岩土边坡滑移监测的复合光纤装置研究及其工程应用

摘要

我国三分二的国土面积为山区，山地灾害频发，其中滑坡是山地灾害中最常发生的一种地质灾害，平均每年发生滑坡灾害约8000起，经济损失上亿元。因此，如何提高对滑坡灾害的监测预报，减少滑坡灾害的发生，是我国地质安全工作的研究重点。本文在国家自然科学基金项目（51178488，51478066）的资助下，以本团队研发的复合光纤装置为研究对象，在团队前期的工作研究基础上，本文采用室内实验、理论分析、模型试验和数值模拟方法，分析岩质边坡和土质边坡不同的滑移特性，研究并确定复合光纤装置监测滑坡的机制及监测性能和适用性，及本文取得的主要成果如下：
　　①实施了36组、108次不同砂浆比、基材和截面尺寸的复合光纤装置监测边坡滑移室内实验，揭示了光纤损耗与加载点位移的曲线响应关系，并以最大位移和灵敏度为控制变量，基于模糊数学方法获得了不同基材的复合光纤装置的最优砂浆比。建立了不同基材复合光纤装置的光纤损耗与滑移位移的关系式，分别探究了适用于岩质边坡和土质边坡滑移监测的复合光纤装置。
　　②根据边坡滑移时复合光纤装置的受力状态，构建了复合光纤装置在滑面处的力学模型，并基于该模型分析了复合光纤装置在岩质边坡中的监测原理，最后通过与现场监测实验的对比分析，验证了本文揭示的复合光纤装置监测原理的合理性。
　　③实施了岩质边坡现场模型实验和复合光纤装置在实际岩质边坡工程中的应用，通过对测斜仪和复合光纤装置的监测数据的比较，发现复合光纤装置监测的数据和监测位移计算公式推算的数据是基本吻合的，即复合光纤装置用于岩质边坡滑移的监测是可行的。最后，根据岩质边坡现场监测数据分析了岩质边坡滑移演化过程，并利用 R/S分形分析方法对边坡滑移进行预测，其结果与位移累计曲线的结果也是基本一致。
　　④实施了复合光纤装置设置竖直和水平铺设情况下的土质边坡的室内模型试验，揭示了土质边坡滑移过程中的光损耗的响应机制，并基于该响应机制和土质边坡的变形特性，提出了一种以Mohr-Coulomb屈服准则和初期应力法相结合的边坡变形预测的数值解析方法。该方法既可应用于土质边坡服役期的长期监测，也实现了对建设中的填土边坡实施边施工边预测边修正的信息化施工的可能性。同时，室内试验结果也显示了边坡监测前自身变形过程的评估，以及实现了启动监测后风险预测功能。
　　⑤以重庆市巴南区污水管网建设工程四标段W297-W302段滑坡为监测对象进行现场实验。现场实验结果验证了优先选用强度及刚度较低的EPS泡沫基材的复合光纤装置监测土质边坡滑移的结论，并表明了复合光纤装置监测滑坡具有一定的可靠性。并通过对比分析数值解析的结果和现场监测数据，表明本文建立的边坡变形预测的数值解析方法是可行的。
　　本文以上研究成果可以用于岩质和土质边坡滑坡的监测预警中，为在边坡滑移监测预警中复合光纤装置的基材及周围灌浆比例的选择提供了理论依据，提高了边坡滑移的监测预警针对性和有效性。

目录

1 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.2边坡监测技术的国内外研究现状

1.3滑坡监测中的定性与定量判断

1.4 本文研究的主要内容和技术路线

2 光纤传感原理及复合光纤装置

2.1 光纤损耗机制

2.2 分布式光纤传感检测技术

2.3 复合光纤装置及其工作原理

2.4 本章小结

3 复合光纤装置监测边坡滑移机制室内实验

3.1 实验内容

3.2 实验结果与分析

3.3复合光纤装置监测原理

3.4复合光纤装置的标准与标定

3.5 本章小结

4 监测岩质边坡的工程应用

4.1 复合光纤装置监测实施方法

4.2 现场模型实验

4.3 工程应用

4.4 岩质边坡滑移演化过程分析

4.5 本章小结

5 监测土质边坡室内模型试验及其数值模拟

5.1 土质边坡模型试验

5.2 土质边坡滑移演化过程及其数值模拟

5.3 本章小结

6 监测土质边坡的工程应用

6.1 土质边坡工程概况

6.2 岩土参数确定

6.3 监测方案及其系统设计

6.4 监测结果

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文主要结论

7.2 主要创新点

7.3 下一步工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间参与的基金和项目

C. 数值模拟子程序