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边坡加固锚杆分布式光纤监测与分析

摘要：分布式光纤传感器具有分布式、连续性、长距离、耐久性、抗干扰和轻细柔韧的特点，在边坡应变监测方面具有良好的发展前景。论文利用粤赣高速公路K3边坡的监测数据，从时间、空间两方面，采用作应变-时间点线图和剖面应变等值线图的方法分析该坡的应变分布特征。

关键词：边坡 锚杆 BOTDR 分布式光纤监测

Slope fiber reinforced bolt Distributed Monitoring and Analysis

Abstract: Anti-jamming

Key Words: Slope, Bolt, BOTDR, monitoring

目 录
第一章 绪论 1
第二章 BOTDR分布式光纤监测技术 4
2.1 布里渊散射 4
2.2 基于布里渊时域反射技术（BOTDR）的分布式光纤传感技术 4
2.3 光纤应变的计算方法 5
第三章 粤赣高速公路路堑边坡分布式光纤监测工程概况 7
3.1 监测对象 7
3.2 锚杆应变分布光纤监测方案 7
3.3 监测内容及周期 8
第四章 监测结果分析 9
4.1 应变-时间点线图分析 9
4.2 应变等值线图分析 12
第五章 总结及存在的问题 15
参考文献 16
致谢 17

第一章 绪论
边坡系统是一个复杂的开放系统，其演变过程中不断地与周围环境进行物质和能量交换。边坡既受变形力学机制、岩土体物理力学性质变化等内动力的控制，又受环境条件，如地应力、气候、地下水位、人为开采、支护等外力的影响，且各种内外动力作用都是动态变化的，致使边坡的变形十分复杂，表现出非线性系统的行为特征。如暴雨引起地下水位上升改变了边坡的力学平衡条件，减弱了岩土体的力学强度，从而使得边坡的变形加快，边坡的稳定形状恶化，周期化的天气变化引起边坡变形发生忽大忽小的复杂变化[1]。
边坡的变形是非常复杂的，总体来说具有以下基本特征：边坡的变形表现为卸载回弹和蠕变两种主要方式。边坡形成过程中，由于坡面卸载，坡体内积存的弹性应变能释放，使坡面向临空方向位移，引起卸载回弹。卸载回弹是由岩体中积存的内能作功所造成的，所以一旦失去约束的那一部分内能释放完毕，这种变形即告结束，大多在成坡以后于较短时期内完成。
边坡蠕变是在以自重应力为主的坡体应力长期作用下发生的一种缓慢而持续的变形，这种变形包含沿原有结构面的拉张和剪切变形及产生一些新的表生破裂面。坡体随蠕变的发展而不断松弛，波及范围可以相当大[2]。
卸载回弹和蠕变变形使坡体原有结构松弛，在集中应力作用下，还可产生一系列表生结构面，或改造一些原有结构面。一旦出现贯通的破坏，边坡岩土体沿贯通的破坏面分割发生变动，边坡进入破坏阶段[3]。
[4][5][5]
但一直以来，制作锚杆的材料首选钢材，而钢材的锈蚀问题日益成为影响锚固体系安全性和耐久性的突出问题，特别是在一些腐蚀性严重的山区，以及地下水富集的软土地区，钢材的锈蚀问题更加严重。[6]解决这类问题的传统做法是在钢材的表面喷涂防腐剂，或是改变钢材的物理化学成分提高钢材的耐腐蚀性，但是这种做法一方面会增加锚杆安装操作的复杂性，另一方面会提高工程的成本造价。因此，有必要寻求其它的解决途径。钢筋混凝土结构中如果设计得当、结构合理、施工质量可靠，在正常环境条件下具有良好的耐久性。但当上述条件不满足时，常常会因为钢筋的锈蚀而影响结构使用性能、耐久性和安全性。GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer)是玻璃纤维增强聚合物的缩写。GFRP作为一种新型材料, 具有良好的抗腐蚀性、耐久性好、抗拉强度高，等于甚至优于预应力钢筋；自重轻，只有预应力钢筋重量的 15%～20%；低松弛性，荷载损失小；优良的抗疲劳特性等优点。目前已应用于桥梁、公路、混凝土加固中。可以将 GFRP 筋材作为岩土锚杆，在岩土工程加固中使用。由于锚杆的使用环境、受力条件和一次性使用等特点,可以预见,用GFRP锚杆替代传统的钢筋锚杆用于边坡工程加固的做法,将具有广阔的应用前景[7]。
为了检验锚杆加固效果，需要对锚杆加固后的轴力进行监测，目前常用的检测手段有：钢筋应力计、电阻应变片、差动式应变计等电测式技术。但这些技术存在①对应力集中部位的测量不够准确；②监测点有限，容易漏检；③输出信号小，易受干扰等缺点[8]，难以满足野外长期监测的要求。
光纤传感技术是随着光通信技术和光纤技术的成熟而发展起来的一种新型传感技术。与传统检测技术相比，光纤传感技术具有如下特点：
1) 分布式：自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测成功率。
2) 长距离：现代的大型或超大型结构通常为数公里到数十公里(如地铁)，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，而通过铺设光纤，光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测。
3) 耐久性：传统的岩土工程监测一般采用应变片监测技术，应变片易受潮湿失效，不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃，与金属传感器相比具有更大的耐久性。
4) 抗干扰：光纤是非金属、绝缘材料，避免了电磁、雷电等干扰，况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低，对光波无干扰。此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。
5) 轻细柔韧：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设[9]。
分布式光纤传感器除了具有以上的特点外，其最显著的优点是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测的成功率。分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外部的环境因素较敏感的部位以获得良好的监测结果[10]。
第二章 BOTDR分布式光纤监测技术
2.1 布里渊散射
布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果。这个传播的压力波等效于一个以一定都度VB（且具有一定频率ΩB）移动的密度光栅，因此，布里渊散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光ωs与入射光ωL、压力波ΩB满足相位匹配条件，即ωL=ωs+ωL(对光栅来说，就是对应于满足布喇格（Bragg）衍射条件)时，此频率的散射光强度为极大值。而由于散射介质的声波频率ΩB与其温度、压力等因素有关。因此 ，通过检测最强散射光的频率就可以间接地知道散射介质的温度、压力等情况。
2.2 基于布里渊时域反射技术（BOTDR）的分布式光纤传感技术
布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图2-1 所示

图2-1 BOTDR的应变测量原理图
如上所述，为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR 需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的VB 分布。BOTDR 的测量原理与OTDR（Optical Time-Domain Reflectometer）技术很相似,脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR 的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图2-1 中（B）所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至BOTDR 的距离Z 可以通过式(2-1)计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图，如图2-1 中（C）所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑兹形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移VB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。
（2-1）
其中，c 为真空中的光速；n 为光纤的折射率；T 为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。
2.3 光纤应变的计算方法
图2-2是布里渊频移与光纤应变之间的线性关系，图2-3是布里渊频移与温度之间的线性关系。线性关系的斜率取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定，即要确定式（2-2）中的和C值。
光纤的应变量与布里渊频移可用下式表示：
（2-2）
其中，是应变为时的布里渊频率的漂移量；
是应变为0时的布里渊频率的漂移量；

应变（％）
图2-2 布里渊频移与应变的线性关系
为比例系数，约为493MHz (/ % strain)；为光纤的应变量。

温度（℃）
图2-3 布里渊频移与温度的线性关系

从图2-2和图2-3我们可以发现温度对布里渊频移的影响要远远小于变形的影响，如果温度变化不大，温度的影响可以忽略不计。当温度变化较大，可以采用式（2-3）进行温度补偿。
（2-3）
其中，为温度影响系数，约为1.2MHz/K；
为温度变化；
其他与式（2-2）相同。
第三章 粤赣高速公路路堑边坡分布式光纤监测工程概况
3.1 监测对象
国家重点工程粤赣高速公路K3＋ 728 ～K3＋ 904右线右侧路堑边坡和K28+320～K28+490右线右侧边坡采用GFRP锚杆加固，为了能够准确地得到在公路施工过程中以及后期运营的过程中锚杆的加固效果和边坡的变形规律，实现长期监测与滑坡预警，本着准确、高效、低成本的原则，拟采用振弦式钢筋应力计和分布式光纤传感技术相结合，对GFRP锚杆的变形及受力情况进行监测。
本次监测的对象是粤赣高速公路第一标段K3+728～K3+904右线右侧路堑边坡的加固GFRP锚，共10根，分别布设在边坡的第一、二、三级坡上，监测锚杆在K3边坡的布设位置图如图3-1所示。

本次研究的主要内容是监测高速公路在施工过程中及后期运行期间沿锚杆轴向的应变分布情况，以及采用分布式光纤技术监测边坡深部变形的可行性。
3.2 锚杆光纤监测方案
为了确保分布式光纤传感器的安装成活率和监测数据的有效性，需要将传感光纤粘贴在高强GFRP锚杆的表面，使光纤能够很好地与锚杆耦合，并采用一系列保护措施，具体安装工艺分为以下几个步骤：
（1）沿锚杆的轴向刻槽，槽的宽度为2mm，深度为2mm，如图3-2所示；
（2）修整刻槽，并用蘸有丙酮的棉纱清洗，确保无异物残留或颗粒突出，以免光纤在后期铺设中受到坡坏；
（3）使用环氧树脂将普通的Φ900通信光纤施加一定的预应力后粘贴于锚杆的轴向槽内；
（3）采用PU管和波纹管对未被环氧树脂覆盖的光纤进行双重保护。

图3-2 锚杆横断面示意图

图3-3 传感光纤与GFRP锚杆耦合示意图
光纤在锚杆上的位置如图3-3和图3-4所示。图3-2为锚杆横断面示意图；图3-3为传感光纤沿锚杆轴向的布设方式以及与钢垫板和螺母的耦合示意图。
3.3 监测内容及周期
2005 年01 月17 日，完成对第一标段K3+728～K3+904 右线右侧路堑边坡的10 根GFRP 加固锚杆的安装，进行了第一次数据测量，并以此次测量结果作为后期监测的基准值。随后，间隔一个月左右进行一次监测，并在雨季增加测量次数。
第四章 监测结果分析
4.1 应变-时间点线图分析
以时间T为横坐标，应变ε为纵坐标，分别对位于K3坡的坡顶坡脚以及各级子坡的坡顶坡脚的锚杆作孔深0.5米、1米、2米和4米等深度的应变与时间关系点线图，如图4-1—图4-4所示：

图4-1 K3-01、K3-02应变时间关系点线图
K3-01号锚杆位于K3边坡的三级坡的坡顶部位，K3-02号锚杆位于K3边坡的三级坡的坡脚部位，K3-02锚杆应变普遍大于K3-01锚杆，0.5米处较明显，1m和2m处相差不大。锚杆0.5m处应变大于1米处，1米处大于2米处，0.5m与1m的应变相差较大，1米和2米处相差不大。K3-02锚杆的0.5米处的应变在2005年7月10日最大，最大值达3239με。2005年10月和11月应变有所减小，但变化幅度不大。

图4-2 K3-03、K3-04应变时间关系点线图
K3-03号锚杆位于K3边坡的二级坡的坡顶部位，K3-04号锚杆位于K3边坡的二级坡的坡脚位置，K3-04锚杆的应变普遍大于K3-03号锚杆，0.5米处较明显，1m、2m和4米处相差不大。锚杆0.5m处应变大于1米处，1米处大于2米处，2米处大于4米处，0.5m与1m的应变相差较大，1米和2米处相差不大，2米和4米处差异更小。K3-04锚杆的0.5米处的应变在2005年4月18日到2005年9月7日显著增大，05年9月7日应变最大，最大值为670με。2005年10月和11月应变有所减小，但变化幅度不大。

图4-3 K3-07、K3-08应变时间关系点线图
K3-07号锚杆位于K3边坡的一级坡的坡脚部位，K3-08号锚杆位于K3边坡的一级坡的坡顶位置，K3-07锚杆的应变普遍大于K3-08号锚杆，0.5米处较明显，1m、2m和4米处相差不大。锚杆0.5m处应变大于1米处，1米处大于2米处，2米处大于4米处，0.5m与1m的应变相差较大，1米和2米处相差不大，2米和4米处差异更小。K3-07锚杆的0.5米处的应变在2005年4月18日到2005年9月7日显著增大，05年9月7日应变最大，最大值为1069με， 2005年10月和11月应变有所减小，但变化幅度不大。

图4-4 K3-01、K3-06应变时间关系点线图
K3-06号锚杆位于K3边坡的坡脚部位，K3-06锚杆应变普遍大于K3-01锚杆，0.5米处较明显，1m和2m处相差不大。锚杆0.5m处应变大于1米处，1米处大于2米处，0.5m与1m的应变相差较大，1米和2米处相差不大。K3-07锚杆的0.5米处的应变在2005年4月18日到2005年7月10日显著增大， 2005年7月10日应变最大，最大值达1928με， 2005年10月和11月应变有所减小，但变化幅度不大。
综合以上分析可得出以下几点结论：
（1） 坡脚锚杆的应变量比该级子坡坡顶应变值大，孔口表现尤为明显，随着深度的增大，这种差异会减小；
（2） 锚杆孔口应变量较大，随着深度的增大，应变值会减小，且应变变化速率也随深度的增大而减小；
（3） 锚杆应变有季节性变化的特点，最大应变出现在7月到9月，11月左右应变会有所下降，达最大值前应变变化幅度较大，而后应变变化幅度较小。且孔口应变变化大于孔底的应变变化。7月到9月份为当地雨季，可见，锚杆应变与降雨有一定的相关关系。
4.2 应变等值线图分析
为了能更直观地分析边坡应变随时间空间变化的分布特征，对K3-01～K3-04、K3-06五个根锚杆取2005年4月21日、2005年10月14日和2006年5月23日的三组数据分别作K3-01～K3-06剖面的应变等值线图。作图方法为：使用AutoCAD软件，画出剖面和K3-01～K3-04、K3-06五根锚杆，分别在这五根锚杆上取出应变为0、100、200、300……的点，然后用平滑的曲线把各应变相等的点连起来，从而得到该剖面的应变等值线图：

图4-5 2005年4月21日K3边坡剖面应变等值线图

图4-6 2005年10月14日K3边坡剖面应变等值线图

图4-7 2006年5月23日K3边坡剖面应变等值线图
从以上3幅等值线图，可以直观地看到一些共同特征：
1．坡脚锚杆的应变量大于坡顶锚杆的应变值，一级坡和三级坡表现尤为明显；
2．一级坡和三级坡应变较大，而二级坡应变较小；
3．从孔口到孔底，锚杆应变值减小，且减小的幅度也减小。
把三幅图对比起来看，可以看出，从2005年4月21日到2005年10月14日K3坡整体的应变增大幅度很大，而2005年10月14日到2006年5月23日应变有所增大，但变化幅度不大。从而验证了前面得出的结论：
锚杆应变有季节性变化的特点，最大应变出现在7月到9月，达最大值前应变变化幅度较大，而后应变变化幅度较小。
第五章 总结及存在的问题
以上的BOTDR检测和分析结果表明：BOTDR监测技术用于边坡应变监测是可行的，也是十分有效的。文中提出的分布式光纤应变监测铺设方案是成功的，铺设技术也是可行的。
BOTDR作为一项分布式光纤应变监测技术，还有许多技术问题不断需要解决。如：可以设计使用应变数据自动读数记录仪，从而实现对边坡的长期连续监测，更好的反映边坡的变形情况。
另外对于该边坡的变形特征的控制因素，尤其是为什么会出现一级坡和三级坡的应变较大，且一级坡和三级坡的坡脚的应变特别大，而二级坡应变较小，是还需要研究的新的课题。