土质边坡在超载条件下的全寿命监测方法与滑坡机理研究

Slope stability analysis experiences long-term development, and formed a relatively mature theoretical system. However, conventional calculation methods cannot fully reflect the variation of slope stability in entire life time. As a key parameter reflecting the stability condition of slopes, monitoring of internal horizontal displacement is becoming the most important issue for slope stability analysis. However, conventional inclinometer has several disadvantages such as electromagnetic interference, low durability, too many cables for multi-point measurement and short transmission distance. Fiber Bragg grating sensor has its inherent advantages including electromagnetic interference resistance, good durability, multiplexable, stable signal in long-distance transmission. In this study, a new type of FBG based in-situ inclinometer has be designed and fabricated. The deformation of the in-situ inclinometer can be calculated from the strains measured by fiber grating strain sensors. This type of in-situ inclinometer will be applied in model slopes subjected to overloading. The stability of the model slope subjected to overloading will be investigated. Combining optimized algorithm with change rates of horizontal displacement, a searching model can be built to calculate the position of slip surface. Finally, conventional limit equilibrium method will be improved, the calculation method for the safety factor of slope in entire life time is proposed. Through a series of model tests and theatrical calculation to study slope stability and landslide of slopes subjected to overloading.

边坡稳定性分析经历了长期的发展，形成了成熟的理论体系。但是，传统的边坡稳定性计算方法不能反映边坡稳定性全寿命演化过程。作为最直观反映边坡稳定性的重要参数，内部水平位移的监测已经成为边坡稳定性分析的重要一环。然而，传统测斜仪存在电磁干扰、耐久性差、导线过多、传输距离短等缺点。光纤光栅传感器具有其独特的优点如抗电磁干扰能力强、耐久性好、可串联、长距离传输等优点，基于光纤光栅开发的传感器已经被广泛地应用于土木工程健康监测。本项目首先设计和制作光纤光栅新型原位测斜仪，基于光纤光栅传感器所测准分布应变信息计算该原位测斜仪的水平位移，并将该原位测斜仪应用于边坡超载模型实验。结合边坡内部水平位移变化率和最优化算法，建立边坡滑裂面搜索模型。改进传统的极限平衡计算方法，提出边坡在超载条件下全寿命稳定性计算模型。通过一系列的模型实验和理论计算，研究边坡在超载条件下稳定性演化过程和滑坡机理。

边坡稳定性全寿命演化过程分析的关键是传感体系、实测数据与稳定性计算方法的有机结合。采用有限元软件分析表面粘贴式光纤光栅传感器应变传递率的影响，实现光纤光栅传感器温度自补偿，开发了可用于边坡土体物理力学性质监测的压磁光纤传感体系，开发光纤光栅新型边坡位移监测体系。采用数值模拟与室内试验对中心差分计算位移的正确性进行了验证，并结合外推法提高位移计算精度，改进经典光纤光栅原位测斜仪的位移积分算法。基于该系统所测水平位移搜索并确定边坡潜在滑裂面，根据经典的极限平衡理论得到了计算边坡稳定系数的积分求解方法，结合数值计算结果探讨了边坡稳定性的影响因素，验证了积分算法的正确性。采用光纤光栅原位测斜仪为载体，结合改进的位移计算方法，成功地将光纤光栅传感器应用边坡模型实验，并与PIV技术获取的土体变形进行了对比分析，结合位移增量目标函数搜索边坡的潜在滑裂面位置，对边坡稳定性进行了分析，验证了基于实测位移数据的边坡健康监测及安全性分析算法的可行性。选取边坡滑裂面为圆弧、折线和任意形状的二维边坡实例，通过边坡水平位移增量变化最大值搜索二维边坡滑裂面，研究表明该方法所确定的滑裂面位置与其他滑裂面搜索方法得到的结果相差不大，依据极限平衡方法求出边坡的安全系数与其他文献和有限元结果相近。通过均质边坡、坡顶受荷载边坡、含软弱层的边坡和非均质边坡等四个实例计算分析，验证了此方法的可靠性。总结国内外学者提出的三维极限平衡方法的基础上，提出一个理论基础较为严密、计算步骤相对简单的三维极限平衡方法，论述了此方法的可靠性。鉴于滑坡灾害具有突发性特点，边坡滑坡体快速加固十分必要，本项目研究了可用于边坡快速加固的新型混凝土材料性能，为边坡快速加固提供了可能性。综上所述，本项目初步提出了基于新型水平位移监测体系，改进的滑裂面位置确定方法，进而提出了积分化的边坡稳定性计算方法，为基于实时数据的边坡稳定计算提供了初步解决方案。