，通過測量就可以獲得應變值，通過相隔一段時間的測量就可以獲得光纖在一段時間內的應變變化值。

2 抗滑樁受力分析

以樁身軸線為x軸，在抗滑樁任意截面位置，假設光纖U1和U1′距離中性面的距離為y和y′，抗滑樁在x處，產生應變為[8]：

3 工程實例分析

3.1 工程概況

貴州某在建高速公路，路基右側邊坡設計為六級邊坡，設計第一級坡比為1∶1.25，第二～六級坡比為1∶1.5，最大坡高約53 m，于第一級平臺設置矩形3 m×4 m和2 m×3 m相間交錯的矩形抗滑樁，二、三、四級平臺設置鋼管樁。根據現場勘察資料可知，場區主要為坡積層粉質黏土、角礫土，厚0～20 m;崩積層塊石土，主要成分為碎石粉質黏土，全、強風化砂巖、泥巖;志留系砂巖、泥巖。

隨著邊坡開挖和路基工程的推進，坡面局部產生鼓脹現象，坡體后緣有零星裂縫，發展成后緣裂縫已閉合成圈椅狀，且有進一步的發展趨勢。根據現場深部位移監測結果顯示，滑坡最大變形深度達35.5 m，變形速率為9.0～13.0 mm/d，處于急速滑動階段。目前裂縫已基本貫通，統一滑面基本形成。

為了確保高速公路的如期通車及后期運營安全，結合現場情況，決定采用圓形抗滑樁進行支護，在第一排矩形樁后布置了一排圓形抗滑樁，抗滑樁的樁間距為4 m，樁徑為2.2 m，樁長為30 m。為了監測圓形抗滑樁的支護效果和變形，在抗滑樁內部布設分布式光纖進行監測。

3.2 現場光纖的埋設

本次現場監測儀器為加拿大OZ公司生產的DSTS（分布式光纖傳感儀），圖1為抗滑樁的光纖布設示意圖，抗滑樁為樁長30 m、截面D=2.2 m的大直徑圓形截面抗滑樁，根據現場光纖鋪設示意圖，光纖沿抗滑樁向下軸向布設光纖，共鋪設了兩條光纖傳感回路，U1-U1′和U2-U2′，其中U1-U1′綁扎在抗滑樁的受力主筋上，U2-U2′綁扎在與U1-U1′回路成30°夾角的受力鋼筋上。以U1-U1′回路為例，光纖從抗滑樁樁頂沿抗滑樁軸向向下進行鋪設，樁底以180°拐彎再沿抗滑樁軸向向上進行鋪設至樁頂，形成一個回路接入DSTS監測儀器。[KH-*1]

[JZ][XCmh10.EPS;%90%90;P][TS（][JZ][HT5”H]圖1 抗滑樁光纖布設示意圖[TS）][KH-*1]

3.3 監測數據分析

下頁圖2～3分別為U1-U1′和U2-U2′兩個回路的應變與樁長的監測曲線圖。對比圖2和圖3可以清楚地看出U2-U2′回路受外界干擾性較大，造成測試數據的跳動性較大，估計是光纖在埋設時或者在混凝土澆筑過程中受到破壞，因此對于后面計算彎矩和實際抗滑力都采用U1-U1′回路進行。圖2的數據是抗滑樁一年內的測試數據，從圖中可以看出抗滑樁在樁頂先產生拉應變，由于第二次滑動面在樁頂附近形成，導致樁頂應變發生變化。在4～10 m這段范圍，壓應變先增大后逐漸穩定。由于樁頂附近堆積土受施工作用發生擾動，造成樁頂在滑坡水平推力作用下發生彎曲，現場立即對坡后進行回填反壓土，增大抗滑力，隨著反壓土的完成，樁頂達到一個穩定的狀態。同時從圖中可以看出，拉壓應變幾乎對稱，因為光纖在樁內的布置成對稱狀態，由于受到溫度或者局部應力的影響，樁內的應力發生局部波動。

根據圖2的樁身應變曲線，由式（4）、式（5）可以計算出大直徑圓形抗滑樁的彎矩和最大實際抗滑樁的曲線分布，如圖4～5所示。從圖4可以看出抗滑樁在樁頂和16 m附近，彎矩值發生變化，彎矩最大值為460 kN·m，可進一步與現場勘察資料對應，二次滑面形成的時候滑動面發生上移。從圖5中可以看出抗滑樁在16 m附近最大的實際抗滑力為188 kN，位于第一次滑面位置處?？够瑯兜淖畲笤O計抗滑力為425 kN，通過對比分析可以看出圓形抗滑樁所承受的設計值為44.24%，遠遠低于抗滑樁可以承受的抗滑力，表明利用大直徑圓形抗滑樁對邊坡支護是有效的，該邊坡通車運行至今處于穩定狀態，為以后邊坡加固方式增加一種選擇。

4 結語

（1）通過在抗滑樁的受力主筋上綁扎分布式光纖來監測抗滑樁在滑坡推力作用下的應變情況，通過計算公式來分析抗滑樁所承受的實際最大彎矩和最大抗滑力，分析抗滑樁的受力狀態。

（2）分析抗滑樁彎矩變化情況可以初步判斷滑動面的位置，通過和現場勘察資料的對比分析，可以發現利用監測數據分析滑動面所在位置，與勘察得到的滑動面的位置是一致的，說明監測數據的有效性、準確性。

（3）對比監測數據分析得到的最大抗滑力和設計值，可以得出大直徑圓形抗滑樁的實際最大抗滑力遠遠小于設計值，表明采用大直徑圓形抗滑樁作為邊坡加固支擋結構是有效的。

（4）[JP+1]本文的不足之處在于監測的頻次太少，雖然通過監測數據分析可以得到抗滑樁的應用效果是穩定的，但是應該加大監測的頻次，特別是在極端天氣的情況下，可以獲得大直徑圓形抗滑樁所承受的最大抗滑力，對于設計的優化具有非常大的意義。[JP2]

參考文獻：

[1]年廷凱，徐海洋，李東晨.不同截面型式抗滑樁加固邊坡數值分析[J].大連理工大學學報，2013，53（5）：695-701.

[2]黃太華，譚 萍，王原瓊. 圓形截面正截面受彎承載力計算[J]. 結構工程師，2005，21（53）：16-19.

[3]陳富堅，劉均利，景天虎.圓形和環形截面抗滑樁的非均布配筋計算方法[J].公路交通科技，2006，23（9）：32-35.

[4蔣斌松，趙錦橋，孫志剛，等.棗林滑坡的滑面的強度確定及加固處理[J].工程地質學報，2014，12（4）：417-421.

[5]沈 強，陳從新，汪 稔，等.邊坡抗滑樁加固效果監測分析[J].巖土力學與工程學報，2005，24（6）：934-938.

[6]王大為，佴 磊，崔凌秋.延圖高速公路中里滑坡抗滑樁設計與監測[C].第六次全國巖土力學與工程學術大會論文集，2000.

[7]魏廣慶，施 斌，賈建勛，等.分布式光纖傳感技術在預制樁基樁內力測試中的應用[J].巖土工程學報，2009，31（6）：911-916.

[8]丁 勇，王 平，何 寧，等.基于BOTDA光纖傳感技術的SMW工法樁分布式測量研究[J].巖土工程學報，2011，33（5）：719-724.

[9]劉永莉，孫紅月，于 洋，等.抗滑樁內力的BOTDR監測分析[J].浙江大學學報（工學版），2012，16（2）：243-249.