基于BOTDA的抗滑樁受力分析研究*

劉安吉 張 龍 曾 強 張位華 姜 波

(1.貴州省公路工程集團有限公司 貴陽 550001； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

抗滑樁作為邊(滑)坡處治最主要的支擋結構之一，應用非常廣泛[1-2]。滑體-抗滑樁-滑床組成的體系復雜，抗滑樁的設計計算及工作狀態(tài)受影響因素較多，如樁土作用的復雜性及巖土體參數(shù)、滑面參數(shù)的不確定性等[3]。若直接通過監(jiān)測手段將此類影響體現(xiàn)在監(jiān)測中，則可得到受影響較小的、更加真實的抗滑樁內力分布情況，由此才能更加準確地對抗滑樁的工作狀態(tài)進行評價。

抗滑樁最為常規(guī)的監(jiān)測手段主要包括：通過在抗滑樁主筋上安裝鋼筋計來監(jiān)測抗滑樁的受力分布情況[4]；在樁頂安裝監(jiān)測點通過全站儀來監(jiān)測樁頂側向位移；通過在抗滑樁內部安裝測斜儀來監(jiān)測抗滑樁深層位移[5]。但現(xiàn)有此類監(jiān)測手段大多是點式監(jiān)測，其測點有限，數(shù)據采集具有工作量大、離散性大及無法獲取連續(xù)的變形信息等問題。

分布式光纖傳感技術是近年來隨著光纖通信技術的發(fā)展而發(fā)展起來的一種感知(應變、溫度)和傳輸外界信號的新型傳感技術，具有全分布式、精度高、壽命長、抗干擾能力強、耐腐蝕、長距離監(jiān)測等優(yōu)勢。

羅勇等[6-7]采用BOTDA技術對某大型滑坡h型抗滑樁進行了監(jiān)測，監(jiān)測結果能準確地反映新型組合式抗滑支擋結構的樁身內力分布情況。另采用BOTDA技術對大直徑嵌巖樁進行了應變監(jiān)測,獲取了樁身軸力、側摩阻力的分布情況，以此對樁基承載性能進行了研究。胡世敬等[8]采用BOTDA技術對h型抗滑樁所受的滑坡推力進行研究，獲取了更加貼切實際工程的滑坡推力分布形式。張磊等[9]采用BOTDR技術對治理滑坡的抗滑樁樁身應變進行了監(jiān)測，獲取了樁身內力分布及變形情況，以此對抗滑樁的穩(wěn)定性進行了分析。

本文以興義環(huán)城高速某邊坡為例，將BOTDA分布式光纖傳感技術應用到抗滑樁監(jiān)測中，采集邊坡開挖至運營過程中抗滑樁不同深度的樁身微應變。基于BOTDA的樁身應力應變計算方法，無需應用到大量的模型假設和經驗性參數(shù)，可直接獲取抗滑樁的內力分布信息，在此基礎上，考慮滑坡推力作用，通過樁體材料的變形破壞特征分析，提出一種評價抗滑樁治理效果的方法，為邊坡治理提供依據。

1 BOTDA光纖監(jiān)測

BOTDA分布式光纖傳感技術是基于受激布里淵光散射的一種測試技術，其利用光纖中的布里淵背向散射光的頻移與溫度和應變變化間的線性關系[10]實現(xiàn)感測。

光纖是傳導介質，也是傳遞介質，采樣間隔最小可達0.05 m。當光纖受外界因素(如變形、溫度、應力等)影響時，光波在光纖中的傳播過程中，布里淵頻率發(fā)生漂移，即可通過頻移量與光纖應變和溫度的線性關系，分布式測試沿傳感光纖的應力、應變及溫度，其計算方法見式(1)。

υB(ε,T)=υB(0)+Cvεε+Cvt(T-T0)

(1)

式中：υB(0)為應變、溫度初始值時的布里淵頻率；υB(ε，T)為應變ε和溫度T的布里淵頻率；Cvt和Cvε分別為溫度、應變系數(shù)；T-T0為溫度變化值；ε為光纖應變。

分布式光纖傳感技術應用于抗滑樁的變形監(jiān)測原理示意見圖1。光纖變形受樁體自重應力影響小，可忽略不計，因此在抗滑樁任意橫截面上的正應力δz可認為是作用在橫截面上的軸向應力。

圖1 BOTDA監(jiān)測原理示意

根據歐拉-伯努利梁理論可知，抗滑樁在軸向應力δz作用下受彎產生的截面彎矩M(x)如下式。

(2)

(3)

抗滑樁澆筑受材料的不均一性及施工等因素影響，樁身前后側光纜位置距離中性面為x1、x2，光纜相對中性軸的力矩平衡，則有

(4)

抗滑樁在軸向應力作用下受彎產生的截面彎矩M(x)可表示為

(5)

剪力Q(x)則可根據材料力學對彎矩求一階導。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

貴州省興義環(huán)城高速公路某邊坡沿公路方向長約100 m，其橫斷寬90 m，坡體前后緣高差約66 m，巖層傾角為39°為順層邊坡，邊坡全貌圖見圖2。邊坡典型橫斷面圖見圖3。根據鉆探揭露情況，該段邊坡覆蓋層為粉質黏土，厚度約0.5 m，下伏基巖為強風化、中～微風化三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)薄至中厚層狀白云巖夾泥膜，其中強風化層厚3～5 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體表層風化破碎。白云巖夾泥膜層間結合一般，邊坡開挖后若不及時封閉坡體，泥膜遇水易軟化，抗剪強度降低，將導致邊坡失穩(wěn)。

圖2 邊坡全貌照

圖3 邊坡典型橫斷面圖(尺寸單位：m)

邊坡處治措施為抗滑樁+樁間墻及框架錨索，其中抗滑樁位于坡體前緣，共17根，為了準確地掌握抗滑樁受力特征，在了解邊坡地形地貌、工程地質、水文地質條件等基礎上，采用分布式光纖傳感技術對位于主滑方向的8號抗滑樁進行應變場的監(jiān)測，抗滑樁參數(shù)見表1。

表1 抗滑樁參數(shù)取值表

2.2 分布式光纖監(jiān)測布置

應變光纜在8號抗滑樁內的布置見圖4。

圖4 8號抗滑樁內光纜布設圖

U1和U2分別為抗滑樁的迎山側和背山側的光纜回路。在鋼筋籠施工期，將光纜綁扎在迎山側和背山側的受力主筋上，再通過BOTDA光纖調制解調儀接出。

8號抗滑樁的混凝土保護層厚度為7 cm,故綁扎在抗滑樁前后對稱主筋上的光纖間距|x1-x2|為286 cm，U1、U2回路有效測試長度為18 m，距樁頂0.5～18.5 m范圍內。混凝土澆筑完全固結時，應變光纜與抗滑樁實現(xiàn)同步變形。

2.3 光纖監(jiān)測成果分析

抗滑樁澆筑成型后，截止至2020年10月30日，共有效監(jiān)測5次，包含1次初始值。光纖調制解調儀采集到樁身不同深度的測試數(shù)據[13]，經式(1)換算，并借用MATLAB數(shù)值分析軟件擬合出抗滑樁受力時相對應的應變曲線。

抗滑樁迎山側和背山側的樁身應變曲線圖見圖5。

圖5 樁身應變分布曲線

根據抗滑樁應變監(jiān)測結果可知：

1) 抗滑樁迎山側U1整體為拉應變，峰值在樁身13 m位置，最大拉應變?yōu)?50×10-6，表明在該位置抗滑樁受拉變形較大，應變隨時間推移而呈增大趨勢，在2020年8月25日受強降雨影響，應變增幅相對最大，之后趨于平緩。

2) 背山側U2整體為壓應變，峰值同樣在樁身13 m位置，最大壓應變?yōu)?30×10-6，表明在該位置抗滑樁受壓變形也較大。

3) 對比抗滑樁迎山側和背山側的應變曲線，迎山側受拉，背山側受壓，兩側應變曲線分布規(guī)律基本吻合，表明光纖監(jiān)測具有較高的可靠性。

3 抗滑樁內力分析

3.1 樁身彎矩剪力分析

首先對迎山側和背山側的應變作差值處理，代入式(5)得抗滑樁目前的內力分布情況，結果見圖6。

圖6 樁身內力分布

由圖6a)可知，抗滑樁樁身彎矩基本為正值，在潛在滑面下2.8 m處彎矩最大，約50 MN·m，與傳統(tǒng)懸臂樁的彎矩分布基本一致。

由圖6b)可知，抗滑樁剪力在5.8～12.8 m樁身范圍內為正值，在潛在滑面位置(10 m)附近剪力最大，約12.5 MN。樁身12.8～19 m段剪力與邊坡潛在失穩(wěn)方向相反，最大值為16 MN，表明抗滑樁受巖土抗力作用發(fā)揮抗滑作用。

3.2 抗滑樁工作狀態(tài)評價

抗滑樁受彎變形，迎山側和背山側分別受到軸向拉應力和軸向壓應力作用，根據應力-應變關系

σ=E·ε

(6)

抗滑樁的軸向應力可以由式(6)求得，其分布曲線見圖7。

圖7 軸向應力分布曲線

由圖7可見：

1) 受拉區(qū)最大軸向拉應力為19.5 MPa，GB 50010-2015 《混凝土結構設計規(guī)范》可查C30混凝土的拉應力設計值為1.43 MPa，小于等效模量計算的拉應力，則由鋼筋來承擔拉應力，而抗滑樁所用受力主筋型號為HRB400，相對應的鋼筋設計強度為360 MPa，所以抗滑樁的軸向拉應力遠小于鋼筋強度設計值。

2) 受壓區(qū)最大軸向壓應力為6.2 MPa，據GB 50010-2015 《混凝土結構設計規(guī)范》可查C30混凝土抗壓強度設計值為14.3 MPa，混凝土發(fā)揮43.3%的作用。

由此可知，目前抗滑樁處于安全工作狀態(tài)，且留有一定的安全儲備。

4 結論

1) BOTDA光纖監(jiān)測技術能快速、連續(xù)、高精度、分布式的獲取抗滑樁的樁身應變信息，進而推算出抗滑樁的內力分布，抗滑樁樁身彎矩在潛在滑面以下2.8 m處彎矩最大，設計應加強此類位置的構造，提高樁身強度。

2) 通過對比分析抗滑樁的軸向應力與材料設計強度指標，發(fā)現(xiàn)抗滑樁現(xiàn)處于安全狀態(tài)下，且留有一定的安全儲備，需跟進監(jiān)測。

3) 抗滑樁迎山側與背山側的監(jiān)測數(shù)據表明，BOTDA光纖監(jiān)測技術可靠性高，是目前抗滑樁可靠的應力應變監(jiān)測手段之一。