劉倩萁，張孟喜，洪成雨,2

(1.上海大學土木工程系，上海 200444；2.深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060)

土工合成材料在公路、鐵路等路基工程中得到了廣泛應用[1-2]。通過加入筋材使土體承載能力得到提高的方法稱為土工加筋技術[3-4]。近年來，對加筋方式及加筋邊坡穩(wěn)定性的研究比較廣泛[5-6]，加筋土邊坡中筋材的變形研究已取得一些進展，顯示筋材的變形對邊坡承載力具有很大影響。

很多學者對土工格柵進行了數值模擬，Wang等[7]通過二維離散元程序，得到了土工格柵/土界面間力的傳導機理。胡衛(wèi)國等[8]通過建立FLAC3D數值模型進行模擬，結果表明雙向格柵效果優(yōu)于單向格柵。在數值模擬之外，對于筋材變形的試驗研究主要通過應變片等傳統測量工具進行監(jiān)測，測量精度及準確性仍無法提高。楊慶等[9]通過小比尺模型試驗，運用應變儀采集數據,總結了土工格柵在土中的力學特性。張發(fā)春[10]通過土工格柵加筋土擋墻的現場試驗，運用位移計測量繪制出了筋材變形沿橫斷面的分布曲線。傳統測量工具的自身剛度較大，難以與被測物體協調變形，使得試驗結果誤差較大。

近年來，以光為載體，集傳感與傳輸為一體的光纖傳感技術逐漸興起。顧春生等[11]將光纖傳感技術應用在地裂縫的量測，為地裂縫研究提供了新的方法與手段。朱趙輝等[12]將光纖光柵應用于圍巖變形的連續(xù)監(jiān)測中，實現了大尺度的位移分布監(jiān)測。劉永莉等[13]將光纖傳感技術用于巖溶土洞的監(jiān)測中。光纖傳感器相較于傳統傳感器, 具有質輕和靈敏度高等優(yōu)點，易與被測體協同變形，能夠安全地進行遠距離測試，應用于邊坡工程具有獨特的優(yōu)勢。朱鴻鵠等[14]基于分布式光纖感測的邊坡模型試驗研究，提出一種通過監(jiān)測坡體應變分布來實現邊坡穩(wěn)定性評估的新方法；丁勇等[15]設計了一種光纖傳感網絡，推算得出了邊坡的表面變形；李煥強等[16]運用光纖光柵傳感技術有效解決了邊坡模型的坡體變形監(jiān)測困難的問題；張燕君等[17]基于光纖傳感原理，提出了一種邊坡監(jiān)測與報警系統。光纖傳感技術在邊坡工程中的應用主要集中于坡面或坡體的變形監(jiān)測，由于缺乏有效的封裝保護技術，運用光纖傳感器對土工格柵變形及受力的直接測量研究較少。

本文結合光纖傳感技術的高靈敏度、高精度等優(yōu)點，提出了既能保證光纖傳感器與土工格柵協調變形，又能延長光纖傳感器使用壽命的封裝方法，適于推廣與應用?；诖朔庋b方法，預先將光纖傳感器安裝于土工格柵之上，通過室內土工格柵加筋邊坡模型試驗，選取加筋層數和筋材布設方式作為變量，研究了土工格柵的變形和受力，提高了土工合成材料變形量測的精度與準確性。

1 光纖傳感器

1.1 光纖傳感基本原理

本文所采用的布拉格光纖光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)具有一定柵距，通過反射特定波長的光來實現測量。由于光纖的特定位置被制作成折射率周期分布的光柵，當光束射入光柵時，只有特定波長的光能夠被反射，這個特定波長即為中心波長λb：

λb=2nΛ

(1)

式中：λb——中心波長，即布拉格波長；

n——光纖纖芯的有效折射率；

Λ——光柵之間的間隔長度，即光柵周期。

當光柵受力產生應變時，間隔長度的改變量為ΔΛ，帶入式(2)為：

Δλb=2nΔΛ

(2)

應變?yōu)椋?/p>

(3)

1.2 傳感器的封裝

光纖的主體是纖細的玻璃纖維材料，若將其直接置于土體中極易折損，導致傳感系統的失效，因此在投入使用前需進行封裝保護。

圖1所示為經本次設計封裝后的土工格柵，由于變形監(jiān)測部位的光柵區(qū)長度為10 mm，因此采用長10 mm、直徑1.5 mm的PVC套管進行保護，并用環(huán)氧樹脂按一定的間距沿土工格柵纖維平行粘貼；由于光柵區(qū)外的光纖起到傳輸作用，為防止試驗加載中發(fā)生破壞，用直徑2 mm的套管保護。本次試驗測量的是筋材的單向變形及受力，實際工程中可同時封裝兩組相互正交的光纖群，形成縱橫交錯的傳感網絡，進而進行立體監(jiān)測。此封裝技術不僅能保證光纖傳感器與土工格柵協調變形，同時也有效保護光纖傳感器，延長其使用壽命。

圖1 封裝后的土工格柵

1.3 傳感器的標定

按照1.2節(jié)所述方式封裝完成后，在正式測量前還需對光纖傳感器進行標定，一方面是用于后續(xù)的變形和受力計算，另一方面是用于檢驗傳感器受拉時的中心波長是否呈線性變化。本文的標定試驗分為裸纖傳感器標定和封裝于土工格柵上的傳感器標定。

對裸纖傳感器的標定流程為：將光纖一端置于桌面上并用膠帶固定，另一端自然垂放在試驗臺側面，待波形圖穩(wěn)定后加載20 g砝碼，共加載5次，每次靜置20 s，隨后按照同樣頻率進行卸載，波長變化結果如圖2所示。運用最小二乘法擬合得到波長變化與光纖伸長量間關系，光纖傳感器在受拉時的中心波長呈現出良好的線性關系，擬合結果如圖3所示。

圖2 裸纖標定結果

圖3 裸纖伸長量與波長關系曲線

對封裝于土工格柵上光纖的標定過程為：通過萬能機對封裝后的土工格柵進行拉伸，采集傳感器實測波長與拉力試驗結果，關系曲線如圖4所示，此標定結果將用于推算現場實測的格柵內力。

圖4 拉力與波長關系曲線

光纖光柵解調儀能夠采集pm級的波長變化，因此光纖傳感器能夠識別微小應變，本次模型試驗中的格柵變形微小，采用光纖傳感器感測精度較高。光纖傳感器的性能參數[18]包括靈敏度、分辨率以及量程[19]。試驗所用解調儀的采集精度為2～3 pm，同時根據圖3和圖4的線性結果，可得本次試驗的變形與受力測量量程分別為1 mm、9 830 N；靈敏度分別為0.000 1 mm/pm、1.2 N/pm；最小分辨率分別為0.000 3～0.000 4 mm、2.5～3.7 N。

2 模型試驗

2.1 試驗材料

試驗中的填料為福建標準砂，通過室內常規(guī)土工試驗，測得砂土的物理性質指標見表1。

土工格柵因其強度高、整體性好等特點而被廣泛應用于加筋路堤等結構中。本次試驗采用的雙向土工格柵，其材料為高強度滌綸工業(yè)長絲，經編定向織造網格坯布，經PVC涂覆，性能指標見表2。

表1 砂土物理性質指標

表2 土工格柵性能指標

2.2 試驗設備

本次試驗裝置分為壓力裝置、模型箱以及數據采集裝置。壓力裝置采用的是CTM8050微機控制電子萬能材料試驗機，通過壓縮速度控制壓力效果，并能直接采集力的變化數據。試驗所用模型箱的尺寸為600 mm×300 mm×400 mm，兩側為厚25 mm的透明高強鋼化玻璃側壁，便于在加載過程中觀察邊坡變形情況。試驗采用的數據采集裝置為型號FT910的光纖解調儀及配套采集處理軟件。

2.3 試驗方案

本次試驗以邊坡模型為對象，對用于加筋的土工格柵進行光纖傳感器的封裝，改變加筋層數及筋材的布設方式，對邊坡施加法向應力直至破壞。結合標定公式計算得到本次試驗中各測點的應變及受力大小，通過進一步分析格柵的應變-荷載曲線、坡面變形與格柵變形的關系、承載力與格柵受力的關系研究土工格柵的加筋特性。

根據試驗變量，共分為四組，具體工況見表3。圖5(a)所示為邊坡模型示意圖，每層土工格柵布設2個光纖傳感器(1#、2#)，圖5(b)為傳感器布設示意圖。

表3 試驗方案

圖5 邊坡模型示意圖(以三層加筋為例，單位：mm)

3 試驗結果與分析

3.1 土工格柵應變特性

數據記錄自開始直至加載荷重到達邊坡極限承載力，隨后邊坡開始發(fā)生破壞，承載力不再增加。圖6所示為各工況下的土工格柵測點處應變與加載荷重的關系曲線。

由圖6可知，土工格柵在上部荷載施加后即產生變形。垂直方向上，最大應變位于頂層的1#位置，最小應變位于底層的2#位置。由于邊坡在豎向荷載的作用下，上部土體有向下運動的趨勢，頂層格柵由于最接近于坡頂的加載位置，在荷載作用下被張拉開，應變較大；同時，土體在上層格柵的加筋作用下形成結構層，上部荷載被重新分配，將上部荷載傳遞到主要加載區(qū)之外，避免基底應力集中現象的出現，使得下部筋材的應變較小。水平方向上，均有1#位置的格柵應變大于2#位置的格柵應變，即位于加載區(qū)域正下方范圍內的筋材應變大于靠近坡腳位置處的筋材應變。但對于不同工況，同層測點間的應變差異程度有所不同，說明加筋層數及筋材的布設位置對水平方向上的格柵應變存在影響。

當加筋層數不同時，對應位置處，兩層加筋情況下的筋材應變大于三層加筋情況下，說明三層筋材能更好地分擔土體的內力，這與文獻[9]的結論一致。此外，各組中土工格柵最大應變?yōu)?.2%，遠小于土工格柵自身的延伸率，土工格柵未完全發(fā)揮作用；因此在實際工程中，考慮到材料的經濟合理性，應根據筋材材料的延伸率、加筋時的變形程度，合理選用、布置筋材。

當筋材的布設間距較小時，筋材與其間土體所形成的局部區(qū)域剛度更大，因此邊坡的極限承載力更高。但是間距較小時，兩層筋材均位于邊坡內中上部區(qū)域，第二層筋材下的中下部分土體無筋材加固，邊坡的整體性更低。而間距較大時的下層筋材位于邊坡內中下部區(qū)域，邊坡的整體性更高，因此在加筋的過程中間距較小的筋材應變變化更大。

3.2 坡面法向累計位移與格柵變形關系分析

圖7～8分別為兩層、三層、四層加筋下坡面法向累計位移和測點處格柵最大變形的情況。

圖6 土工格柵應變與荷載關系曲線

圖7 坡面法向累計位移

由圖7所示的坡面法向位移結果可以看出，各組中坡面法向累計位移由上至下逐漸減小，中上部分的法向累計位移遠大于邊坡下部。由圖8所示的格柵測點處最大變形結果可以看出，各組中位于相同層間位置的格柵，其變形隨著加筋層數的增加而減小。

分析圖7～8的試驗結果，發(fā)現：三層加筋時格柵的最大變形為0.085 mm，較兩層加筋減少了30.4%，坡面Ⅰ、Ⅱ號位置的側面法向位移分別為3.863 mm、1.352 mm，較兩層加筋分別減少了24.77%、24.81%。四層加筋時的筋材最大變形為0.08 mm，較兩層加筋減少了34.46%，坡面Ⅰ、Ⅱ號位置側面法向位移分別為3.511 mm、1.265 mm，較兩層加筋分別減少了31.62%、29.64%。各組中Ⅲ號位置處的法向位移相差不大。

上述說明加筋層數的增加使得各層格柵的變形得到分擔，同時也限制了坡面的法向位移。然而，通過分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號位置處坡面法向位移發(fā)現，加筋尤其可以減少邊坡中上部分的側面法向位移，而對邊坡下部的限制作用不明顯，四層加筋較三層加筋的效果更好。這是因為加入水平筋材后筋材與土體之間的摩阻力使得路堤的側向變形減小，即格柵的最大變形減小；此外，三層加筋較兩層加筋，增加的筋材位于邊坡中部位置，且下層筋材距坡頂較遠，荷載引起的土體擴散效應逐漸減小，從而下層筋材變形及坡面位移更小。

3.3 邊坡極限承載力及筋材受力關系分析

表4為各工況的邊坡極限承載力。對三種不同加筋層數工況分析，四層加筋的邊坡極限承載力較兩層、三層分別增加94.4%、20.8%；對兩種不同加筋間距工況進行分析，間距50 mm的邊坡極限承載力較100 mm的提高了12.5%。

圖9為各工況中每層筋材的受力大小，為了方便比較受力分布的差異，圖中的筋材受力大小均為豎向荷載為4 000 N時的所測值。

可以看出，上層筋材拉力大于下層筋材，靠近邊坡中心筋材的拉力大于靠近坡腳處拉力，這與本文3.1節(jié)中應變的變化規(guī)律一致。此外，同一工況中，各層的1#與2#位置的筋材拉力差異相差不多；但比較不同工況能夠發(fā)現，改變筋材數量及布設，坡內中上部分筋材的受力變化大于下層筋材。針對這種現象本文認為由于荷載引起對周圍土體的擴散效應逐漸減小，從而下層筋材受力變小，分擔效果差，因此當筋材的間距增大時，除頂層外的筋材位于邊坡下部，而下層筋材的加固效果較弱，因而邊坡的極限承載力也會下降。

表4 邊坡極限承載力結果

4 結論

(1)垂直方向上，越接近坡頂，格柵應變越大；水平方向上，加載點下方范圍內的筋材應變大于靠近邊坡坡腳位置處的筋材應變。

(2)隨著加筋層數的增加，各層格柵的變形和受力得到分擔，同時限制了坡面的法向位移，尤其可以減少中上部分的坡面法向位移和筋材受力，而對邊坡下部的限制作用不是很明顯。

(3)加筋間距較小時，邊坡的極限承載力更大；加筋間距較大時，由于荷載引起對周圍土體的擴散效應逐漸減小，下層筋材受力變小，邊坡的極限承載力也較低。

(4)通過本文的封裝方式和標定方法，光纖傳感器能夠與筋材協同變形，得到精確穩(wěn)定的監(jiān)測結果，證實了本文封裝、標定以及光纖傳感器用于格柵變形量測的可行性。