[发明专利]一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的岩土体稳定性监测技术

说明书

技术领域

本发明涉及重大工程健康监测领域及信号检测技术，尤其是实时无线远程监测工程岩土体的稳定性和一种针对光纤光栅锚索应变状态进行监测的方法及装置。 

技术背景

重大工程建设与运营中常常伴随着滑坡、崩塌、溃堤、基坑失稳等重大工程灾害的发生，这类灾害作为多发性灾害，具有突发性强、危害性大、治理难度高的特点，如不能对其变形破坏演化过程和行为做出准确的预警预报并采取针对性的应急处置措施，将导致对工程安全的重大威胁，并造成不可估量的生命财产损失和巨大的社会影响。本专利涉及的重大工程安全监测中岩土体稳定性监测研究一直是备受国内外工程地质领域关注的前沿课题。从20世纪60年代开始，先后经历了现象预报和经验方程预报、统计分析预报、非线性预报以及综合预报、实时追踪动态预报等几个阶段。 

据不完全统计，目前国内外学者已提出了数十种岩土体失稳的预报模型、方法及一系列预报判据。但是大量的实践表明，现有的岩土体失稳预报模型和判据对岩土体内部的变形演化行为、具体的发生时间和最危险破坏面的位置做出非常准确的预报有较大难度。这主要是由于岩土体具有较强的个性特征，其变形演化行为与其所处的环境条件及土体地质结构密切相关，而现行的预报模型较少能考虑到这些个 性特征，主要是依靠数学推演来得到的预报模型，其适宜性和预报的准确性具有一定的局限性。 

因此，本发明在原有的一种远程实时监测滑坡的系统与方法，和一种光纤光栅锚索长期工作状态的监测方法的基础上，设计了一种结合了摄动与光纤光栅耦合方法的监测技术，可以实现对岩土体滑动力的实时监测，及时准确地得知其内部不同深度的状态信息，从而发现失稳危险，并预测出最危险破坏面的位置。 

本技术适用于水利水电、道路交通和市政工程等领域中的边坡、隧道、基坑、堤坝等工程岩土体监测。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有的工程岩土体失稳预警需求，提供一种实现对工程岩土体稳定性的实时在线监测预警，同时准确预测破坏面位置的技术。 

为达到本发明的目的，采用的技术方案如下： 

一种基于摄动-光纤光栅耦合方法的工程岩土体稳定性监测技术，包含：传感装置、采集发射装置、远程接收分析装置。 

下面详细介绍各部分的具体组成与功能： 

1.传感装置包括摄动监测与FBG监测两个子系统，由监控锚索、荷载式传感器、光纤布拉格光栅传感器、光缆组成。其中准分布式的光纤光栅传感器焊接(或粘贴)在锚索上，用光缆串接好，并做好整条光缆线路的保护封装措施；光缆在地面上的末端接上尾纤(APC/FC接口)。监控锚索的一端穿越破坏面、锚固在破坏面以下的岩土体上， 另一端位于地面外，根据现场情况和传感装置要求施加相应的预紧力；在锚索地面外端头部位安装荷载式传感装置，由该传感装置对锚索预应力信号予以传感。此传感装置既能及时捕捉到发生失稳前岩土体中的应力变化，又能监测到岩土体内不同深度的位移分布，从而推算出其最危险破坏面的位置。工作原理根据子系统的不同分成两部分阐述。 

(1)摄动监测系统以力的平衡原理为基础，建立失稳岩土体的滑动力与监控锚索预应力及破坏面摩阻力的关系之间，并通过远程监控系统监测锚索预应力的变化，在岩土体有明显变形、即将失稳时，及时监测和捕捉岩土体中的应力变化。应力与岩土体强度相互作用产生变形和位移时，后者应力的变化可以超前于变形判断其稳态。这样，就可以比直接监测位移更及时、更准确的监测滑动块的整体信息，因而可以更准确及时的监测工程岩土体稳定性，预防岩土体失稳的危害。其力学模型如图3所示。 

图3.b所示力学三角形力的关系如下 

滑动摩阻力  F_φ＝(P_n+G_n)□tgφ+c□l    (3-1) 

极限平衡状态有 

∑X＝0 

P_t+F_φ-G_t＝0 

G_t＝P_t+F_φ

由此可得滑动力-摄动力公式 

G_t＝P□[cos(α+θ)+sin(α+θ)□tgφ]+G□cosα□tgφ+c□l    (3-2) 

设计准则P＝(0.25□0.5)□P_max

预警准则P＝(1.4□2.0)□P_max

式中：P——设计荷载，kN