刘安吉 张 龙 曾 强 张位华 姜 波

(1.贵州省公路工程集团有限公司 贵阳 550001； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

抗滑桩作为边(滑)坡处治最主要的支挡结构之一，应用非常广泛[1-2]。滑体-抗滑桩-滑床组成的体系复杂，抗滑桩的设计计算及工作状态受影响因素较多，如桩土作用的复杂性及岩土体参数、滑面参数的不确定性等[3]。若直接通过监测手段将此类影响体现在监测中，则可得到受影响较小的、更加真实的抗滑桩内力分布情况，由此才能更加准确地对抗滑桩的工作状态进行评价。

抗滑桩最为常规的监测手段主要包括：通过在抗滑桩主筋上安装钢筋计来监测抗滑桩的受力分布情况[4]；在桩顶安装监测点通过全站仪来监测桩顶侧向位移；通过在抗滑桩内部安装测斜仪来监测抗滑桩深层位移[5]。但现有此类监测手段大多是点式监测，其测点有限，数据采集具有工作量大、离散性大及无法获取连续的变形信息等问题。

分布式光纤传感技术是近年来随着光纤通信技术的发展而发展起来的一种感知(应变、温度)和传输外界信号的新型传感技术，具有全分布式、精度高、寿命长、抗干扰能力强、耐腐蚀、长距离监测等优势。

罗勇等[6-7]采用BOTDA技术对某大型滑坡h型抗滑桩进行了监测，监测结果能准确地反映新型组合式抗滑支挡结构的桩身内力分布情况。另采用BOTDA技术对大直径嵌岩桩进行了应变监测,获取了桩身轴力、侧摩阻力的分布情况，以此对桩基承载性能进行了研究。胡世敬等[8]采用BOTDA技术对h型抗滑桩所受的滑坡推力进行研究，获取了更加贴切实际工程的滑坡推力分布形式。张磊等[9]采用BOTDR技术对治理滑坡的抗滑桩桩身应变进行了监测，获取了桩身内力分布及变形情况，以此对抗滑桩的稳定性进行了分析。

本文以兴义环城高速某边坡为例，将BOTDA分布式光纤传感技术应用到抗滑桩监测中，采集边坡开挖至运营过程中抗滑桩不同深度的桩身微应变。基于BOTDA的桩身应力应变计算方法，无需应用到大量的模型假设和经验性参数，可直接获取抗滑桩的内力分布信息，在此基础上，考虑滑坡推力作用，通过桩体材料的变形破坏特征分析，提出一种评价抗滑桩治理效果的方法，为边坡治理提供依据。

1 BOTDA光纤监测

BOTDA分布式光纤传感技术是基于受激布里渊光散射的一种测试技术，其利用光纤中的布里渊背向散射光的频移与温度和应变变化间的线性关系[10]实现感测。

光纤是传导介质，也是传递介质，采样间隔最小可达0.05 m。当光纤受外界因素(如变形、温度、应力等)影响时，光波在光纤中的传播过程中，布里渊频率发生漂移，即可通过频移量与光纤应变和温度的线性关系，分布式测试沿传感光纤的应力、应变及温度，其计算方法见式(1)。

υB(ε,T)=υB(0)+Cvεε+Cvt(T-T0)

(1)

式中：υB(0)为应变、温度初始值时的布里渊频率；υB(ε，T)为应变ε和温度T的布里渊频率；Cvt和Cvε分别为温度、应变系数；T-T0为温度变化值；ε为光纤应变。

分布式光纤传感技术应用于抗滑桩的变形监测原理示意见图1。光纤变形受桩体自重应力影响小，可忽略不计，因此在抗滑桩任意横截面上的正应力δz可认为是作用在横截面上的轴向应力。

图1 BOTDA监测原理示意

根据欧拉-伯努利梁理论可知，抗滑桩在轴向应力δz作用下受弯产生的截面弯矩M(x)如下式。

(2)

(3)

抗滑桩浇筑受材料的不均一性及施工等因素影响，桩身前后侧光缆位置距离中性面为x1、x2，光缆相对中性轴的力矩平衡，则有

(4)

抗滑桩在轴向应力作用下受弯产生的截面弯矩M(x)可表示为

(5)

剪力Q(x)则可根据材料力学对弯矩求一阶导。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

贵州省兴义环城高速公路某边坡沿公路方向长约100 m，其横断宽90 m，坡体前后缘高差约66 m，岩层倾角为39°为顺层边坡，边坡全貌图见图2。边坡典型横断面图见图3。根据钻探揭露情况，该段边坡覆盖层为粉质黏土，厚度约0.5 m，下伏基岩为强风化、中～微风化三叠系中统杨柳井组(T2y)薄至中厚层状白云岩夹泥膜，其中强风化层厚3～5 m，节理裂隙较发育，岩体表层风化破碎。白云岩夹泥膜层间结合一般，边坡开挖后若不及时封闭坡体，泥膜遇水易软化，抗剪强度降低，将导致边坡失稳。

图2 边坡全貌照

图3 边坡典型横断面图(尺寸单位：m)

边坡处治措施为抗滑桩+桩间墙及框架锚索，其中抗滑桩位于坡体前缘，共17根，为了准确地掌握抗滑桩受力特征，在了解边坡地形地貌、工程地质、水文地质条件等基础上，采用分布式光纤传感技术对位于主滑方向的8号抗滑桩进行应变场的监测，抗滑桩参数见表1。

表1 抗滑桩参数取值表

2.2 分布式光纤监测布置

应变光缆在8号抗滑桩内的布置见图4。

图4 8号抗滑桩内光缆布设图

U1和U2分别为抗滑桩的迎山侧和背山侧的光缆回路。在钢筋笼施工期，将光缆绑扎在迎山侧和背山侧的受力主筋上，再通过BOTDA光纤调制解调仪接出。

8号抗滑桩的混凝土保护层厚度为7 cm,故绑扎在抗滑桩前后对称主筋上的光纤间距|x1-x2|为286 cm，U1、U2回路有效测试长度为18 m，距桩顶0.5～18.5 m范围内。混凝土浇筑完全固结时，应变光缆与抗滑桩实现同步变形。

2.3 光纤监测成果分析

抗滑桩浇筑成型后，截止至2020年10月30日，共有效监测5次，包含1次初始值。光纤调制解调仪采集到桩身不同深度的测试数据[13]，经式(1)换算，并借用MATLAB数值分析软件拟合出抗滑桩受力时相对应的应变曲线。

抗滑桩迎山侧和背山侧的桩身应变曲线图见图5。

图5 桩身应变分布曲线

根据抗滑桩应变监测结果可知：

1) 抗滑桩迎山侧U1整体为拉应变，峰值在桩身13 m位置，最大拉应变为650×10-6，表明在该位置抗滑桩受拉变形较大，应变随时间推移而呈增大趋势，在2020年8月25日受强降雨影响，应变增幅相对最大，之后趋于平缓。

2) 背山侧U2整体为压应变，峰值同样在桩身13 m位置，最大压应变为230×10-6，表明在该位置抗滑桩受压变形也较大。

3) 对比抗滑桩迎山侧和背山侧的应变曲线，迎山侧受拉，背山侧受压，两侧应变曲线分布规律基本吻合，表明光纤监测具有较高的可靠性。

3 抗滑桩内力分析

3.1 桩身弯矩剪力分析

首先对迎山侧和背山侧的应变作差值处理，代入式(5)得抗滑桩目前的内力分布情况，结果见图6。

图6 桩身内力分布

由图6a)可知，抗滑桩桩身弯矩基本为正值，在潜在滑面下2.8 m处弯矩最大，约50 MN·m，与传统悬臂桩的弯矩分布基本一致。

由图6b)可知，抗滑桩剪力在5.8～12.8 m桩身范围内为正值，在潜在滑面位置(10 m)附近剪力最大，约12.5 MN。桩身12.8～19 m段剪力与边坡潜在失稳方向相反，最大值为16 MN，表明抗滑桩受岩土抗力作用发挥抗滑作用。

3.2 抗滑桩工作状态评价

抗滑桩受弯变形，迎山侧和背山侧分别受到轴向拉应力和轴向压应力作用，根据应力-应变关系

σ=E·ε

(6)

抗滑桩的轴向应力可以由式(6)求得，其分布曲线见图7。

图7 轴向应力分布曲线

由图7可见：

1) 受拉区最大轴向拉应力为19.5 MPa，GB 50010-2015 《混凝土结构设计规范》可查C30混凝土的拉应力设计值为1.43 MPa，小于等效模量计算的拉应力，则由钢筋来承担拉应力，而抗滑桩所用受力主筋型号为HRB400，相对应的钢筋设计强度为360 MPa，所以抗滑桩的轴向拉应力远小于钢筋强度设计值。

2) 受压区最大轴向压应力为6.2 MPa，据GB 50010-2015 《混凝土结构设计规范》可查C30混凝土抗压强度设计值为14.3 MPa，混凝土发挥43.3%的作用。

由此可知，目前抗滑桩处于安全工作状态，且留有一定的安全储备。

4 结论

1) BOTDA光纤监测技术能快速、连续、高精度、分布式的获取抗滑桩的桩身应变信息，进而推算出抗滑桩的内力分布，抗滑桩桩身弯矩在潜在滑面以下2.8 m处弯矩最大，设计应加强此类位置的构造，提高桩身强度。

2) 通过对比分析抗滑桩的轴向应力与材料设计强度指标，发现抗滑桩现处于安全状态下，且留有一定的安全储备，需跟进监测。

3) 抗滑桩迎山侧与背山侧的监测数据表明，BOTDA光纤监测技术可靠性高，是目前抗滑桩可靠的应力应变监测手段之一。