吳 涵 朱鴻鵠③ 周谷宇 施 斌 蘇立君

（①南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京210023，中國）

（②中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610041，中國）

（③南京大學(xué)（蘇州）高新技術(shù)研究院，蘇州215123，中國）

0 引 言

巖土體的剪切破壞是地質(zhì)工程領(lǐng)域較為常見的誘災(zāi)機(jī)制，常常會(huì)導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫，以及各種巖土工程構(gòu)件的變形和損壞，如管道屈曲、結(jié)構(gòu)體開裂等，嚴(yán)重威脅人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)巖土體剪切變形的監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估已逐漸成為亟待解決的重要課題。傳統(tǒng)的巖土變形監(jiān)測(cè)技術(shù)以光學(xué)測(cè)量技術(shù)為主，雖然監(jiān)測(cè)范圍廣泛，但無法獲取巖土體內(nèi)部實(shí)際位移。逐漸成熟的接觸式電測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)能一定程度上彌補(bǔ)對(duì)巖土體內(nèi)部剪切變形監(jiān)測(cè)手段的缺失，但也存在傳感器成活率低、耐久性和長期穩(wěn)定性差、監(jiān)測(cè)密度低等不足（Dunnicliff，1993）。

分布式光纖傳感技術(shù)是一種以光為載體，光纜為媒介的新興測(cè)試技術(shù)，由于其精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、長距離的多場(chǎng)監(jiān)測(cè)（施斌，2017；施斌等，2019），這種技術(shù)被越來越多地用于滑坡（Sun et al.，2014）、隧道（Shi et al.，2003；Klar et al.，2014）、地基基礎(chǔ)（朱鴻鵠等，2010；雷文凱等，2018）和基坑（隋海波等，2008）等一系列工程項(xiàng)目?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)施中的光纜布設(shè)方式通常分為鉆孔布設(shè)法、淺表溝槽布設(shè)法和結(jié)構(gòu)體布設(shè)法，可用于監(jiān)測(cè)巖土體或結(jié)構(gòu)體的變形穩(wěn)定性（Iten，2008；柴敬等，2012；Wu et al.，2015；Suo et al.，2016；Zhu et al.，2017；Zhang et al.，2018年）。

分布式光纖感測(cè)技術(shù)應(yīng)用于巖土變形監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵在于保證光纜本身與被測(cè)對(duì)象的變形一致性，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全實(shí)時(shí)、高精度的分布式監(jiān)測(cè)。對(duì)于這一耦合變形問題，國內(nèi)外學(xué)者均做了一些有益的探索。例如，日本工程師Sugimoto et al.（2001）開展了模型試驗(yàn)，使用鐵板對(duì)碎石土和砂土組成的路堤模型進(jìn)行剪切，分布式應(yīng)變傳感光纜很好地監(jiān)測(cè)到了剪切面的形成演變過程。Zhang et al.（2014）通過光纜在土中的拉拔試驗(yàn)，分析了光纜－土體界面的力學(xué)特性，進(jìn)而提出了兩者變形耦合的3個(gè)階段；李博等（2017）在土條彎曲試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在小變形時(shí)埋入式光纜和土體耦合性能較好，纜－土耦合性能可以用應(yīng)變傳遞系數(shù)來定量描述；柴敬等（2013）發(fā)現(xiàn)當(dāng)模型巖層下沉變形量在0～4.985mm間時(shí)，醋酸乙烯塑料封裝的光纖傳感器與變形的相關(guān)性高，此后靈敏度大幅下降，但仍能反映巖層的移動(dòng)變形狀態(tài)。在瑞士，Iten et al.（2008）和Hauswirth（2011）先后對(duì)光纜在大尺度剪切工況下的響應(yīng)模式進(jìn)行研究，相關(guān)結(jié)論對(duì)其工程應(yīng)用有著很好的啟發(fā)性。

在巖土工程實(shí)踐中，通用的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)是位移量，因此使用分布式應(yīng)變傳感光纜監(jiān)測(cè)巖土剪切位移時(shí)，需要在考慮變形耦合性的基礎(chǔ)上，建立一個(gè)應(yīng)變－位移的轉(zhuǎn)換模型。光纜能否準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)土體剪切的真實(shí)位移，極大程度地取決于該種轉(zhuǎn)換模型的擬合程度。為了解決這一問題，SPM、LPM、logistics生長曲線等相繼被提出并應(yīng)用于滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析（Iten et al.，2008；李博等，2015；Zhang et al.，2018年），但這幾種模型的不足在于所需參數(shù)較多，且不易確定。

本文開展了基于光頻域反射（OFDR）和粒子圖像測(cè)速（PIV）技術(shù)的土體剪切試驗(yàn)，定量分析了剪切工況下埋入式光纜的應(yīng)變演化，提出了應(yīng)變－位移的轉(zhuǎn)化模型，并對(duì)光纜和土體之間的耦合性能提出初步的評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了分布式光纖監(jiān)測(cè)土體剪切變形的可行性，為該技術(shù)在巖土工程中的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 監(jiān)測(cè)原理及方法

1.1 OFDR光纖監(jiān)測(cè)原理

光纖中的散射光譜如圖1所示，分布式光纖傳感技術(shù)依據(jù)散射光受外界環(huán)境影響的特性行使其監(jiān)測(cè)作用（施斌等，2019）。布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）、布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）等技術(shù)基于布里淵散射光原理，空間分辨率低，適用于測(cè)試距離長、精度要求不高的應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)；利用光纖中的拉曼散射光，可以建構(gòu)分布式溫度傳感（DTS）系統(tǒng)；光頻域反射（OFDR）、光時(shí)域反射（OTDR）均基于瑞利散射，是目前最尖端的光纖傳感技術(shù)，其中OFDR與OTDR相比，具有更高的空間分辨率和信噪比。目前商用的OFDR解調(diào)儀可以在傳感長度50im范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)1imm的空間分辨率，應(yīng)變傳感精度達(dá)到±1.0με，完全滿足巖土剪切變形精細(xì)化監(jiān)測(cè)的要求。

圖1 光纖中的散射光譜Fig.1 Spectrum of the scattered light in an optical fiber

OFDR傳感技術(shù)的基本原理是通過捕捉光纖中背向散射光與前向散射光的差異，測(cè)量光纖傳輸過程中由于散射、吸收等原因產(chǎn)生的損耗。當(dāng)光纖內(nèi)部某點(diǎn)的應(yīng)變或溫度發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量到的傳輸損耗量與這個(gè)擾動(dòng)之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系（顧一弘等，2009），可通過下式計(jì)算得到光纖的應(yīng)變量及其沿長度方向的分布情況：

式中：ε為光纖應(yīng)變；ΔL為光纖的變形量；L為光纖原長；tstr為光纖變形后的延遲時(shí)間；tref為光纖變形前的延遲時(shí)間；c為光速；N為光纖的折射率；k為應(yīng)力光學(xué)校正因子，k值需在每次測(cè)試前通過預(yù)加應(yīng)變來進(jìn)行標(biāo)定。

1.2 PIV技術(shù)監(jiān)測(cè)原理

PIV是一種通過圖像測(cè)量位移的攝影測(cè)量技術(shù)。其基本原理是對(duì)初始圖片選取一小塊搜索區(qū)域，根據(jù)其圖像的灰度、紋理等特征，在后續(xù)圖片中依據(jù)相關(guān)性算法進(jìn)行區(qū)域的搜索并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，并將相關(guān)系數(shù)為峰值的區(qū)域判定為變形后的區(qū)域（Stanier et al.，2015）。與傳統(tǒng)的點(diǎn)式位移測(cè)量技術(shù)相比，PIV技術(shù)具有高精度、非接觸、全面性等優(yōu)點(diǎn)，只需通過圖片即可獲得目標(biāo)的位移矢量分布。本文利用PIV技術(shù)獲取土體剪切變形過程中表層剪切帶的分布及其變化情況，從而與光纖監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1.3 應(yīng)變－剪切位移計(jì)算方法

在采用分布式應(yīng)變傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)土體的剪切變形時(shí)，一般將封裝保護(hù)過的應(yīng)變傳感光纜垂直于事先預(yù)估的土體剪切面埋入土體中（Zhang et al.，2018），本文據(jù)此設(shè)計(jì)了如圖2所示的試驗(yàn)裝置。通過移動(dòng)位移臺(tái)使得剪切試驗(yàn)盒內(nèi)的土體發(fā)生逐級(jí)增大的剪切位移。隨著土體緩慢變形，埋入式應(yīng)變傳感光纜也在相應(yīng)地受拉變形。當(dāng)光纜和土體的耦合性能良好時(shí)，兩者變形一致，土體剪切位移量與光纜的應(yīng)變測(cè)值之間存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，據(jù)此即可由后者反算前者。

圖2 土體剪切試驗(yàn)原理圖Fig.2 Schematic diagram of the soil shear test

國內(nèi)外相關(guān)的研究顯示，直埋式光纜和周圍土體的相互作用是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，光纜的應(yīng)變測(cè)值和真實(shí)的土體變形之間有著一定的應(yīng)變損失，且影響因素眾多，因此至今沒有很好的從應(yīng)變換算剪切位移的解決方案（Iten et al.，2008；李博等，2015；Zhang et al.，2018）。本文借鑒了地面沉降監(jiān)測(cè)中的應(yīng)變積分法思路（吳靜紅等，2017；施斌等，2018），通過計(jì)算光纜所測(cè)應(yīng)變沿其長度方向的積分值（在小變形的假設(shè)下，該值即光纜的軸向伸長量）來推算土體的剪切位移，兩者之間的比值記作纜－土剪切耦合變形系數(shù)，為一無量綱數(shù)，其表達(dá)式為：

式中：d為土體發(fā)生的剪切位移；ε為沿光纜伸長方向上的應(yīng)變值，為與x有關(guān)的函數(shù)；a為應(yīng)變積分的上限，及剪切變形影響區(qū)的邊界；Lo和Ld分別為土體變形前、后的光纜長度。纜－土剪切耦合變形系數(shù)K實(shí)際表征的是光纜伸長量隨土體剪切位移發(fā)展而增大的斜率，可通過室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)確定。需要指出的是，當(dāng)纜－土變形開始不協(xié)調(diào)（即發(fā)生滑脫時(shí)）時(shí)，K值迅速下降，此時(shí)根據(jù)光纜應(yīng)變讀數(shù)無法準(zhǔn)確計(jì)算土體的剪切位移。這一時(shí)刻的剪切位移限值為ds，光纜的應(yīng)變積分值即為纜－土界面的滑脫位移限值ΔLs。

在應(yīng)用上述應(yīng)變積分法間接計(jì)算土體的剪切位移時(shí)，要注意K、ds和ΔLs的取值受到多種因素的影響，如光纜的直徑和材料、是否設(shè)置錨固點(diǎn)，土的粒徑級(jí)配、含水率和壓實(shí)度，上覆壓力等。以下通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)對(duì)此問題進(jìn)行定量分析。

2 室內(nèi)剪切試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)置

室內(nèi)剪切試驗(yàn)設(shè)置如圖3a所示。剪切盒長50icm、寬25icm、高20icm，對(duì)稱分為左右盒，左盒底部較右盒高，以螺釘固定于試驗(yàn)臺(tái)上；右盒底部設(shè)置滾珠滑軌，用位移臺(tái)逐級(jí)緩慢推動(dòng)右盒，使盒內(nèi)的土體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)剪切，右盒背部安裝兩個(gè)百分表以測(cè)量實(shí)際剪切位移。盒內(nèi)土體高度為17icm，在填土?xí)r分層布設(shè)應(yīng)變傳感光纜（圖3b）。光纜共分3層（z＝5icm、10im、15icm，從低到高分別標(biāo)記L、M、H層），除L-1段外其他光纜均為光滑光纜，L-1的光纜段均勻設(shè)置4個(gè)熱縮管式錨固點(diǎn)（圖3b、圖3c）。所用熱縮管外層為柔軟輻照交聯(lián)聚烯烴材質(zhì)、內(nèi)層為熱熔膠材質(zhì)，取出其內(nèi)置的增強(qiáng)不銹鋼棒后截?cái)酁殚L約30imm、直徑1.5imm的透明塑管，串聯(lián)在光纜護(hù)套外部x＝10imm、20imm、30imm、40imm處，并采用光纖熔接機(jī)充分加熱使其頸縮，形成一個(gè)整體。該處理措施可保證熱縮管與光纜間不會(huì)出現(xiàn)早于纜－土間的滑脫作用。剪切盒上方安裝佳能600D數(shù)碼相機(jī)，試驗(yàn)過程中連續(xù)拍照，用于PIV變形分析。每級(jí)位移臺(tái)推動(dòng)后，采用武漢雋龍科技有限公司出產(chǎn)的OSI－S型OFDR解調(diào)設(shè)備采集光纜的應(yīng)變讀數(shù)，空間分辨率設(shè)置為10imm。

圖3 土體剪切試驗(yàn)設(shè)置圖Fig.3 Setup of the soil shear test

2.2 試驗(yàn)材料

剪切試驗(yàn)用土取自南京市棲霞區(qū)長江邊的砂土，曬干后過孔徑為2imm的篩備用，其基本物理指標(biāo)及顆粒級(jí)配曲線分別見表1及圖4。根據(jù)土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)（GB／T 50145－2007），試驗(yàn)用砂為級(jí)配不良的粗砂。試驗(yàn)中所用光纜為0.9imm外徑的緊套式應(yīng)變傳感光纜，護(hù)套材料為白色PVC，內(nèi)部為G652（B）型單模光纖，由蘇州南智傳感科技有限公司生產(chǎn)。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of the test soil

圖4 試驗(yàn)用土的顆粒級(jí)配曲線Fig.4 Grain size distribution curve of the test soil

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在土體剪切試驗(yàn)中，位移臺(tái)施加的最大剪切位移為23imm。由于試驗(yàn)歷時(shí)較短，室內(nèi)溫差約為1i℃，忽略了溫度變化對(duì)OFDR讀數(shù)的影響。圖5為實(shí)測(cè)沿y軸負(fù)方向剪切位移分別為5imm、10imm、15imm和20imm時(shí)的各段光纜應(yīng)變分布。

圖5顯示，3層分布式應(yīng)變傳感光纜在剪切試驗(yàn)中均靈敏地監(jiān)測(cè)到了其布設(shè)位置的土體剪切變形。對(duì)比各光纜段的應(yīng)變分布可以看出：

（1）由圖5b、圖5d和圖5e可知，光纜由于埋設(shè)深度的差異，上覆壓力略有不同，光纜應(yīng)變測(cè)值也呈現(xiàn)出不同的分布形狀和峰值。具體表現(xiàn)為，上覆壓力越大，應(yīng)變?cè)郊?，?yīng)變峰值也越大，各層間應(yīng)變峰值相差數(shù)倍，這與邊坡試驗(yàn)的滑動(dòng)帶附近應(yīng)變分布規(guī)律一致（Song et al.，2017；Yan et al.，2017）。這是因?yàn)樵谳^大圍壓的作用下，光纜和土體的變形耦合性得以增強(qiáng)，兩者之間的應(yīng)變傳遞率較大。

（2）對(duì)比圖5a～圖5c可知，設(shè)置有錨固點(diǎn)的光纜相較于光滑光纜應(yīng)變峰值要大很多。對(duì)于包含錨固點(diǎn)的光纜，應(yīng)變分布有明顯“分段增長”的現(xiàn)象，與之前光纜在土中拉拔試驗(yàn)的結(jié)果類似（Zhang et al.，2014），且增長速率較為均勻。而對(duì)于光滑光纜，應(yīng)變沿光纜長度的分布更為平滑，在剪切后期應(yīng)變不再持續(xù)增長，甚至開始下降。這是因?yàn)楣饫|在管式錨固的作用下，與土體的耦合性得到極大的提升，其監(jiān)測(cè)到的土體應(yīng)變也要增長數(shù)倍，而光滑光纜在土體發(fā)生大變形后逐漸與周圍土體發(fā)生了滑脫。

圖5 不同剪切位移情況下的各光纜應(yīng)變分布圖Fig.5 Strain distribution data of the optical fiber cables under different shear displacements

由前述可知，隨著土體剪切位移的增大，光纜被拉長，其伸長量（即圖5中應(yīng)變分布曲線與x＝0直線之間相夾的面積）也相應(yīng)增大。依據(jù)式（2），繪制光纜伸長量（Ld－Lo）與土體剪切位移d之間的關(guān)系曲線（圖6）。結(jié)果顯示，該關(guān)系曲線的初始段可以用線性擬合，在圖中用虛線表示。擬合參數(shù)列于表2內(nèi)。

根據(jù)圖6及表2可以看出：

（1）在土體發(fā)生逐級(jí)增大的剪切位移時(shí)，根據(jù)光纜與土體的耦合狀態(tài)，可分為纜－土良好耦合階段和纜－土滑脫階段，分別對(duì)應(yīng)圖6b～圖6e中的Ⅰ階段和Ⅱ階段。其中Ⅰ階段光纜與土體耦合良好、變形協(xié)調(diào)，光纜的伸長量和土體剪切位移基本呈線性增長，圖中虛線為采用MATLAB線性擬合的結(jié)果；Ⅱ階段光纜與土體發(fā)生滑脫，此時(shí)光纜應(yīng)變分布受到多種因素的影響，光纜應(yīng)變不能很好地反映真實(shí)的土體變形。

（2）表2中為纜－土良好耦合階段的擬合結(jié)果。纜－土剪切耦合變形系數(shù)K值的大小可以反映光纜護(hù)套與土體間相互作用的效應(yīng)。對(duì)比圖5及圖6b～圖6e可知，K值的大小可以用于判斷各光纜段纜－土耦合性的好壞。K值越大，光纜與土體的耦合性能越高，光纜能夠監(jiān)測(cè)到的應(yīng)變也就越多。其中，K值最大的是L-1錨固段光纜，光滑光纜普遍比該段光纜K值偏小；M-2和H-2層光滑光纜的K值較L層小，是由于上覆土壓力減小，纜－土耦合性能變差，這與光纜應(yīng)變分布圖得到的結(jié)果互相印證。

（3）纜－土滑脫伸長量ΔLs為光纜與土體間仍能保持耦合的最大光纜伸長量，當(dāng)Ld－Lo＝ΔLs時(shí)，兩者界面開始出現(xiàn)滑脫。因此，ΔLs在一定程度上也可以反映光纜和土體間的耦合特性。對(duì)比圖5及圖6b、圖6c可知，同層間L-3段光纜的K值、纜－土滑脫伸長量ΔLs均大于L-2段光纜，這是因?yàn)長-3段光纜更靠近位移控制的推動(dòng)裝置，側(cè)向壓力更大，其耦合性得到了加強(qiáng)。

（4）對(duì)比圖6b～圖6d及表2可知，K值越大，光纜就容易更早地達(dá)到其滑脫伸長量，因此對(duì)應(yīng)的纜－土滑脫位移就相對(duì)越小。同時(shí)對(duì)比圖5a數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，錨固段的K、ds值都很大，這說明當(dāng)使用熱縮管錨固光纜和土體時(shí)，在錨固作用下，光纜和土體間的摩擦增大，不僅光纜和土體的耦合性能得到較大的提高，而且在整個(gè)變形過程中這種耦合性得到了很好地保持。

圖6 光纜應(yīng)變積分值隨剪切位移的變化曲線Fig.6 Relationship between strain integral value and shear displacement

（5）對(duì)比圖6b～圖6dⅡ階段圖像，光纜與土體滑脫之后，伸長量隨土體位移增加而下降，可能與光纜材料的彈塑性有關(guān)，出現(xiàn)小部分彈性應(yīng)變恢復(fù)的現(xiàn)象。

表2 應(yīng)變積分法擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of the strain integral method

（6）由圖6可知，光滑光纜達(dá)到其滑脫伸長量后會(huì)與土體發(fā)生相對(duì)滑移，此時(shí)隨著土體剪切位移的增大，光纜的伸長量反而略有減少。而圖6e中Ⅱ階段雖然斜率有明顯減小，光纜的總伸長量卻仍在上升，且H-2光纜Ⅰ階段的斜率值比M-2光纜要大。這是由于圖6e中H層光纜接近土體表層，上覆壓力很小，光纜變形不再是傳統(tǒng)直剪試驗(yàn)中的平面應(yīng)力問題，而是轉(zhuǎn)變?yōu)槿S變形問題，剪切過程中觀測(cè)到土體出現(xiàn)較為明顯的隆起和剪脹現(xiàn)象，因而H層光纜很早就出現(xiàn)部分滑脫的現(xiàn)象，但在滑脫后光纜由于土體的三維變形而持續(xù)伸長。

本次試驗(yàn)研究綜合考慮了圍壓、管狀錨固等因素對(duì)纜－土剪切耦合效應(yīng)的影響，雖然只進(jìn)行了一組試驗(yàn)，但在試驗(yàn)中同時(shí)布設(shè)了5條不同工況的光纜，系統(tǒng)分析了多種纜－土耦合條件下的剪切變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，據(jù)此提出纜－土剪切耦合變形系數(shù)，并用于定量評(píng)價(jià)剪切過程中光纜和土體之間的耦合程度。參考鉆孔回填料與應(yīng)變光纜耦合性評(píng)價(jià)方法（張誠成等，2018），對(duì)于和本文研究工況類似的情況，建議采用表3所示的纜－土剪切耦合性劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表3 本研究中纜－土剪切耦合性劃分建議Table 3 Recommendation on classification of OF-soil coupling in this study

4 討 論

圖7 PIV分析得到的土表層位移矢量圖Fig.7 Calculated vectorial displacements of soil surface using PIV analysis

通過PIV圖像處理技術(shù)對(duì)剪切試驗(yàn)全程照片進(jìn)行處理，可得到表層土體變形的位移矢量圖，同時(shí)可大致確定其剪切帶分布情況（李元海等，2007）（圖7）。圖中水平虛線為光纜布設(shè)位置。

（1）圖5a、圖5b、圖5e段中的應(yīng)變分布均出現(xiàn)了負(fù)應(yīng)變區(qū)。由圖7可知，土顆粒在剪切過程中并不全部都沿剪切方向運(yùn)動(dòng)，剪切盒固定端部分土顆粒發(fā)生了轉(zhuǎn)向甚至旋轉(zhuǎn)，在土體變形較小時(shí)，光纜與土體耦合性較好，光纜隨土體發(fā)生了收縮，產(chǎn)生了負(fù)應(yīng)變區(qū)。

（2）如圖3c所示，試驗(yàn)過程中所使用的錨固方式為熱縮管式錨固，熱縮管具有外層材料絕緣防蝕，內(nèi)層熔點(diǎn)低、黏接性好的特點(diǎn)，加熱使其頸縮以提高光滑光纜和土體的耦合變形性能。與瑞士ETH大學(xué)Iten等開展的剪切試驗(yàn)（Iten et al.，2009）中使用的十字光纜夾具相比，熱縮管錨固體積更小，因此對(duì)土體變形幾乎沒有擾動(dòng)，能夠監(jiān)測(cè)到更加真實(shí)的土體變形情況。

（3）光纜應(yīng)變積分法的優(yōu)勢(shì)在于，當(dāng)保證纜－土耦合變形時(shí)，只需采用簡(jiǎn)便的、只含有一個(gè)參數(shù)的線性模型即可進(jìn)行剪切位移的推測(cè)；纜－土剪切耦合變形系數(shù)K的確定可通過開展不同工況、不同種類的光纜和土體的室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到。

5 結(jié) 論

本文通過剪切試驗(yàn)研究了埋入式光纜應(yīng)變與周圍土體的剪切變形之間的關(guān)系，采用簡(jiǎn)便的應(yīng)變積分法將應(yīng)變測(cè)值轉(zhuǎn)換為土體的剪切位移，主要結(jié)論如下：

（1）通過土體剪切試驗(yàn)，獲得了剪切過程中光纜的分布式應(yīng)變測(cè)值，驗(yàn)證了全分布式OFDR技術(shù)在監(jiān)測(cè)土體剪切變形的可行性和準(zhǔn)確性。

（2）對(duì)于本次試驗(yàn)的工況，當(dāng)土體剪切位移較小時(shí)（小于9～15imm），光纖與土體耦合性能良好，光纜應(yīng)變能很好地反映土體的變形情況，有無錨固對(duì)于光纜監(jiān)測(cè)土體變形影響不大；當(dāng)土體變形增大到一定程度（15imm以上），光纜與土體發(fā)生滑脫，此時(shí)光纜伸長量隨位移的增大而趨于固定值甚至減小，難以真實(shí)反映土體的剪切變形。

（3）在纜－土良好耦合階段，光纜伸長量計(jì)算值與土體剪切位移之間存在著線性關(guān)系，纜－土剪切耦合變形系數(shù)K及光纜軸向伸長量ΔLs均可以一定程度上表征光纜和土體的耦合程度。對(duì)于同種光滑光纜，K值越大，發(fā)生滑脫時(shí)的土體位移ds越小。

（4）依據(jù)本文提出的纜－土剪切耦合性劃分建議，在光纜上以10icm間距均勻安裝管式錨固點(diǎn)時(shí)，可以將纜－土剪切耦合變形系數(shù)提高至0.025以上，耦合能力很強(qiáng)；提高圍壓也能達(dá)到同等效果。

需要指出的是，本文僅僅開展了初步的土體剪切位移監(jiān)測(cè)可行性的試驗(yàn)研究，實(shí)際巖土工程實(shí)踐中發(fā)生的剪切變形要復(fù)雜得多。為了實(shí)現(xiàn)更高精度的監(jiān)測(cè)效果，下一步需要更加深入地研究不同的錨固類型及圍壓狀態(tài)下光纜與土體的耦合性差異，建立理論上更加科學(xué)、合理的光纜應(yīng)變－土體剪切位移轉(zhuǎn)換模型。