透明土边坡锚杆动态响应测试装置及边坡滑动面识别方法

1.本发明涉及岩土工程中的边坡监测装置，尤其涉及一种透明土边坡锚杆动态响应测试装置及边坡滑动面识别方法。


背景技术：

2.近年来，由于地震、暴雨等因素导致的滑坡、地基失效破坏和路基破坏等岩土工程的灾害屡见不鲜，造成了不可估量的经济损失，严重影响了人们的正常生活。锚杆加固作为最为普遍的加固措施之一，对欠稳固的岩土体起到了良好的加固作用，广泛应用于实际工程中。
3.目前主要采用振弦式和电阻式等传统的应变传感器来对锚杆进行监测，但在复杂岩土层地质条件下，由于岩土介质中受力的复杂性以及多变形，这几种传统传感器往往存在易受潮、抗干扰性差、耐久性差、长期稳定性不足的缺点，并且容易损坏造成监测数据缺失，难以满足智能远程监测的需要无法全面了解锚杆的变形特性，且难以实现锚杆的优化设计。
4.同时，在锚杆变形监测方面，现有技术无法进行实时、分布式、高精度监测。如何将ofdr技术合理高效的运用到边坡滑面及锚杆应力监测上，提高光纤传感器的存活率，保证光纤与锚杆协同变形，从而确保获得的应变监测数据的精确可靠，成为一个亟待解决的技术难题。
5.其次，为了更好的进行滑坡防治，对边坡滑动面位置的识别至关重要。在室内模型试验中，由于监测技术的局限性，目前对边坡滑面位置识别不准确，且通过现场勘察或数值模拟方法无法对滑动面的整体位置进行精确识别并给出准确定位，对滑坡防治工作的深入研究造成较大阻碍。


技术实现要素：

6.发明目的：本发明的目的是提供一种透明土边坡锚杆动态响应测试装置及边坡滑动面方法，以解决传统的振弦式、电阻式传感器易受潮、抗干扰性差、耐久性差、精度低，难以满足高精度监测的需要；现有的光纤传感器在布设、封装、锚杆打入的过程中存活率低、与锚杆协调变形情况差，难以实现对边坡锚杆应力的高精度监测；以及足尺试验过程土体情况不明导致难以对边坡滑动面识别的不足之处。
7.技术方案：本发明透明土边坡锚杆动态响应测试装置包括模型箱、加载组件和监测组件；
8.该模型箱内分层堆压形成透明土边坡，所述透明土边坡内打入有锚杆；
9.监测组件包括ofdr光纤数据采集仪、ofdr光纤数据处理与分析平台、固定夹具、布设在锚杆上的光纤传感器和分层埋设在透明土边坡内的光纤传感器；
10.锚杆端部设有固定光纤传感器的光纤缠线盘，锚杆尾部设有尾部缠线柱。
11.加载组件包括加载垫块、千斤顶和支撑框架，千斤顶通过加载垫块对透明土边坡
加载。
12.锚杆表面纵向开设有光纤布设槽，光纤布设槽上分布有注浆导流孔。
13.光纤缠线盘包括保护壳和绕线组件；绕线组件包括底盘、头部缠线柱、旋转盘、旋转轴承、光纤进线孔和光纤出线孔，旋转盘通过旋转轴承带动头部缠线柱旋转。
14.底盘和旋转盘之间开设有旋转卡孔，旋转盘通过固定在旋转卡孔内的插销与底盘连接。
15.固定夹具包括固定护套和卡扣，固定护套通过卡扣固定在锚杆上。
16.尾部缠线柱上开设有固定光纤传感器的凹槽。
17.本发明边坡滑动面识别方法包括以下步骤：
18.(1)在模型箱上架设支撑框架，在模型箱内将透明土分层堆填时，在每层透明土上挖出凹槽，将光纤传感器布设于凹槽内，然后用透明土回填压实形成透明土边坡，最后将光纤传感器从边坡顶部引出与ofdr光纤数据采集仪连接；
19.(2)根据锚杆的长度确定光纤传感器的长度，并将光纤传感器封装在光纤布设槽内；
20.(3)通过固定夹具将光纤传感器固定在锚杆上其中，固定夹具的护套的数量根据锚杆的长度进行调整；
21.(4)将光纤传感器的尾部缠绕于尾部缠线柱上；
22.(5)将光纤传感器的头部通过光纤进线孔进入光纤缠线盘内并缠绕于光纤缠线盘上，通过光纤缠线盘将光纤传感器固定，将保护壳和绕线组件固定；
23.(6)将光纤传感器从光纤出线孔引出，并将插销插入旋转卡孔内将旋转盘与底盘固定；
24.(7)在光纤布设槽上钻孔布设注浆导流孔，对锚杆进行注浆；
25.(8)将布设有光纤传感器的锚杆打入透明土边坡内，将铺设在锚杆上的光纤传感器连接至ofdr光纤数据采集仪，通过加载装置进行逐级加载，在每级加载中，根据光纤传感器监测到的锚杆的应变峰值及边坡土体的应变峰值确定边坡滑面的位置点。
26.步骤(8)中的光纤传感器监测到的锚杆的应变峰值及边坡土体的应变峰值位于边坡滑面上。
27.步骤(5)中，根据每级加载中监测到的边坡滑面的位置点绘制边坡滑面趋势线。
28.工作原理：ofdr(opticalfrequency domain reflectometry)光纤传感技术基于瑞丽散射，具有高精度、抗干扰、高空间分辨率、高灵敏度的优点，可用于损耗、断点以及分布式温度与应变传感的监测。本发明将ofdr技术应用于小应变、短距离的分布式监测，具体为，将ofdr技术应用于边坡滑面和锚杆的应力监测，来提高光纤传感器的存活率，保证光纤与锚杆协同变形，进而确保获得的应变监测数据的精确性。
29.有益效果：与现有技术相比，本发现具有以下优点：
30.(1)本发明通过对透明土堆填边坡进行试验，能够直接观察土体变形、开裂情况，对试验过程和试验进度能更充分掌控；结合边坡内部光纤传感器的布设，准确识别边坡内部土体应变变化，精确判断滑面位置。
31.(2)与传统监测手段相比，本发明具有分布式、高精度、环境适应性好、耐久性好、测量时间短、抗干扰、存活率高的优点，在锚固边坡加载试验过程中获取实时、连续、高精度
的应力应变数据，适用于锚杆应力的分布式监测，实现了边坡锚杆应力的高精度监测。
32.(3)与现有技术相比，本发明将光纤传感器紧密贴合于锚杆表面，实现与锚杆协调变形，配合动态ofdr光纤数据采集仪准确测得锚杆的应变数据。
33.(4)根据ofdr光纤数据采集仪的原理来对透明土边坡滑面进行分布式监测，通过尾部缠线柱的设计避免了ofdr应变采集仪自身原因导致的尾部噪声过大，提高了锚杆端部应力的监测准确率。
34.(5)利用设置在锚杆头部的光纤缠线盘，规避光纤在锚杆头部的悬空段而受预留段光纤自身重力及外力牵引导致的断裂，提高了光纤传感器的存活率；同时根据光纤的特点设计光纤缠线盘，便于跳线熔接操作及监测完成后的跳线、熔接点保护。
附图说明
35.图1为本发明透明土边坡锚杆动态响应测试装置结构示意图；
36.图2为本发明中的加载组件结构示意图；
37.图3为本发明的锚杆结构示意图；
38.图4为本发明的光纤缠线盘内部结构图；
39.图5为本发明的光纤缠线盘后视图；
40.图6为本发明的固定护套截面图；
41.图7为本发明的尾部缠线柱结构图。
具体实施方式
42.如图1所示，本发明透明土边坡锚杆动态响应测试装置包括模型箱23、加载组件和监测组件。其中，模型箱23为上端开口的方形箱体，该模型箱由亚克力板制作而成。加载土体采用透明土24，以便于通过肉眼观察土体变形情况。
43.监测组件包括布设在锚杆上的光纤传感器、分层埋设在透明土边坡内的光纤传感器、固定夹具、ofdr光纤数据采集仪2和光纤数据处理与分析平台3。其中，固定夹具包括固定护套11和卡扣21。
44.在模型箱23外围架设支撑框架28后，在模型箱23内通过透明土24堆填压实形成透明土边坡。分层堆填压实形成透明土边坡时，堆填压实一层透明土后，用铲子在土体表面挖出一条1cm深的凹槽，将光纤传感器1水平埋设于凹槽内，再用透明土进行回填，回填过程中注意压实土体，保证光纤与土体最大程度协调变形。通过该方法逐层水平布设光纤传感器1并将光纤传感器1从透明土边坡顶部边缘处引出，进而对坡体内部应变进行分布式监测。
45.如图2所示，加载组件包括加载垫块26，液压千斤顶27和支撑框架28，支撑框架28采用金属材料如铝合金进行一体化制作，保证液压千斤顶27在加载时整体结构稳固，对坡顶施加的动态荷载为稳定状态。通过加载垫块26保证加载作用面水平，减少试验误差。
46.如图3所示，根据锚杆长度确定光纤传感器1的长度，本实施例中，光纤传感器的头部预留3米，尾部预留0.5米。将光纤传感器1封装于光纤布设槽9上。光纤布设槽9开口直径小于光纤传感器1的直径，利用光纤传感器外护套的弹性保证光纤传感器布设进入槽内且固定牢固不松动，再通过卡扣21将固定护套11固定于锚杆上，卡扣21通过螺钉固定在锚杆上。固定护套11的数量根据锚杆22长度进行调整，固定护套11的布设间距为30-50cm。该光
纤布设槽9的横截面如图6所示，为圆弧状的凹槽。
47.在光纤布设槽9上设定间距来开设注浆导流孔10，且该注浆导流孔10贯穿光纤布设槽9。注浆导流孔10的间距根据锚杆22的长度进行调整，本实施例中，注浆导流孔的布设间距为5-10cm。在锚杆22的注浆过程中，浆体通过注浆导流孔10流入光纤布设槽9内内，保证锚杆内的钢筋与注浆体完全接触，确保锚杆22质量。本实施粒中的注浆方式采用压力注浆。光纤传感器布设于锚杆表面来实现对锚杆应力的分布式监测。
48.如图4所示，光纤缠线盘4包括保护壳19和绕线组件，二者通过螺纹旋转固定在一起。
49.绕线组件包括底盘16、头部缠线柱15、旋转盘6、旋转轴承17、旋转卡孔5、光纤进线孔18、光纤出线孔7、固定底盘14、尾部缠线柱13、旋转轴承17。其中，头部缠线柱15与旋转盘6一体成型，光纤通过光纤进线孔18进入光纤缠绕盘4内，并缠绕于头部缠线柱上15，从光纤出线孔7引出。保护壳19通过8螺纹固定于光纤缠线盘4上，避免线材直接暴露在外，受到额外施工干扰。旋转卡孔5与尺寸匹配的插销配套使用，在光纤缠绕阶段完全固定旋转盘6，便于将光纤缠绕于头部缠线柱15上。在注浆体养护阶段及监测间隔期保证光纤缠绕盘4内的光纤传感器不散乱，旋转轴承17保证抽出光纤时旋转盘6转动顺畅。尾部缠线柱13位于光纤布设槽9的尾部。
50.锚杆22的头部预留段光纤通过光纤缠线盘4进行缠绕保护，一方面防止预留段光纤直接暴露在施工环境中因弯折角度过大出现断裂，保证熔接跳线时留有足够长度的预留光纤，避免由于头部光纤预留长度不足无法进行后续熔接操作，提高了光纤布设的总体成功率；另一方面通过光纤缠绕盘4将光纤传感器有序缠绕，防止光纤缠绕混乱而导致熔接操作困难，利用内部旋转盘的设计，在熔接跳线时取出设定长度光纤并利用旋转卡孔5固定剩余光纤，防止光纤传感器由于自身弹性回缩拉断熔接点，提高了熔接成功率。当一阶段的监测工作完成后，拧开保护壳19将光纤熔接点缠绕进光纤缠线盘4内保护。
51.如图5所示，头部缠线盘上的连接螺纹20与螺纹8匹配，二者在后续施工阶段通过旋转固定在一起，避免光纤出线段受到破坏。在缠绕预留段光纤时也将保护壳和绕线组件分离，便于光纤的缠绕和保护壳19的装卸。
52.如图6所示，光纤传感器1封装于光纤布设槽9内，在将光纤传感器1封装于光纤布设槽9内前将光纤传感器1紧绷拉伸。固定护套11通过卡扣21及螺钉12二者共同固定于锚杆22上，进一步防止固定护套在锚杆22打入过程中受外力而损坏；同时预先使用卡扣将固定护套固定，防止护套在上螺钉过程中产生错动。
53.如图7所示，尾部缠线柱13上开设有凹槽，光纤传感器缠绕在该凹槽上，并通过胶带进行固定封装。通过尾部缠线柱13的设计，保证了锚杆22尾部预留足够长度的光纤传感器。当接入ofdr光纤数据采集仪进行应力监测时，从源头上避免了由于ofdr采集仪自身导致的有效数据段尾部噪声过大，进而影响整体测量精度，对锚杆22的应变应变信息判断产生干扰的问题，进一步提升了进行锚杆22应力监测的稳定性。
54.由图1可见，布设在土体内部及锚杆表面的光纤贯穿边坡滑面25，根据分布式光纤监测得到的土体和锚杆应变数据，以及应变峰值的光纤长度进而判断锚杆和土体的应变峰值位置，光纤传感器监测得到的锚杆及边坡土体的应变最大值都位于边坡滑面上，即确定边坡滑面25的位置点。最后结合多个边坡滑面25位置点，描绘出边坡滑面25的趋势线。
55.当锚杆22受上部施加荷载产生应力时，ofdr光纤数据采集仪2实时测试光纤波长变化并转化为锚杆22的应力、应变和轴力变化的数值，通过多次监测，得到锚杆应力应变随坡顶加载变化的变化图。
56.通过光纤数据处理与分析平台3对ofdr光纤数据采集仪2传输的数据进行处理与分析，将光学信号转化为应力应变信息，便于进行直观分析。
57.本发明透明土边坡滑动面识别方法包括以下步骤：
58.(1)在模型箱23上架设支撑框架28，在模型箱内将透明土分层堆填时，在每层透明土上挖出凹槽，将光纤传感器1布设于凹槽内，然后用透明土回填压实形成透明土边坡，最后将光纤传感器从边坡顶部引出与ofdr光纤数据采集仪连接；
59.(2)根据锚杆的长度确定光纤传感器的长度，传感器的头部和尾部预留尺寸；将光纤传感器进行预拉伸，避免布设过程中出现松弛弯曲；将光纤传感器封装在光纤布设槽内；
60.(3)通过固定夹具将光纤传感器固定在锚杆上，其中，固定夹具的护套11的数量根据锚杆的长度进行调整；
61.(4)将光纤传感器的尾部缠绕于尾部缠线柱13上，并用尼龙扎带将尾部光纤传感器固定；
62.(5)将光纤传感器的头部通过光纤进线孔18进入光纤缠线盘4内并缠绕于光纤缠线盘上，通过光纤缠线盘将光纤传感器固定，将保护壳和绕线组件固定；
63.(6)将光纤传感器从光纤出线孔7引出20cm，并将插销插入旋转卡孔5内将旋转盘与底盘固定；
64.(7)在光纤布设槽9上钻孔布设注浆导流孔10，对锚杆进行压力注浆；
65.(8)将布设有光纤传感器的锚杆22打入透明土边坡内，在锚杆打入过程中防止锚杆一端悬空所导致的弯曲角度过大，保持锚杆平直打入钻孔中，防止光纤传感器随锚杆过度弯曲而断裂；将铺设在锚杆上的光纤传感器一端连接至ofdr光纤数据采集仪2，连接好液压千斤顶27，通过加载装置施加动态荷载，通过光纤传感器1进行边坡滑面25的位置和锚杆22应力的监测，随坡顶动态荷载逐渐增大，边坡沿边坡滑面25出现相对滑动趋势。在每级加载中，根据光纤传感器监测到的锚杆及边坡土体的应变峰值确定边坡滑面25的位置点。在监测结束后，将跳线及熔接点缠绕至光纤缠绕盘4中进行保护，以备下次监测。