基于BOTDA光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的大直徑圓形抗滑樁的受力特征分析

杜鴻 韋夢(mèng)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(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，評(píng)價(jià)抗滑樁的加固效果。基于應(yīng)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(duì)比設(shè)計(jì)的最大抗滑力（425 kN），可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際抗滑力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)抗滑力，表明大直徑圓形抗滑樁作為邊坡防護(hù)是有效的。

關(guān)鍵詞：大直徑圓形抗滑樁;分布式光纖;監(jiān)測(cè);加固效果

0 引言

隨著山區(qū)高速公路的建設(shè)，需對(duì)大量山體進(jìn)行開挖，導(dǎo)致其原有平衡被打破，造成邊坡失穩(wěn)。選擇有效的邊坡支護(hù)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(shù)值分析可知其抗彎能力遠(yuǎn)小于矩形抗滑樁[1]，因此大量學(xué)者從配筋方面來優(yōu)化圓形抗滑樁，使其達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)狀態(tài)[2-3]。隨著旋挖鉆機(jī)的發(fā)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(xiǎn)方面的快速成孔、快速澆筑等優(yōu)勢(shì)為搶險(xiǎn)工程贏得了許多寶貴時(shí)間。

本文依托貴州某高速公路搶險(xiǎn)工程，采用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)抗滑樁的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以避免傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)[4-6]需要對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行假設(shè)和擬合[7-9]，使數(shù)據(jù)可以真實(shí)反映受力效果。通過光纖監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以得到：（1）及時(shí)掌握抗滑樁變形情況;（2）可以判斷抗滑樁的工作狀態(tài)，為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供資料，確保邊坡的設(shè)計(jì)支護(hù)達(dá)到最優(yōu)效果;（3）為圓形抗滑樁在邊坡支護(hù)工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于大直徑圓形抗滑樁的應(yīng)用發(fā)展具有重大的意義。

1 分布式光纖的監(jiān)測(cè)原理

布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)的測(cè)量原理，是利用布里淵散射光時(shí)域散射技術(shù)，通過探測(cè)對(duì)光纖注入泵浦光和探測(cè)光，當(dāng)泵浦光足夠大時(shí)，泵浦光和探測(cè)光產(chǎn)生的反向斯托克斯光發(fā)生干涉作用，激發(fā)產(chǎn)生布里淵光發(fā)生散射。當(dāng)光纖發(fā)生應(yīng)變時(shí)，光纖中布里淵散射光的頻率的漂移量與光纖應(yīng)變之間存在良好的線性關(guān)系。

當(dāng)光纖埋設(shè)完成以后，通過測(cè)量就可以獲得應(yīng)變值，通過相隔一段時(shí)間的測(cè)量就可以獲得光纖在一段時(shí)間內(nèi)的應(yīng)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(shè)光纖U1和U1′距離中性面的距離為y和y′，抗滑樁在x處，產(chǎn)生應(yīng)變?yōu)閇8]：

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

貴州某在建高速公路，路基右側(cè)邊坡設(shè)計(jì)為六級(jí)邊坡，設(shè)計(jì)第一級(jí)坡比為1∶1.25，第二～六級(jí)坡比為1∶1.5，最大坡高約53 m，于第一級(jí)平臺(tái)設(shè)置矩形3 m×4 m和2 m×3 m相間交錯(cuò)的矩形抗滑樁，二、三、四級(jí)平臺(tái)設(shè)置鋼管樁。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察資料可知，場(chǎng)區(qū)主要為坡積層粉質(zhì)黏土、角礫土，厚0～20 m;崩積層塊石土，主要成分為碎石粉質(zhì)黏土，全、強(qiáng)風(fēng)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(jìn)，坡面局部產(chǎn)生鼓脹現(xiàn)象，坡體后緣有零星裂縫，發(fā)展成后緣裂縫已閉合成圈椅狀，且有進(jìn)一步的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)深部位移監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，滑坡最大變形深度達(dá)35.5 m，變形速率為9.0～13.0 mm/d，處于急速滑動(dòng)階段。目前裂縫已基本貫通，統(tǒng)一滑面基本形成。

為了確保高速公路的如期通車及后期運(yùn)營安全，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，決定采用圓形抗滑樁進(jìn)行支護(hù)，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(zhǎng)為30 m。為了監(jiān)測(cè)圓形抗滑樁的支護(hù)效果和變形，在抗滑樁內(nèi)部布設(shè)分布式光纖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)光纖的埋設(shè)

本次現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器為加拿大OZ公司生產(chǎn)的DSTS（分布式光纖傳感儀），圖1為抗滑樁的光纖布設(shè)示意圖，抗滑樁為樁長(zhǎng)30 m、截面D=2.2 m的大直徑圓形截面抗滑樁，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)光纖鋪設(shè)示意圖，光纖沿抗滑樁向下軸向布設(shè)光纖，共鋪設(shè)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(jìn)行鋪設(shè)，樁底以180°拐彎再沿抗滑樁軸向向上進(jìn)行鋪設(shè)至樁頂，形成一個(gè)回路接入DSTS監(jiān)測(cè)儀器。[KH-*1]

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

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

下頁圖2～3分別為U1-U1′和U2-U2′兩個(gè)回路的應(yīng)變與樁長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)曲線圖。對(duì)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(cè)試數(shù)據(jù)的跳動(dòng)性較大，估計(jì)是光纖在埋設(shè)時(shí)或者在混凝土澆筑過程中受到破壞，因此對(duì)于后面計(jì)算彎矩和實(shí)際抗滑力都采用U1-U1′回路進(jìn)行。圖2的數(shù)據(jù)是抗滑樁一年內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)，從圖中可以看出抗滑樁在樁頂先產(chǎn)生拉應(yīng)變，由于第二次滑動(dòng)面在樁頂附近形成，導(dǎo)致樁頂應(yīng)變發(fā)生變化。在4～10 m這段范圍，壓應(yīng)變先增大后逐漸穩(wěn)定。由于樁頂附近堆積土受施工作用發(fā)生擾動(dòng)，造成樁頂在滑坡水平推力作用下發(fā)生彎曲，現(xiàn)場(chǎng)立即對(duì)坡后進(jìn)行回填反壓土，增大抗滑力，隨著反壓土的完成，樁頂達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。同時(shí)從圖中可以看出，拉壓應(yīng)變幾乎對(duì)稱，因?yàn)楣饫w在樁內(nèi)的布置成對(duì)稱狀態(tài)，由于受到溫度或者局部應(yīng)力的影響，樁內(nèi)的應(yīng)力發(fā)生局部波動(dòng)。

根據(jù)圖2的樁身應(yīng)變曲線，由式（4）、式（5）可以計(jì)算出大直徑圓形抗滑樁的彎矩和最大實(shí)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(fā)生變化，彎矩最大值為460 kN·m，可進(jìn)一步與現(xiàn)場(chǎng)勘察資料對(duì)應(yīng)，二次滑面形成的時(shí)候滑動(dòng)面發(fā)生上移。從圖5中可以看出抗滑樁在16 m附近最大的實(shí)際抗滑力為188 kN，位于第一次滑面位置處。抗滑樁的最大設(shè)計(jì)抗滑力為425 kN，通過對(duì)比分析可以看出圓形抗滑樁所承受的設(shè)計(jì)值為44.24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)邊坡支護(hù)是有效的，該邊坡通車運(yùn)行至今處于穩(wěn)定狀態(tài)，為以后邊坡加固方式增加一種選擇。

4 結(jié)語

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

（2）分析抗滑樁彎矩變化情況可以初步判斷滑動(dòng)面的位置，通過和現(xiàn)場(chǎng)勘察資料的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析滑動(dòng)面所在位置，與勘察得到的滑動(dòng)面的位置是一致的，說明監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性、準(zhǔn)確性。

（3）對(duì)比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得到的最大抗滑力和設(shè)計(jì)值，可以得出大直徑圓形抗滑樁的實(shí)際最大抗滑力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，表明采用大直徑圓形抗滑樁作為邊坡加固支擋結(jié)構(gòu)是有效的。

（4）[JP+1]本文的不足之處在于監(jiān)測(cè)的頻次太少，雖然通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以得到抗滑樁的應(yīng)用效果是穩(wěn)定的，但是應(yīng)該加大監(jiān)測(cè)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(duì)于設(shè)計(jì)的優(yōu)化具有非常大的意義。[JP2]

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