削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究*

宋占璞 施 斌 汪义龙 严珺凡

（南京大学地球科学与工程学院 南京 210023）

削坡作用土质边坡变形分布式光纤监测试验研究*

宋占璞 施 斌 汪义龙 严珺凡

（南京大学地球科学与工程学院 南京 210023）

采用高空间分辨率的PPP-BOTDA光纤感测技术，研发出一种适合于土体变形监测的特种感测光缆。通过水平向和垂直向感测光缆植入，对边坡模型在坡顶局部加载和削坡过程土体内部变形场进行了分布式监测，获得了荷载和削坡作用下坡体变形场的分布规律，并对边坡模型进行了有限元数值分析和计算评价。分布式光纤感测技术监测结果表明：在坡顶局部加载作用下土体水平向拉张变形最大值发生在坡体中部，这与数值模拟结果一致；但在削坡作用下，坡体水平向拉张变形最大值发生在坡体上部，表明削坡作用改变了边坡模型的变形规律，上层土体在坡顶局部荷载作用下易发生倾倒变形。研究结果也表明，作者研制的特种感测光缆具有良好的感测性能，可以对土体变形场进行准确有效监测。

边坡 应变场 分布式光纤感测技术 削坡 荷载

0 引 言

在山区和丘陵地区修筑公路和铁路过程中，不可避免的需要对各类自然和人工边坡进行削坡，从而对边坡稳定产生影响，常常引起滑坡等地质灾害，给人们的生命和财产造成威胁。因此，许多学者对此进行了研究：El-ramly et al.（2005）提出利用反分析法研究削坡作用下边坡失稳的机理；Norris（2007）指出，切削斜坡构造或超固结黏土容易随着时间的推移软化，导致浅层边坡在1～1.5m的深度之内失稳；Morse et al.（2014）研究了非饱和土体的削坡破坏过程。但从这些研究成果来看，研究测量的手段主要采用一些点式传感器，因此，无法对土体内部变形场监测和深入分析，影响了对切削斜坡稳定性规律的认识。

在过去的几十年中，对于边坡内部土体变形监测，已经开发出了一些相应的监测手段。如倾斜计，通常用来监测斜坡失稳滑动，可以捕获潜在滑动面和斜坡变形的趋势（Dunnicliff，1993），但这一技术只能在边坡上有限布设，还不能全面地获得复杂水文地质条件下土体内部变形场的变化特点。近15年来，随着分布式光纤感测技术（简称DFOS）的发展，该类技术已应用于岩土工程的监测，取得了一批很好的成果（Zhang et al.，2004，2009；Zhu，2009）。该类技术与测斜计等传统的监测手段相比，具有十分明显的优势，主要体现在分布式、长距离、感测光缆尺寸小而不影响被测物的结构，弥补了常规点式监测手段的不足。光缆既具有感测性能又具有监测数据传输的功能，可以植入地质体及其相关结构中，通过各种等效转换方式（Zhu et al.，2014a），可监测岩土体应变场、温度场、位移场、水分场和渗流场等相关参数。Wang et al.（2009）研究表明，DFOS技术由于感测光缆细小，匹配性好，特别适用于实验室模型试验的分布式测试，他们利用的布里渊光时域反射测量技术（简称BOTDR）对一个小型边坡模型中的土工布和土工格栅的应变场进行监测，获得了很好的成果；Iten et al.（2008）运用布里渊光时域分析技术（简称BOTDA）对滑坡边界进行了精确定位；Zhu et al.（2014b）采用BOTDA技术对超负荷荷载作用下边坡的稳定性进行了试验研究，指出BOTDA技术精度完全满足模型试验要求，感测光缆及其植入方式需要进一步试验研究改进。

近年来，BOTDA技术得到快速发展，如脉冲预泵浦-布里渊时域分析技术（简称PPP-BOTDA），空间分辨率可达到5cm，应变感测精度达到±7.5με（Zhang et al.，2012）；而我国学者最近研发的差分双脉冲布里渊光时域分析技术（简称DDP-BOTDA），空间分辨率可达到2cm，应变感测精度达到±10.0με。这些解调技术的发展为DFOS在地质和岩土工程多场监测中的推广提供了技术保障。

本文采用高空间分辨率的PPP-BOTDA技术，研发出一种适合于土体变形监测的特种感测光缆；通过水平向和垂直向感测光缆网络植入，对室内边坡模型在加载和削坡过程中土体变形场进行了分布式监测，获得了荷载和削坡过程中坡体内部变形场的分布规律，并对边坡模型进行了基于试验条件的有限元数值计算分析，验证了监测结果的准确性。

1 PPP-BOTDA技术原理

图1 PPP-BOTDA感测原理图（Zhu et al.，2014b）Fig.1 Schematic diagram of PPP-BOTDA sensing principle（Zhu et al.，2014b）

在本文的边坡模型试验监测中，采用了PPPBOTDA技术。该技术利用了光纤中的布里渊散射光频率变化量与光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现感测。布里渊频移与光纤温度和应变存在线性关系，因此在调节两束光频率的同时，测量从光纤一段耦合出的连续光功率，可以得出传感光纤上各区域产生最大能量转换时的频率差，从而得到光纤受到应力与温度的信息（Horiguchi et al.，1989）。PPP-BOTDA通过改变泵浦光的形态，在测量的脉冲光发出前，增加一段预泵浦脉冲波来激发声子（Kishida et al.，2006），测量原理（图1）。

本文采用日本Neubrex公司生产的NBX-6050A型PPP-BOTDA光纳仪对分布式感测光缆网络进行监测，仪器参数如表1所列。从表中可以看出，5cm的空间分辨率和±7.5με的应变测量精度完全满足土体变形的测量要求。

表1 NBX-6050A测试参数Table 1 Typicalmeasuring parameters of NBX-6050A

2 边坡模型试验

为了验证PPP-BOTDA分布式光纤感测技术应用于边坡土体变形场监测的可行性，掌握坡顶局部荷载作用和削坡作用对边坡稳定性的影响，本试验制作了一个边坡模型，植入感测光缆网，在坡顶局部施加条形荷载，通过对比感测光缆监测结果与边坡土体变形计算结果来评价感测光缆与土体变形的协调性，并在此条件下进行削坡试验，观测边坡土体内部的变形规律。

2.1 模型箱与试验材料

本次试验中，模型箱长3.0m，宽1.5m，高1.5m，一个侧面为加肋的钢化玻璃，其余3个侧面和底面为加肋的10mm厚钢板（图2）。边坡的加载系统包括工字钢反力梁、千斤顶和传压板。试验土样的物理及力学性质参数（表2）。

图2 模型箱实物图Fig.2 Slope simulator stand

2.2 感测光缆与植入

在利用光纤感测技术测量土体变形试验中，应变感测光缆选择至关重要，它必须满足以下两个条件：（1）感测光缆在埋设和监测过程中确保避免断裂和损伤：（2）感测光缆与监测土体的变形应一致，确保监测数据的准确性。为此，在本次试验中，作者与苏州南智传感科技有限公司一起设计并研制了一种特种的感测光缆——2mm聚氨酯紧套感测光纤，它具有良好的强度和柔韧性，实验室测得该光缆的弹性模量为0.312GPa。为了提高传感光缆和土体之间的变形的协调性，采用4mm外径热收缩管用来提高感测光缆表面粗糙度（图3）。

表2 试验土料物理力学参数Table 2 Physical and mechanical properties of the test soil

图3 2mm聚氨酯紧套感测光缆Fig.3 Details of the test sensing cable

为了获取边坡模型在试验过程中土体的变形场，在边坡垂直向和水平向不同位置布设了感测光缆，光缆布设方案（图4）。边坡模型沿Z轴的50cm、90cm、120cm位置布设了3层水平向感测光缆，从上往下分别编号为H1，H2，H3层，每层感测光缆呈U型布设，并在感测光缆各层的特征位置分隔出1m左右长度的自由段光缆，用来定位和温度补偿。在坡体中轴剖面沿Y轴方向布设了4根垂直向感测光缆，分别位于距边坡模型箱左侧边界0.2m、0.4m、0.6m及0.8m位置，并编号为V1、V2、V3和V4。

2.3 模型制作与试验过程

在模型土料堆填过程中，每10cm土料击实一次直至模型堆填完成。模型堆填完成之后静置模型48h使试样在自重应力作用下与光缆充分耦合。通过模型箱反力梁装置，用油压千斤顶对一块放置在模型坡顶的长1.5m，宽0.2m，厚0.5cm的钢板进行加载，钢板右边界距离坡体前缘边界20cm。荷载分别为75kPa、150kPa、225kPa、300kPa、375kPa和450kPa。在坡顶荷载达到450kPa后，边坡模型仍然没有破坏，然后在坡顶荷载450kPa下坡脚进行削坡试验。每次削坡开挖10cm，至开挖30cm时，坡表出现裂缝；继续开挖至40cm，边坡滑塌。

图4 感测光缆网络植入图Fig.4 Details of the sensing cable net

3 坡顶加载数据分析

图5 在坡顶局部荷载作用下土体水平向变形数值模拟结果Fig.5 The calculate results of the X deformation field during the loadinga.边坡模型在加载450Pa时土体水平向变形；b.H1逐级加载作用下土体水平向变形c.H2逐级加载作用下土体水平向变形；d.H3逐级加载作用下土体水平向变形

为了分析边坡模型在坡顶局部荷载作用下的土体变形规律，使用了加拿大GEO-STUDIO软件SIGMA／W模块，建立了如图5a所示的数值计算模型。模型采用线弹性本构关系模拟土体在坡顶局部加载作用下的变形数值计算分析。设置模型左右边界x向位移和下边界x、y向位移为固定边界，所采用的材料参数（表3）。由于边坡模型在坡顶局部加载作用下的变形主要发生在坡面方向，因此作者重点分析该模型在水平方向上的土体变形过程。数值模型计算可得到坡顶逐级加载过程中，H1，H2，H3层中心剖面X轴方向上的土体位移曲线（图5b、图5c、图5d）。

表3 有限元分析参数Table 3 Parameters used in the finite element analysis

从图5中可以看出，随着荷载逐级增大，边坡模型土体垂直向和水平向变形均逐渐增大。坡顶局部加载作用下边坡垂直向产生土体体积压密变形；坡体水平向变形在荷载位置后部呈压缩状态，且随深度压缩变形逐渐减小，荷载位置前部土体呈拉张状态且随深度呈先增大后减小的趋势分布，坡体水平向最大位移出现在边坡土层中部（图5c）。

由于目前土力学中常用的一些数值模拟计算模型是将土体作为弹性连续介质来考虑的，而实际中土体是一种多孔非连续弹塑黏性介质。因此，本次试验数值模拟分析结果只能反映土体的一些变形规律，而不能反映土体变形的实际大小和滑动面等关键部位的特征。为此，需要开展物理模型试验研究和分析土体变形分布特征，进一步揭示土体变形场的规律，并与数值模拟结果相互验证。

加载作用下边坡模型水平向感测光缆应变分布（图6）。从图中可以看出，水平向感测光缆在加载作用下均呈拉应变分布，随着荷载的逐级增大，各层光缆的应变显著增大。图中两峰值之间的区域是自由段光缆，用以精确地定位感测光缆在边坡模型中的空间位置。H1，H2，H3层感测光缆在坡顶局部荷载逐级作用下的应变峰值（图6d）。分析图6d可以看出，坡顶局部加载作用下土体变形最大的区域出现在坡体中部（H2层），在坡顶局部荷载加至225kPa之后，随着荷载增加，H1，H2，H3层感测光缆的应变也呈线性增加，表明感测光缆与土体间具有良好的协调变形。以往的研究成果（Zhu et al.，2014a，2014b）表明，感测光缆周边土体围压越大，感测光缆与土体间的变形协调形越好，本次试验结果也证明了这一点。

图6 坡顶加载作用下感测光缆应变Fig.6 Strain distribution along different layers of the sensing cable under the loading a.H1层；b.H2层；c.H3层；d.各级荷载作用下感测光缆应变峰值

图7 a和图7b分别是H1，H2，H3层感测光缆和数值模拟在坡顶局部荷载达到450kPa时水平向变形的测量和模拟结果。从图中感测光缆实测结果可以看出，H1层和H3层的拉张变形均较小，而H2层拉张变形最大，与数值模拟结果图7b基本一致。模型左边界为固定边界，在坡顶荷载作用下，上部土层（H1，H2层）在荷载位置以左的土体水平向产生挤压压缩变形（图7b）。由于感测光缆为自由状态植入，未进行预拉，感测光缆没有获得该区域的水平向的压缩变形。

图7 感测光缆的测量变形与模拟数据对比Fig.7 Themeasured strain compared with the calculated strain under the loading a.加载450kPa时水平感测光缆测量土体变形；b.加载450kPa时水平向变形数值模拟结果

4 削坡试验结果分析

坡顶荷载达到450kPa后，边坡模型仍然没有破坏，然后在该荷载下坡脚进行削坡试验。削坡之前，由简化Bishop法计算获得的边坡安全系数为1.214。然后进行削坡开挖，每次开挖10cm宽，至开挖30cm时，坡表出现裂缝；继续开挖至40cm，边坡滑塌。试验中，在削坡至30cm是坡表上部出现裂缝，说明边坡局部土体已经破坏，滑动面开始发育，下部土体由于荷载的压密作用，并未出现拉张裂缝；当削坡至40cm时，滑动面形成，边坡土体已经完全失稳，观察到边坡模型土体出现圆弧形滑动面（图8）。

分析边坡模型中的水平向和垂直向感测光缆监测数据，可以得到削坡过程中边坡模型应变分布曲线如（图9）。由图9a可知，滑动面附近的水平向感测光缆受到拉张应力的作用，出现拉张应变，并随削坡进程边坡A区域内的土体水平向应变不断增大，其中位于A区域内的H1层感测光缆应变变化尤为显著，表明在本试验条件下，削坡作用改变了模型的变形规律，最大水平向变形区域并不出现在坡体中部，而是上移到了上部，这是因为坡脚的开挖导致边坡更不稳定。

图8 试验现场照片Fig.8 Photograph of the test

从图9b中可以看出，在削坡过程中，位于坡体后缘的垂直向感测光缆V1、V2几乎没有发生变形，而位于坡体前缘的V3、V4位置的传感光缆在削坡30cm时候，均出现了拉应变异常区域。将现场观察到的滑动面位置与水平向和垂直向的感测光缆应变异常区域对比发现，两者位置完全吻合，进一步证明了感测光缆监测的准确性和有效性。削坡过程中边坡模型的失稳过程同样通过平衡方程得到证实。采用简化Bishop法计算了该边坡在削坡至不同位置时的安全系数，结果（表4）。

表4 削坡过程中边坡安全系数Table 4 The safety factors of the slope during the excavation

由计算得出的边坡安全系数及感测光缆获得的监测结果对比可知：随着削坡的深入，边坡土体变形不断增大，滑动面逐渐形成，安全系数不断降低。削坡至30cm时，安全系数小于1.0，坡表出现裂缝；进一步削坡，边坡滑动面完全形成，模型破坏。

图9 削坡作用下感测光缆的应变分布曲线Fig.9 Strain distribution along different parts of the sensing cable under cut-slopea.水平向感测光缆应变分布曲线；b.垂直向感测光缆应变分布曲线

5 结 论

本文基于分布式光纤感测技术的优势，将新型应变传感光缆植入边坡模型土体内部，采用高空间分辨率的PPP-BOTDA光纤感测解调技术，对边坡模型在加载和削坡过程中土体内部变形场进行了连续监测，获得如下结论：

（1）研制的2mm聚氨酯紧套感测光纤，具有良好的强度和柔韧性，采用4mm外径热收缩管可提高感测光缆表面粗糙度，提高了传感光缆和土体间变形协调性。监测结果与数值模拟结果一致。

（2）在坡顶局部荷载作用下：在坡顶局部加载作用下土体水平向拉张变形最大值发生在坡体中部，这与数值模拟结果吻合。

（3）在削坡作用下：坡体水平向拉张变形最大值发生在坡体上部，表明削坡作用改变了边坡模型的变形规律，上层土体在坡顶局部荷载作用下易发生倾倒变形。

（4）数值模拟与监测结果的关系：有限元数值模拟反映的边坡模型在荷载和削坡作用下土体的变形规律在感测光缆的监测结果中得到了验证，说明了感测光缆监测的有效性和准确性。

本文研究成果基于室内模型试验的基础上获得的，在现场实际边坡监测中应考虑更多的制约因素。例如，感测光纤的铺设，更加坚韧的感测光缆研制等，这些问题有待进一步试验分析加以解决。

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ANALYSIS ON THE STRAIN-FIELD OF SOIL CUT SLOPE BASED ON DFOS TECHNOLOGY MONITORING

SONG Zhanpu SHIBin WANG Yilong YAN Junfan
（School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing 210023）

A slopemodelwas conducted in the laboratory and a special strain sensing cable was buried in the soil mass.The sensing cable strain at different position of the slopemodelwasmeasured by the pulse-prepump Brillouin optical time-domain analysis（PPP-BOTDA）technology during the loading and cut the slope.Then the test processing was simulated by the finite element analysis software Geo-studio.The measurement data under the loading have been analyzed to discuss the co-deformation between the sensing cable and the soilmass.The results show that the co-deformation was affected by the confining pressure significantly.The measurement data of the sensing cable during cut slope showed that there was strain concentration area in the soilmass.When the slope failed，the position of the sliding surface was consistent with the strain anomaly area of the sensing cable.The results provide a guiding to evaluate slope stability and perform early warning of landslides.

Slope，Strain-field，DFOS，Cut slope，Loading

P642

：A

10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.010

2015－10－12；

2016－02－02.

国家自然科学基金重点项目（41230636），国家自然科学基金（41372265）资助.

宋占璞（1989－），男，博士生，主要从事岩土工程光纤传感监测研究.Email：songzhanpu＠foxmail.com

施斌（1961－），男，博士，教授，博士生导师，从事工程地质和环境岩土工程研究.Email：shibin＠nju.edu.cn