錨索框架邊坡表面變形監(jiān)測(cè)研究

王磊

（中鐵十一局集團(tuán)第六工程有限公司 湖北襄陽(yáng) 441003）

2019年1-10月份全國(guó)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害6070起，其中滑坡4167起、崩塌1211起，邊坡類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害占比為88.6%。錨索框架作為一種主動(dòng)抗滑結(jié)構(gòu)，在邊坡治理中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于預(yù)應(yīng)力類(lèi)軟巖中蠕變大導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大、框架設(shè)計(jì)施工不合理以及極端天氣導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力錨索框架加固后的邊坡依舊發(fā)生病害。

錨索框架加固后的邊坡變形監(jiān)測(cè)包括表面變形監(jiān)測(cè)和深層位移監(jiān)測(cè)，其中表面變形監(jiān)測(cè)手段包括全站儀監(jiān)測(cè)、振弦傳感器和北斗等單點(diǎn)式監(jiān)測(cè)手段，不易實(shí)現(xiàn)整個(gè)邊坡的全覆蓋。基于BOTDA的光纖傳感技術(shù)可以準(zhǔn)確地測(cè)出光纖沿線上任一點(diǎn)變形信息的優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感在邊坡表面及深層位移監(jiān)測(cè)中進(jìn)行研究[1-2]，本文將光纖布設(shè)在在錨索框架內(nèi)，對(duì)基于BOTDA的光纖傳感技術(shù)在錨索框架邊坡表面變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究。

1 基于BOTDA的光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

BOTDA（Brillouin optical time domain analysis）布里淵光時(shí)域分析技術(shù)利用了受激布里淵放大特性，讓兩束光在光纖中反向傳播，當(dāng)兩者頻率差等于布里淵頻移時(shí)，弱的連續(xù)光信號(hào)將被強(qiáng)的脈沖泵浦光放大，當(dāng)光纖上的某一段發(fā)生變形時(shí)，該部位的布里淵頻移將增大，從而引起該區(qū)域布里淵散射信號(hào)的急劇衰減，通過(guò)調(diào)諧使入射的泵浦光和探測(cè)光之間的頻率接收到該處的布里淵散射信號(hào)。因此利用BOTDA測(cè)到光纖沿線任一點(diǎn)的布里淵散射頻率，再應(yīng)用布里淵頻移與變形的關(guān)系，即可得到光纖沿線任一點(diǎn)的變形分布。

圖1 BOTDA原理

2 光纖測(cè)量精度分析

本項(xiàng)目所用儀器為omnisens的STA-R儀器，儀器參數(shù)設(shè)置為：?jiǎn)尾浇庹{(diào)頻率為1MHz，空間分辨率為0.5m，采樣間隔為0.1m，平均次數(shù)為1000次。現(xiàn)場(chǎng)光纖布設(shè)之后，連續(xù)采集5次，以第一次作為初始值，后4次光纖變化量如圖2所示。

測(cè)次2~5光纖總測(cè)點(diǎn)數(shù)為1376個(gè)，1376個(gè)測(cè)點(diǎn)變化最大為56με，最小為-50με，平均值為5.66με，標(biāo)準(zhǔn)差為16.36，測(cè)點(diǎn)正態(tài)分布如圖3所示。

圖2 重復(fù)測(cè)量精度

圖3 重復(fù)測(cè)量正態(tài)分布

測(cè)點(diǎn)分布范圍如表1所示。

表1 測(cè)點(diǎn)分布列

在保證95%精度的情況下，本項(xiàng)目?jī)x器測(cè)量精度為40με。

3 混凝土結(jié)構(gòu)張拉試驗(yàn)

為了驗(yàn)證光纖測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形的可性性，在32m長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)上布設(shè)光纖，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物進(jìn)行張拉，測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)變形以及出現(xiàn)裂縫時(shí)光纖的變化量。

圖4 光纖布設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)表面

拉伸至2mm時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)裂縫，張拉至14mm時(shí)，最大裂縫寬度達(dá)到1.5mm，光纖測(cè)量數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 拉伸試驗(yàn)光纖測(cè)量變形

張拉試驗(yàn)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)物表面出現(xiàn)裂縫時(shí)，光纖測(cè)量應(yīng)變?yōu)?60με，裂縫寬度在1.5mm時(shí)，光纖測(cè)量應(yīng)變?yōu)?400με，儀器測(cè)量精度為40με，該精度為結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)裂縫時(shí)變形量的1/14（變形監(jiān)測(cè)要求儀器測(cè)量精度為破壞變形量的1/10~1/20），表明光纖可以用于混凝土結(jié)構(gòu)物變形及裂縫監(jiān)測(cè)。

4 項(xiàng)目應(yīng)用

實(shí)際項(xiàng)目為三級(jí)放坡邊坡，邊坡采用錨索框架加石籠擋墻支護(hù)，光纖布設(shè)在第二級(jí)框架梁，光纖的布設(shè)步驟為：框架梁定線→刻槽→除塵→光纖預(yù)張拉→涂膠固定。

圖6 光纖布設(shè)（左：框架梁刻槽右：光纖布設(shè)后效果）

由于本項(xiàng)目未布設(shè)溫補(bǔ)光纖，需確定溫度作用下框架梁變形量，選擇1d時(shí)間內(nèi)7個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，光纖測(cè)量變形如圖所示，表明溫度作用下框架梁本身發(fā)生熱脹冷縮，溫差作用下框架梁變形在-200~100με之間。

圖7 一天內(nèi)框架梁段光纖測(cè)量應(yīng)變

現(xiàn)場(chǎng)光纖布設(shè)3個(gè)月后光纖測(cè)量如圖8所示，光纖變形在-100~10με之間，屬于溫差影響范圍內(nèi)光纖變化量，表明框架梁無(wú)變形，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)該段框架梁無(wú)變形及裂縫。

圖8 框架梁段光纖測(cè)量應(yīng)變

5 結(jié)論

本文進(jìn)行了光纖傳感在混凝土結(jié)構(gòu)物及錨索框架邊坡中的應(yīng)用，主要結(jié)論如下：

（1）拉伸試驗(yàn)過(guò)程中，拉伸量為4mm時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫，此時(shí)裂縫點(diǎn)光纖測(cè)量應(yīng)變?yōu)?60με，拉伸量為14mm時(shí)裂縫寬度為1.5mm，光纖測(cè)量應(yīng)變?yōu)?400με，光纖測(cè)量誤差40με約為裂縫產(chǎn)生時(shí)測(cè)量結(jié)果的1/14，表明光纖可以用于混凝土結(jié)構(gòu)變形及裂縫的測(cè)量；

（2）實(shí)際項(xiàng)目中溫差作用下框架梁變形在-200~100με之間，現(xiàn)場(chǎng)光纖布設(shè)3個(gè)月后光纖變形在-100~10με之間，表明框架梁無(wú)變形，與現(xiàn)場(chǎng)框架梁無(wú)變形及裂縫情況一致，表明光纖可以應(yīng)用于邊坡框架梁變形監(jiān)測(cè)。