劉安吉 張 龍 曾 強(qiáng) 張位華 姜 波

(1.貴州省公路工程集團(tuán)有限公司 貴陽 550001； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)之一，應(yīng)用非常廣泛[1-2]?；w-抗滑樁-滑床組成的體系復(fù)雜，抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算及工作狀態(tài)受影響因素較多，如樁土作用的復(fù)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(cè)手段將此類影響體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)中，則可得到受影響較小的、更加真實(shí)的抗滑樁內(nèi)力分布情況，由此才能更加準(zhǔn)確地對(duì)抗滑樁的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

抗滑樁最為常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段主要包括：通過在抗滑樁主筋上安裝鋼筋計(jì)來監(jiān)測(cè)抗滑樁的受力分布情況[4]；在樁頂安裝監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過全站儀來監(jiān)測(cè)樁頂側(cè)向位移；通過在抗滑樁內(nèi)部安裝測(cè)斜儀來監(jiān)測(cè)抗滑樁深層位移[5]。但現(xiàn)有此類監(jiān)測(cè)手段大多是點(diǎn)式監(jiān)測(cè)，其測(cè)點(diǎn)有限，數(shù)據(jù)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(shù)是近年來隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種感知(應(yīng)變、溫度)和傳輸外界信號(hào)的新型傳感技術(shù)，具有全分布式、精度高、壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)等優(yōu)勢(shì)。

羅勇等[6-7]采用BOTDA技術(shù)對(duì)某大型滑坡h型抗滑樁進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果能準(zhǔn)確地反映新型組合式抗滑支擋結(jié)構(gòu)的樁身內(nèi)力分布情況。另采用BOTDA技術(shù)對(duì)大直徑嵌巖樁進(jìn)行了應(yīng)變監(jiān)測(cè),獲取了樁身軸力、側(cè)摩阻力的分布情況，以此對(duì)樁基承載性能進(jìn)行了研究。胡世敬等[8]采用BOTDA技術(shù)對(duì)h型抗滑樁所受的滑坡推力進(jìn)行研究，獲取了更加貼切實(shí)際工程的滑坡推力分布形式。張磊等[9]采用BOTDR技術(shù)對(duì)治理滑坡的抗滑樁樁身應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，獲取了樁身內(nèi)力分布及變形情況，以此對(duì)抗滑樁的穩(wěn)定性進(jìn)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(shù)應(yīng)用到抗滑樁監(jiān)測(cè)中，采集邊坡開挖至運(yùn)營(yíng)過程中抗滑樁不同深度的樁身微應(yīng)變?；贐OTDA的樁身應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算方法，無需應(yīng)用到大量的模型假設(shè)和經(jīng)驗(yàn)性參數(shù)，可直接獲取抗滑樁的內(nèi)力分布信息，在此基礎(chǔ)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(píng)價(jià)抗滑樁治理效果的方法，為邊坡治理提供依據(jù)。

1 BOTDA光纖監(jiān)測(cè)

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

光纖是傳導(dǎo)介質(zhì)，也是傳遞介質(zhì)，采樣間隔最小可達(dá)0.05 m。當(dāng)光纖受外界因素(如變形、溫度、應(yīng)力等)影響時(shí)，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(yīng)變和溫度的線性關(guān)系，分布式測(cè)試沿傳感光纖的應(yīng)力、應(yīng)變及溫度，其計(jì)算方法見式(1)。

υB(ε,T)=υB(0)+Cvεε+Cvt(T-T0)

(1)

式中：υB(0)為應(yīng)變、溫度初始值時(shí)的布里淵頻率；υB(ε，T)為應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟萒的布里淵頻率；Cvt和Cvε分別為溫度、應(yīng)變系數(shù)；T-T0為溫度變化值；ε為光纖應(yīng)變。

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

圖1 BOTDA監(jiān)測(cè)原理示意

根據(jù)歐拉-伯努利梁理論可知，抗滑樁在軸向應(yīng)力δz作用下受彎產(chǎn)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(cè)光纜位置距離中性面為x1、x2，光纜相對(duì)中性軸的力矩平衡，則有

(4)

抗滑樁在軸向應(yīng)力作用下受彎產(chǎn)生的截面彎矩M(x)可表示為

(5)

剪力Q(x)則可根據(jù)材料力學(xué)對(duì)彎矩求一階導(dǎo)。

2 工程實(shí)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(zhǎng)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(jù)鉆探揭露情況，該段邊坡覆蓋層為粉質(zhì)黏土，厚度約0.5 m，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化、中～微風(fēng)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(qiáng)風(fēng)化層厚3～5 m，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體表層風(fēng)化破碎。白云巖夾泥膜層間結(jié)合一般，邊坡開挖后若不及時(shí)封閉坡體，泥膜遇水易軟化，抗剪強(qiáng)度降低，將導(dǎo)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(zhǔn)確地掌握抗滑樁受力特征，在了解邊坡地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件等基礎(chǔ)上，采用分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)位于主滑方向的8號(hào)抗滑樁進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，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(cè)布置

應(yīng)變光纜在8號(hào)抗滑樁內(nèi)的布置見圖4。

圖4 8號(hào)抗滑樁內(nèi)光纜布設(shè)圖

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

8號(hào)抗滑樁的混凝土保護(hù)層厚度為7 cm,故綁扎在抗滑樁前后對(duì)稱主筋上的光纖間距|x1-x2|為286 cm，U1、U2回路有效測(cè)試長(zhǎng)度為18 m，距樁頂0.5～18.5 m范圍內(nèi)?；炷翝仓耆探Y(jié)時(shí)，應(yīng)變光纜與抗滑樁實(shí)現(xiàn)同步變形。

2.3 光纖監(jiān)測(cè)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(cè)5次，包含1次初始值。光纖調(diào)制解調(diào)儀采集到樁身不同深度的測(cè)試數(shù)據(jù)[13]，經(jīng)式(1)換算，并借用MATLAB數(shù)值分析軟件擬合出抗滑樁受力時(shí)相對(duì)應(yīng)的應(yīng)變曲線。

抗滑樁迎山側(cè)和背山側(cè)的樁身應(yīng)變曲線圖見圖5。

圖5 樁身應(yīng)變分布曲線

根據(jù)抗滑樁應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果可知：

1) 抗滑樁迎山側(cè)U1整體為拉應(yīng)變，峰值在樁身13 m位置，最大拉應(yīng)變?yōu)?50×10-6，表明在該位置抗滑樁受拉變形較大，應(yīng)變隨時(shí)間推移而呈增大趨勢(shì)，在2020年8月25日受強(qiáng)降雨影響，應(yīng)變?cè)龇鄬?duì)最大，之后趨于平緩。

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

3) 對(duì)比抗滑樁迎山側(cè)和背山側(cè)的應(yīng)變曲線，迎山側(cè)受拉，背山側(cè)受壓，兩側(cè)應(yīng)變曲線分布規(guī)律基本吻合，表明光纖監(jiān)測(cè)具有較高的可靠性。

3 抗滑樁內(nèi)力分析

3.1 樁身彎矩剪力分析

首先對(duì)迎山側(cè)和背山側(cè)的應(yīng)變作差值處理，代入式(5)得抗滑樁目前的內(nèi)力分布情況，結(jié)果見圖6。

圖6 樁身內(nèi)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(nèi)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(píng)價(jià)

抗滑樁受彎變形，迎山側(cè)和背山側(cè)分別受到軸向拉應(yīng)力和軸向壓應(yīng)力作用，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

σ=E·ε

(6)

抗滑樁的軸向應(yīng)力可以由式(6)求得，其分布曲線見圖7。

圖7 軸向應(yīng)力分布曲線

由圖7可見：

1) 受拉區(qū)最大軸向拉應(yīng)力為19.5 MPa，GB 50010-2015 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可查C30混凝土的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1.43 MPa，小于等效模量計(jì)算的拉應(yīng)力，則由鋼筋來承擔(dān)拉應(yīng)力，而抗滑樁所用受力主筋型號(hào)為HRB400，相對(duì)應(yīng)的鋼筋設(shè)計(jì)強(qiáng)度為360 MPa，所以抗滑樁的軸向拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2) 受壓區(qū)最大軸向壓應(yīng)力為6.2 MPa，據(jù)GB 50010-2015 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》可查C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(chǔ)備。

4 結(jié)論

1) BOTDA光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)能快速、連續(xù)、高精度、分布式的獲取抗滑樁的樁身應(yīng)變信息，進(jìn)而推算出抗滑樁的內(nèi)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(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)此類位置的構(gòu)造，提高樁身強(qiáng)度。

2) 通過對(duì)比分析抗滑樁的軸向應(yīng)力與材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度指標(biāo)，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(chǔ)備，需跟進(jìn)監(jiān)測(cè)。

3) 抗滑樁迎山側(cè)與背山側(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，BOTDA光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)可靠性高，是目前抗滑樁可靠的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)手段之一。