CN106049399B - 一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法 - Google Patents

一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，包括如下步骤：在地基不同深度处横向开槽、埋入分布式应变感测光纤并回填土；采用加载装置在置于地基土表面的承压板上分级施加荷载；利用光纤解调设备测量光纤在不同荷载下的应变值；通过插值画出地基土体应变云图，并判断地基破坏形式；采用双曲线函数对荷载–特征点应变曲线(即p‑ε曲线)进行拟合并求出地基土体的极限承载力值。本发明与传统方法的不同在于采用分布式光纤感测技术对地基内部的变形进行高精度、全自动、分布式的监测，通过监测结果可以直观、迅速地判断地基的破坏形式并确定地基土体的承载力。

Description

一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力 的方法
技术领域
本发明涉及工程地基与光纤感测领域，特别是一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法。
背景技术
地基的破坏形式主要有整体剪切破坏、局部剪切破坏以及冲剪破坏：地基整体剪切破坏的特征是当荷载达到极限荷载时，基础急速地下沉，侧边的地基土向上隆起，地基形成连续的滑动面；局部剪切破坏的地基，基础两侧地面略微隆起，剪切破坏区仅被限制在地基内部某一区域内，不形成延伸至地面的连续滑动面；冲剪破坏的地基，地基不出现连续的滑动面，基础侧边地面不出现隆起，因为基础边缘下地基的垂直剪切而破坏。传统的地基变形监测方法主要有几何水准观测法、静力水准观测法以及不动杆法。这些方法不仅存在误差大、效率低、监测数据量小等问题，而且无法获取地基内部土体的变形信息，因而难以对地基的破坏形式作出准确的判断。
目前确定地基承载力的方法主要有三类：原位试验法、规范查表法以及理论公式法。这三种方法中以静载荷试验为代表的原位试验法最为直接和可信。在静载荷试验过程中通常记录施加的荷载量p以及在对应荷载下的地基沉降量S，画成荷载–沉降曲线(即p-S曲线)，进而根据曲线形态确定地基土体的承载力。虽然地基在不同的破坏形式下其p-S曲线线型有一定的差异，但这些差异却不足以区分地基的不同破坏模式，其结果容易受人为主观判断的影响。
近年来分布式光纤感测技术发展迅速，在岩土体变形感测中的应用也越来越多。借助光纤布拉格光栅(FBG)等准分布式技术，以及布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等全分布式技术，我们可以自动获取沿整根光纤长度方向上应变、温度等监测信息的分布情况。与传统监测方法相比，分布式光纤感测技术具有数据采集量大、采样间隔小、所得结果精度较高、适合长距离监测等优点，所以在岩土变形监测领域具有广阔的应用前景。当前一个时期，分布式光纤感测技术在边坡、隧道、堤坝等岩土工程结构中的应用日益增多，但是国内外尚未见到有采用该技术确定地基破坏形式和承载力的报道。
发明内容
本发明的目的是，提供一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，包括如下步骤：
(1)采用开槽器在地基土表面开一条长5m、宽10cm、深3m的槽，从槽的底部开始由下向上按1m的间隔逐层埋入S型布设的分布式应变感测光纤，每布设一层光纤回填1m土，继续布设下一层，直至布设完成所有3层光纤；所述光纤为全分布式应变感测光纤或刻有光纤布拉格光栅的准分布式应变感测光纤；
(2)在所开槽的正上方放置一块长×宽×高为100cm×50cm×10cm的刚性承压板，并采用千斤顶分荷重级施加荷载；所述承压板的长边与光纤铺设方向平行；
(3)利用光纤解调设备采集、记录步骤(1)所述应变感测光纤在不同荷载下的应变值；所述光纤解调设备是全分布式光纤解调仪或准分布式光纤布拉格光栅解调仪；
(4)对监测得到的应变读数进行插值，并画出地基土体在不同荷载下的应变云图，从而判断地基破坏形式；
(5)作出荷载–特征点应变曲线(即p-ε曲线)，采用双曲线函数对曲线进行拟合，并求出地基的极限承载力值。
进一步地，所述的步骤(1)中，采用将光纤盘绕在特制的开孔塑料盒内的方法，在每一层光纤均设置1m长的光纤冗余段，以起到光纤精确定位和温度自补偿的双重作用；
进一步地，所述步骤(4)中，根据云图上土体压应变分布的特征判断地基属于整体剪切破坏、局部剪切破坏或者是冲剪破坏；若承压板两侧地表有明显的压应变集中，则判断地基属于整体剪切破坏；若压应变集中在承压板下方某一区域内未延伸至地表，则判断地基属于局部剪切破坏；若地基土体以拉应变为主，压应变只在小范围内集中，则判断地基属于冲剪破坏。
进一步地，所述的步骤(5)中，选择距加载板中心点最近的光纤应变为特征点应变；再采用双曲线方程对p-ε曲线进行拟合并求出m、n，则即为地基土体的极限承载力值；
本发明的有益效果：采用本发明所述方法，可以实现对地基内部土体变形的高精度、全自动、分布式监测，克服了传统方法效率低、误差大、监测数据量小等问题；对获得的监测数据进行插值并绘制应变云图，可直观、迅速地对地基的破坏形式进行判断，避免了通过传统的p-S曲线判断地基的破坏形式；而通过对荷载–特征点应变曲线(即p-ε曲线)进行拟合，可求出地基土体的极限承载力值。
附图说明
图1为分布式应变感测光纤监测地基破坏形式的示意图；(a)整体剪切破坏；(b)局部剪切破坏；(c)冲剪破坏。
图2是本发明实施例中H1层在各级荷载下的光纤应变数据；
图3是本发明实施例中在250kPa荷载下由光纤感测数据插值得到的地基应变云图(拉应变为正)；
图4是本发明实施例中的p-ε曲线；
图5是本发明实施例中曲线的线性拟合结果以及求得的地基土体承载力值。
具体实施方式
本发明公开了一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，在本发明中，通过在地基中埋入分布式应变感测光纤获取地基内部土体的变形信息，并确定地基的破坏形式和承载力。结合附图和优选实施例对本发明作更为具体的描述。
实施例1：
(1)某待测黏土质地基，采用开槽器开长5m、宽10cm、深3m的槽。在距地表3m处沿着槽铺设直径为1.2mm的分布式应变感测光纤；回填1m土并压实，继续铺设光纤；再回填1m土并压实，铺设另一段光纤；回填土至地表并压实。从上至下，将三层光纤分别记为H1、H2、H3。采用将该段光纤盘绕在特制的开孔塑料盒内的方法，在每一层光纤均设置1m长的光纤冗余段，以起到光纤精确定位和温度自补偿的双重作用。
(2)将分布式应变感测光纤连接至BOTDA光纤解调仪。本实施例所采用的BOTDA解调仪由日本Neubrex公司生产，型号为NBX-6050。空间分辨率与采样间隔分别设置为5cm与1cm。
(3)选用长×宽×高为100cm×50cm×10cm的刚性承压板，然后采用千斤顶在承压板上分级施加荷载(50kPa、100kPa、150kPa、200kPa、250kPa、300kPa)，光纤解调设备自动采集不同荷载下的土体应变值，如图3所示。
(4)采用MATLAB对监测得到的应变读数进行插值，并画出地基土体的应变云图，如图4)所示。承压板两侧有明显的压应变集中且延伸至地表，所以判断该地基属于整体剪切破坏。
(5)作出荷载–特征点应变曲线(即p-ε曲线)，此处特征点选取为距离承压板中心最近的点，如图5所示。将改写为并采用线性拟合，拟合得到m＝0.00280、n＝1.35。所以该地基土体的极限承载力pult＝1/m＝357kPa。
需要说明的是，除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，包括如下步骤：
(1)采用开槽器在地基土表面开一条长5m、宽10cm、深3m的槽，从槽的底部开始由下向上按1m的间隔逐层埋入S型布设的分布式应变感测光纤，每布设一层光纤回填1m土，继续布设下一层，直至布设完成所有3层光纤；所述光纤为全分布式应变感测光纤或刻有光纤布拉格光栅的准分布式应变感测光纤；
(2)在所开槽的正上方放置一块长×宽×高为100cm×50cm×10cm的刚性承压板，并采用千斤顶分荷重级施加荷载；所述承压板的长边与光纤铺设方向平行；
(3)利用光纤解调设备采集、记录步骤(1)所述应变感测光纤在不同荷载下的应变值；所述光纤解调设备是全分布式光纤解调仪或准分布式光纤布拉格光栅解调仪；
(4)对监测得到的应变读数进行插值，并画出地基土体在不同荷载下的应变云图，从而判断地基破坏形式；
(5)作出荷载–特征点应变曲线即p-ε曲线，采用双曲线函数对曲线进行拟合，并求出地基的极限承载力值。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，采用将该段光纤盘绕在特制的开孔塑料盒内的方法，在每一层光纤均设置1m长的光纤冗余段，以起到光纤精确定位和温度自补偿的双重作用。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，根据云图上土体压应变分布的特征判断地基属于整体剪切破坏、局部剪切破坏或者是冲剪破坏；若承压板两侧地表有明显的压应变集中，则判断地基属于整体剪切破坏；若压应变集中在承压板下方某一区域内未延伸至地表，则判断地基属于局部剪切破坏；若地基土体以拉应变为主，压应变只在小范围内集中，则判断地基属于冲剪破坏。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤感测地基变形、确定地基破坏形式与承载力的方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，选择距承压板中心点最近的光纤应变为特征点应变；作出荷载–特征点应变曲线即p-ε曲线，其线型符合双曲线方程将其改写为并采用线性拟合求出m、n，则即为地基土体的极限承载力值。
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