（固体力学专业论文）易滑坡山体光纤分布式传感研究.pdf

摘要 i = 蚕塞 垦睦笋 萋 薹i 童垂i 毒囊 季喜； 蕃李i 耋嚣蓁i 霎妻霉j 二季争。t 耋i 重圣墓耄差非毫? 垂雾；毳l 唾孛塞雩唾 墓孽疆蓬善e 嚣i兽垦。鼍z | 量嚣薹囊羹婺l 手! 蚕i 蚤l 蠢毒? 亨耋 蓬冀翌登1 蚕蠡l 詈堂嚣芎i 三j 量亨：二l i ；霎i 亍尊薹 箸薹羹，董垂蕈耋鬟举喜妻妻1 一j ；兰皇l! ! 翥差；妻銎巷；耋辜辜耄 墨差- - j 羔 第一章绪论 第一章绪论 分布式光纤传感器应用于易滑坡山体的监测国内外报道的还比较少， 它具有传统监测技术所不具备的优势，在最近几十年发展迅速，在很多领 域都有长足的发展。所以，本文针对易形成滑坡的山体如何应用光纤分布 式传感监测进行研究。 第一节滑坡研究的发展和现状 山地面积占地球陆地总面积的四分之一，山地居住人口占总人口的1 0 ，山地道路占道路总里程的3 0 。因出现的频度和广度远远大于地震事 件，滑坡是人类面临的最广泛、受害最重和时间最长的地质灾害1 1j 。我国是 一个崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的 国家，直接由工程建设诱发的崩滑事件也屡见不鲜，尤其是西部地区。每 年由滑坡灾害造成的的直接经济损失约2 0 0 亿人民币，对社会影响所产生 的间接损失更是无法估量。滑坡之所以能造成严重损害，是因为难以事先 准确预报发生的地点、时间和强度。滑坡灾害预防，重在监测。 1 9 8 6 年6 月在宜昌召开的中国第一次“我国典型滑坡实例学术会议”和 1 9 8 7 年4 月由地矿部主持的“中国西南西北灾害山区斜坡稳定性研究”“六 五”科研专报的评审会议认为，应将“滑坡动力学”的研究作为一项重大课题 或方向提到滑坡研究的日程上。 1 9 9 3 年，胡广韬教授提出“滑坡动力学”观点，阐明了许多新观点，从 而倡导并系统地论证了斜坡形成与演化过程中滑体的发育、滑移、解体、 运行、停滞、消亡，以及斜坡等出现的一系列动力学规律，推进了我国滑 坡动力学的研究。 同时，晏同珍分析了滑坡的平面受力状态，依据滑坡主要作用因素提 出流变倾覆、应力释放平移、振动崩落及震动液化平推、潜蚀陷落、地化 北京交通人学硕士毕业论文 悬浮一下陷、高势能飞越、孑l 隙水压力浮动、切蚀一加载、巨型高速远程 等九种滑动机理。张倬元、王兰生等从坡体的地质结构和受力过程出发提 出了五种滑坡破坏模式。徐邦栋、王恭先分析了滑坡的受力状态和力学过 程，从地质和力学的结合上提出了几种常见滑坡的机理。卢肇钧研究了粘 性滑带土的抗剪强度变化规律；徐峻龄在研究高速滑坡时提出了“闸门效 应”的概念；曹炳兰等对没有明显的地震、暴雨触发因素的超大型洒勒山滑 坡高速运动机制作了深入研究，发现锁固段在高速滑坡中的重要作用；彭 建兵等对黄河积石峡高速滑坡提出了3 种成因机制，即“闸门效应”引起的 启程剧动，高位能效应引起行程高速和空气动力效应与气垫效应引起的高 速飞行；易顺民等用信息维评价某滑坡认为，在一定范围内，大滑坡发生 前，滑坡活动时空结构的信息维具有很好的降维特征；河海大学曾开华用 新信息法计算关联维，发现当斜坡进入加速变形阶段时，分维值趋于1 ，而 临近失稳破坏时，分维值有下降趋势；储同庆等( 1 9 9 4 ) 将矿物包裹体研 究方法引入工程地质，已较好地解决几个重要工程的稳定性评价问题； 中国科学院工程地质力学开放研究室和成都理工大学等在五强溪、李 家峡、金川镍矿、三峡高边坡研究中，对山体岩体质量评价、三维结构数 学模型及其数值分析和岩体断裂力学方面取得了进展；中科院成都山地灾 害与环境研究所和地矿部做出了全国小比例尺的滑坡分布图； 中科院孙广忠、杨志法、周瑞光、刘大安等发展了地质灾害监控系统 和c t 技术，在地质超前预报、监控反分析、反馈动态设计等方面已形成工 程地质特色。 其次，作曲非线性科学业的支柱的耗散结构论，突变论和分形理论己 开始被引入工程地质中，年轻学者表现更为活跃。其中分形理论用的较多， 在区域稳定性和滑坡研究中也取得了一些有意义的成果。1 9 9 2 年以来，在 边坡系统分析、可靠性评价和滑坡动力学和非线性动力学等研究中出版了 2 第一章绪论 多本专著和学术论文。 值得注意的是，为了适应新的形势，建委系统牵头，多方响应，2 0 世 纪9 0 年代出现了岩土工程体制。从业务范围而言，岩土工程= 水文地质+ 工 程地质+ 环境地质+ 岩土力学地基处理。数十年来，岩土工程理论与技术方 法在指导滑坡防治工程中发挥了举足轻重的作用。但是，随着在复杂地质 体中进行重大工程建设的情况日益增多，遭遇到的滑坡体在规模上越来越 大，而且滑坡结构更加复杂，对它的变形破坏过程的了解更加模糊，因此 原有的以一般岩土体为研究对象的岩土工程理论与方法已不能满足要求， 这样形成了一个新的发展地质工程，它是工程地质继岩土工程后的一 个新发展。 地质工程是由中科院地质所提出来的( 孙广忠，1 9 8 7 ) 孙广忠明确提 出“地质工程是工程地质的新发展”，“是一门新技术科学”，它的理论支柱是 “地质构造控制论”和“地质体改造技术”。用这一新概念以“解决地质、设计、 施工相互脱节问题【2 】o 1 9 9 0 年北京地质工程新进展国际会议后，地质工程这一概念引起了许 多学者的注意。我国工程地质专家孙广忠，胡海涛，罗国煜，梁炯均等对 地质工程进行了系统深入的探讨和实践。地质工程从学科上说，它使地质 与工程深层次系统地结合。由稳定性评价和变形预测，发展到按钱学森综 合集成理论，把工程的、地质的和力学的不同来源的知识综合起来，储存 成为描述工程地质力学作用于的模型，分析解决工程问题。地质工程也是 工程地质由预测评价，发展进入到参与决策和行动的新阶段。总之，防灾 减灾研究，促进了地质工程的发展，而地质工程本身内涵丰富，还有待于 继续研究和发展。 边坡稳定分析方法一直是岩土工程中的重要研究课题。虽然自6 0 年代 以来，边坡的有限元应力位移分析已经越来越普遍，目前已经能够比较详 北京交通大学硕士毕业论文 细地研究并模拟土的非线性本构关系和施工过程，考虑土工加筋、碾压、 水流和地震作用等对边坡应力和位移的影响，但是如何根据应力和位移分 析结果评价边坡的稳定性，目前还没有完善的、为工程界一致接受的方法。 在根据应力和位移分析结果评价边坡的稳定性方面，最早采用的是局 部破坏判别法，即以应力处于拉破或剪破状态的部位为破损区，按应力分 布状况结果对区域内各单元进行强度判别，根据破损区的范围和分布评价 边坡的稳定性。这一类方法存在的明显缺点是对于不出现破损区或破损区 很小的稳定边坡难于评价其整体稳定性1 3 1 。 根据应变分析结果，以规定数值的剪应变为破坏标准，m a t s u i 和s a n 【4 l 采用了逐步折减土体抗剪强度反复进行应力应变分析，考察剪应变的发展 判别边坡整体稳定性的方法。该方法受到计算工作量和土体剪应变计算精 度以及剪应变发展不规律的限制，难以得到广泛应用。由于土体位移有限 元计算结果的精确度较低，所以以土体位移为标准评价边坡稳定性的方法 在实用性方面受到限制。 根据应力分析结果进行边坡的整体稳定性分析，d o n a l d l 5 j 提出了应用非 线性数学规划方法确定最危险滑动面，以不同的安全系数定义评价边坡稳 定性的方法，同时提出了折减抗剪强度进行有限元分析，根据节点位移发 展评价边坡稳定性的n d m 方法。 第二节滑坡监测技术的现状 鉴于我国地质灾害的现状和国民经济发展要求有稳定的地质环境的迫 切需要，调查和监测技术有了长足的发展。目前，我国边坡变形监测方法 主要采用简易观测法、设站观测法、仪表观测法、和远程观测法【6 】等。 1 2 1 简单观测法 简单观测法是通过人工观测边坡中地表裂缝、鼓胀、沉降、坍塌、建 筑物变形及地下水变化、低温变化等现象。此法对于发生病害的边坡进行 4 第一章绪论 观测较为合适，也可结合仪器监测资料综合分析，初步判定滑坡体所处的 变形阶段及中短期滑动趋势。即使采用先进的仪表观测，该发仍然是不可 缺少的观测方法。 1 2 2 设站观测法 设站观测法是指在充分了解了现场的工程地质背景的基础上，在边坡 上设立变形观测点( 成线状、网络状) 。在变形区影响范围之外稳定地点设 置固定观测站，用测量仪器( 经纬仪、水准仪、测距仪、摄影仪及全站型 电子速测仪、g p s 接收机等) 定期监测变形区内网点的三维( x ，y ，z ) 位移变化的一种行之有效的监测方法。 ( 1 ) 大地观测法 常用的大地观测法主要有两方向( 或两方向) 前方交汇法、双边距离 交汇法、视准线法、小角法、测距法及几何水准测量法、以及精密三角高 程测量法等。大地测量法有如下优点：能确定边坡地表变形范围、量程不 受限制、能观测倒边坡坡体的绝对位移量。 由于大地测量法具有以上优点，在边坡工程的地表监测中占主导地 位。但大地测量法也受到地形通视条件限制和气象条件的影响，工作量大， 周期长，连续观测能力较差。 ( 2 ) g p s ( 全球定位系统) 测量法 g p s 测量法的基本原理是用g p s 卫星发送的导航定位信号进行空问后 方交汇测量，确定地面代测点的三维坐标。讲g p s 测量法用于边坡工程监 测有以下优点：观测点之间无需通视，选点方便；观测不受天气条件的限 制，可以进行全天候的观测；观测点的三维坐标可以同时测定，对于运动 的观测点还能精确测出它的速度；在测程大于1 0 k m 时，其相对精度可达到 5 1 0 一1 1o 6 ，甚至能到1 0 一，优于紧密光电测距仪。此法适用于边坡地表 的三维位移监测，特别适合于地形条件复杂，起伏大或建筑物密集、通视 e 北京交通大学硕士毕业论文 条件差的边坡监测。 ( 3 ) 近景摄影测量法 该方法时把近景摄影仪安置在两个不同位置的固定测点上，同时对边 坡范围内观测点摄影构成立体像时，利用立体坐标仪量测像片上各观测点 三维坐标的一种方法。 1 2 3 仪表观测法 仪表观测法时指用精密仪表对变形斜坡进行地表及深部的位移、倾斜 ( 沉降) 动态、裂缝相对张闭沉错变化及地声、应力应变等物理参数与环 境影响因素进行监测。目前，监测仪器的类型，一般可分为位移监测，地 下倾斜监测、地下应力测试和环境监测四大类。 1 2 4 远程监测法 伴随着电子技术及计算机技术的发展，各种先进的自动遥控监测系统相 继问世。为边坡工程，特别是边坡崩塌和滑坡的自动化力学遥测创造了条 件。远距离无限传播是该方法最基本的特点。由于其自动化程度高，可全 天候连续观测。 省时、省力和安全，是当前和今后一个时期滑坡监测发展的方向。 第三节岩土工程监测的特点与存在的困难 跃期的岩土工程研究实践表明，岩土力学参数测试和岩土工程监测具 有以下特点： ( 1 ) 长时效性 岩土工程一般服务年限很长，其工程介质的力学性态均具有时效影响， 即应考虑其流变特性，因此，测试设备( 传感器) 应能保持长期稳定。 ( 2 ) 环境复杂 岩土体为地质介质，处于一定的水环境中，探头需探测水( 包括湿度) 对岩土体力学性态的影响，同时传感器也应在水环境中保持工作稳定，即 第一章绪论 满足防水、防潮要求。此外，在自然环境中，应能防雷击和抗电磁干扰。 在对三峡链子崖山体变形长达几十年的变形监测中，曾多次因雷击损坏电 子监测系统。煤矿防爆和核能利用中防高能辐射亦为目前监测技术中尚待 解决的问题。 ( 3 ) 监测对象的时空限制 微机在监测技术中的应用不但使监测成果对工程应用的反馈速度加 快，而且使监测空间也大为扩展。岩土工程( 特别是大型水电工程) 监测 网络化已日益显示其必要性与可能性，因此在监测的信息量上和信息反馈 速度上，应满足近代工程在时间与空问上的要求。 ( 4 ) 施工环境制约 现场施工进展与布局在时间与空间上不可能给工程监测更多的照顾， 因此，监测设备必须微型化并采取有效的隐蔽措旌。 目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，满足上述测试 要求十分困难，为解决通常遇到的防水防潮和抗电磁干扰的问题，尽管进 行过多方面的研究并采取相应的防护措施，但所费代价昂贵，而收效却甚 微。 就滑坡监测而言，目前常用的设备包括应变计、斜度计、水平仪以及 倾斜仪等。但在实际应用中，这些设备普遍存在的问题是需要技术人员定 期到现场对数据进行人工采集，这就使得滑坡监测缺乏实时性。此外，在 很多情况下，不稳定滑坡处于边远地区，人员很难到达，甚至可能存在危 险，无法由人工采集数据。 第四节光纤传感器在土木工程监测的应用 光纤传感器是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型传感器，它是伴随 着光通信技术的发展而逐步形成的。近年来，国际上光纤传感器测试技术 迅速发展，学术活动日趋频繁，许多高等院校和科研单位从不同方面对光 7 北京交通大学硕士毕业论文 纤传感技术进行了深入的研究，并进行了推广应用的尝试。由于光纤传感 器与传统的传感器相比具有无可比拟的优点，广泛应用于航空航天、水利、 土木、核电站压力容器、化工厂以及电磁干扰较严重的各种场合以及传统 的电测法不适用的场合。此外，由于光纤体积小、柔软可弯曲，能以任意 形式复合于基体结构而不影响基体的性能。所以，可广泛应用于各个领域。 1 4 1 光纤传感器的优势 光纤传感器由于其诸多优点，在近年也被应用于大型土木构件的健康 检测和监测技术当中。与传统传感器相比，光纤传感器有许多优点： ( 1 ) 质量轻、体积小。普通光纤外径为2 5 0 “m ，最细的传感光纤直径 仅为3 5 4 0 “m ，可在结构表面安装或者埋人结构体内部，对被测结构的影 响小，测量的结果是结构参数更加真实的反映。埋人安装时可检测传统传 感器很难或者根本无法监测的信号，如：复合材料或者混凝土的内部应力 或者温度场分布、电力变压器的绝缘检测、山体滑坡的监测等。 ( 2 ) 灵敏度高。光纤传感器采用光测量的技术手段，一般为微米量级。 采用波长调制技术，分辨率可达到波长尺度的纳米量级。 ( 3 ) 耐腐蚀。由于光纤表面的涂覆层是由高分子材料做成，耐环境或 者结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强，适合于智能结构的长期健康监测。 ( 4 ) 抗电磁干扰。当光信息在光纤中传输时，它不会与电磁场产生作 用，因而信息在传输过程中抗电磁干扰能力很强。 ( 5 ) 传输频带较宽。通常系统的调制带宽为载波频率的百分之几，光 波的频率较传统的位于射频段或者微波段的频率高几个数量级，因而其带 宽有巨大的提高，便于实现时分或者频分多路复用，可进行大容量信息的 实时测量，使大型结构的健康监测成为可能。 ( 6 ) 分布或者准分布式测量，能够用一根光纤测量结构上空问多点或 者无限多自由度的参数分布，是传统的机械类、电子类微电子类等分立型 r 第一章绪论 器件无法实现的功能，是传感技术的新发展。 ( 7 ) 使用期限内维护费用低。 用光纤传感系统来进行滑坡监测，把光纤传感的诸多优点应用于其中， 这为我们提供了一种更加优质的滑坡监测方法。虽然光纤传感器在许多领 域已得到应用，但应用到滑坡的安全监测中，在国外尚处于探索和研究阶 段，缺少实用化应用的先例，因此如何利用光纤传感器的这些优点，使其 在滑坡安全监测中发挥作用，是一个值得探索的课题。 1 4 2 光纤传感器的种类 光纤传感器最具优势的地方在于他可同时作为传感元件和传输介质便 于与光纤传输系统联网，以实现系统的遥测和实时监测。 光纤传感器可分为传光型和传感型两种类型。 ( 1 ) 传光型光纤传感器 这类传感器又称为非功能性光纤传感器。在这类器件中，光纤反作为 传递光信号的通道，而对被测对象的“感觉”功能十依靠其他敏感元件来完 成的。 ( 2 ) 传感型光纤传感器 这一类光纤传感器又称为功能型光纤传感器，光纤不仅传递光的信息， 而且还能感受被测参数的变化，即光纤的某一特性参数也随着被测参数改 变。光纤在这类传感器中不仅起“传”的作用，而且还起“感”的作用。 目前已研制成功百余种光纤传感器，其应用十分广泛，已涉及到国防 军事、航天航空、工矿农业、能源保护、生物医学、计量测试、自动控制 和家用电器等多个领域。到目前为止，所能测量的物理量有声、磁、温度、 加速度、电流、压力、辐射、示踪气体以及陀螺参数等。再日本，光纤传 感器再大规模计算机网络何过程控制领域有很大发展。美国的光纤传感技 术主要用于军事方面，研制工作都是在海军研究实验室进行的。 q 北京交通大学硕士毕业论文 2 0 世纪9 0 年代，更多的光纤传感器在不断地商业化，比如压力应力传 感器、液体流量传感器、电流电压传感器、化学传感器、湿度传感器等。 目前，世界上已有五百多家企业生产各类光纤传感器。 第五节光纤传感技术山体滑坡监测领域的研究现状 国际上将光纤传感器用于大型工程结构得健康监测时间不长，目前f 处于从萌芽到发展得过渡期。 1 9 8 9 年，美国b r o w u j l i v e r s i t v 的m e d c z 【7 】等人首先提出了把光纤传 感器用于混凝土结构的检测。之后，日本、美国、德国等许多国家得研究 人员先后对光线传感系统在土木工程中的应用进行了研究。 日本、美国、瑞士的光纤传感器在土木工程中得应用领域相对较广泛， 已经从混凝土得浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、 地震、合山体滑坡等复杂系统得测量或监测。 日本电报电话公共公司的硒h 盯am ，h i r 啦a t s uk 和s h i m am 【8 】等人将 光纤分布于日本高知的n i v o d o 河和鹿儿岛的s e n d a i 河的河堤中。用偏光时 域反射( b o ，r d r ) 来监测河堤的塌陷位移情况，取得了良好的效果。 欧洲有公司采用光纤传感器利用基站与测量站之间得距离变化来测量 2 0 k m 以内的山体滑坡或者地面运动，从结构得静应力、振动得测量到结构 应变得健康监测【9 _ 1 0 】等。 总体来看，光纤传感器的研究与应用，美国和日本处于领先地位，欧 洲紧随其后。美国偏重于军事应用，主要是应变光纤传感器和抗恶劣环境 的特种光纤传感器，日本偏重于民用，而欧洲则开展了广泛领域的光纤传 感器研究与应用。比较著名的一些光纤传感器设备公司有：美国的b 1 u e r o a dr e s e a r c h ，i f d s 公司等，日本的n e ci z u m i 公司、h t a c h i 公司和s u l l 】【 公司，欧洲的s m a n e c ，0 s m o 警一g r o u p ( y o r k s e n s o r s ) ，0 m i n i s e n s 公司等。 国内在光纤传感器的应用方面还刚刚起步，大多数还处在试验室研究 1 0 第一章绪论 阶段。但各科研部门如火如荼的研究显示了光纤传感器的强大生命力和美 好的应用前景。 三峡大学的蔡德所、何薪基、李俊美【l l 】研究了基于微弯机制的强度调 制光时域反射( 0 1 d r ) 技术的分布式光纤传感，并在室内进行了光纤模拟 边坡滑移状态下的实验。试验方案已在隔河岩电厂内的高陡边坡监测中得 到了实施，而且在较困难的作业环境下成功地进行了埋设，为今后的推广 应用及技术上的进一步的改进与完善提供了经验。 中国地质科学院探矿工艺研究所的周策、陈文俊、汤国起1 1 2 】提出了一 种用弹膜片合微弯调制机构进行压力传感，用0 ，r 技术进行测量得分布 式光纤压力传感方法。全面阐述了单膜光纤微弯压力传感原理及对岩体推 力进行监测的系统，对灵敏度和空间分辨率进行了分析、标定，并进行了 野外试验。试验结果表明其监测是可行的，有相当的适用性，取得了较好 的效果。 电子科技大学光电信息学院的代志勇、袁勇、刘永智f 1 3 l 介绍了一种基 于光纤应力传感的山体滑坡预警监测系统。阐述了分布式光纤应力传感原 理与滑坡体内应力监测方法，设计了应力测量范围0 1 5 m p a ，空间分辨率 2 m ，测量距离1 k m 的山体滑坡监测系统，并实验验证了监测方法的可行性。 第六节有限元的发展历程 有限元作为求解数学物理问题的一种数值计算方法，已经历了5 0 余年 的发展。目前，有限元的理论研究成果为应用奠定了基础，计算机技术的 发展为其发展提供了条件，推动了有限元在包括大型工程构件应力分析中 的实际应用，目前已成为工程计算最有效的方法之一。 2 0 世纪5 0 年代，有限元作为处理固体力学问题的方法出现。1 9 4 3 年， c o u 瑚t 第一次提出单元概念。1 9 4 5 1 9 5 5 年，m g 妒s 等人在结构矩阵分 析方面取得了很大进展。1 9 5 6 年，t u m e r 、c l o u g l l 等人把刚架位移法的思 1 1 北京交通大学硕士毕业论文 路推广应用于弹性力学平面问题。1 9 6 0 年，c l o u g l l 首先把解决弹性力学平 面问题的方法称为“有限元法”，并描绘为“有限元法= r a y l e i g hr i t z 法+ 分片 函数”【1 4 】。几乎与此同时，我国数学家冯康也独立提出了类似方法。 有限元理论研究的重大进展，引起了数学界的高度重视。自2 0 世纪6 0 年代以来，人们加强了对有限元数学基础的研究。如大型线性方程组和特 征值问题的数值方法、离散误差分析、解的收敛性和稳定性等。 计算机技术的发展为有限元理论应用提供了条件。2 0 世纪7 0 年代以 来，相继出现了一些通用的有限元分析( 有限元：f i n i t ee l e m e n ta n a l v s i s ) 系统，如s a p 、a s k a 、n a s 偶a n 等，这些有限元系统可进行航空航天 领域的结构强度、刚度分析，从而推动了有限元在工程中的实际应用。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着工程工作站的出现和广泛应用，原来运行于 大中型机上的有限元系统得以在其上运行，同时也出现了一批通用的有限 元系统，如a n s y s _ p c 、n i s a ，s u p e r s a p 等【1 5 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，随着微机性能的显著提高，大批有限元系统纷纷 向微机移植，出现了基于w i n d o w s 的微机版有限元系统。经过半个多世纪 的发展，有限元已从弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题；从静 力问题扩展到动力问题、稳定问题和波动问题；从线性问题扩展到非线性 问题；从固体力学领域扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质 领域；从单物理场计算扩展到多物理场的耦合计算。有限元经历了从低级 到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算最有效的方法之 一。 第七节有限元的发展趋势和研究热点 随着有限元研究的深入，过去不能解决或能解决但求解精度不高的问 题，都得到了新的解决方案。 传统的有限元假设：分析域是无限的；材料是同质的，甚至在大部分 1 2 第一章绪论 的分析中认为材料是各向同性的；对边界条件简化处理。但实际问题往往 是分析域有限、材料各向异性或边界条件难以确定等。 为解决这类问题，美国的h e o f 蛆i ss t r o u b o u l i s l i nz l l a i l g 等人提出用g 有限( g e n e r a l i z e df i j l i t ee l e m e n tm e t l l o d ) 解决分析域内含有大量孔洞特征 的问题；比利时的n g l l y e n d a i l g h u n g 和越南的t r 趾t 1 l a i l l l n g o c 提出用 h s m ( t l l eh y b r i dm e t i ss i n g i l l a re l e m e n to fm e m b r 柚ep l a t e ) 解决实际开裂问 题( 结构尺寸有限，形状任意，边界条件复杂，材料特性任意) 【1 7 1 。 传统的有限元断裂力学技术( t h ef i n i t ee l e m e n t 白a c i l l r em e c h 趾i c s t e c h i l i q u e s ) 在解决零件中出现裂缝这类问题时，需要在曲线型裂纹前缘附 近的区域细分网格。这样无论是从网格生成的角度看还是从求解的角度看， 都需要花费大量的时间。而且在循环加载的情况下产生的次裂纹将会使分 析变得更加复杂。为此，美国的d a i l i e ls p i p k i i i s a y s a t y a na t l u 曲提出了 有限元m ( f i n i t ee k m e n tm t e m a t i n gm e t h o d ) 1 1 8 】。该方法在求解应力集中 因子时，可在不牺牲精度的情况下节省时间，用它分析具有椭圆裂纹或部 分椭圆裂纹的结构是很有用的。 此外，西班牙的o n a t ee 和波兰的r o i e kj 将d e m ( d i s c r c t ee l e m e n t m e t h o d ) 和有限元结合解决地质力学中的动态分析问题【1 9 】；瑞典的 b i r 鼬r s s o nf 和英国的f i 肋v e d c ns 针对有限元在频域中的应用提出了s 有 限元( s p e c t r a lf i l l i t ee l e m e n tm e t l l o d ) 【2 0 1 。 在有限元应用领域不断扩展、求解精度不断提高的同时，有限元也从 分析比较向优化设计方向发展【2 1 】。印度m a h a n t y 博士用a n s y s 对拖拉机 前桥进行优化设计，结果不但降低了约4 0 的前桥自重，还避免了在制造 过程中的大量焊接工艺，降低了生产成本【捌。 有限元在国内的应用也十分广泛。2 0 世纪8 0 年代我国大连理工大学工 程力学研究所丌发成功了国内第一个通用有限元程序系统j i g f e x ，并在 北京交通大学硕士毕业论文 1 9 8 3 年开发出了它的微机版j i g f e x w 【2 3 1 。目前，有限元已渗透到工 程分析的各个领域，从大型的三峡工程【2 4 1 到微米级器州2 5 1 都采用有限元进 行分析。它在我国经济发展中拥有广阔的发展前景。 目前，有限元的研究热点表现在两个方面：超收敛应力计算和有限元 模型修正技术。 在超收敛应力计算方面，陈传淼教授是中国学派的代表，他的“有限元 超收敛构造理论成果属于国际领先水平【2 6 1 。超收敛应力( 及位移) 计算是 以有限元为代表的各种数值方法争相追求的目标，所以它一直是有限元研 究的难点与热点问题。 有限元模型修正技术【2 7 】( 或试验分析模型相关) 是要充分利用结构 试验和有限元两者的优点，用少量的结构试验数据对有限元模型进行修正， 获得比较准确的有限元模型。 第八节本论文工作 本论文主要研究一种新型的监测山体滑坡的应力技术。该技术利用分 布式光纤应力传感器作为监测仪器，来实现准分布应变测试的目的。该方 案中的传感元件成本较低，测试系统简单，并易于实现满足高精度的准分 布测量。 由凝聚性土类组成的均质或非均质土坡，一般假定它的稳定问题是平 面应变问题，滑裂面是个圆柱面。用极限平衡理论分析边坡稳定性，其关 键在于确定最危险滑动面及其对应的最小安全系数。 搜寻最危险滑动面的圆心、半径，就成为此类分析的主要问题。搜索 最危险滑动面圆心、半径，最早使用的是穷举法。继而有二分法，最近又 出现了遗传进化算法等方法。虽然这些方法都有其理论依据，有的在工程 实践中得到广泛应用，然而，其局限性也是显而易见的。穷举法受列举圆 心、半径的数量的多少的影响。列举数量少，精度就低，列举数量多，则 1 4 第一章绪论 计算次数会大得惊人。况且。要实现真正的穷举也是不可能的；二分法有 可能陷入局部极小值；遗传进化算法的理论则较为复杂。而且，虽然二分 法及遗传进化算法较之穷举法有了很大改进，但无论是以上的何种方法， 均存在以下缺点，即需要计算者给定圆心搜索区域。这就要求计算者对圆 心的可能位置和半径有所认识。但仅凭经验也未必能准确地解决问题，特 别是一些较为复杂的情况。而当给定的圆心搜索区域不准确，不包含真正 的最危险滑动面圆心时，以上各方法均不能跳出给定的圆心搜索区域，也 就无法求出真正的最危险滑动面及其对应的最小安全系数。这正是以上各 方法的最大缺陷。 为此，本文提出用有限元软件通过分析土坡的应力分布，大致确定出 他的最危险滑动面。既节省了计算，精度也不低，应该成为一种有发展前 途的分析边坡稳定的方法。 北京交通大学硕士毕业论文 第二章易滑坡的山体 滑坡，是一定自然条件下的山体斜坡，由于河流冲刷、人工切坡、地 下水活动或地震等因素的影响，使部分土体或岩体在重力作用下，沿着一 定的软弱面或带，整体、间歇，以水平位移为主的变形现象。山体滑坡对 桥梁、水利、建筑等工程的危害如此之大，对其进行研究有十分重要的意 义。由于隐蔽性和突发性，需采用调查和监测技术，查明灾害分布范围、 形成的地质背景条件和孕育因素，监测其稳定性和薄弱地段，才能做到重 点设防，有效治理，达到减灾防灾的目的。 第一节滑坡的分类 为了正确地反映出不同滑坡的特征及发生发展规律，以便深入研究， 进而采取有效预防和整治措施，需要对滑坡进行科学地分类。 按滑坡组成物质分类，可以分为粘土性滑坡、黄土滑坡、砾( 碎) 石 土滑坡、岩石滑坡；按滑坡体规模分类，可分为小型滑坡( 滑坡体小于3 万m 3 ) 、中型滑坡( 滑坡体介于3 5 0 力m 3 ) 、大型滑坡( 滑坡体介于5 0 3 0 0 万m 3 ) 、巨型滑坡( 滑坡体大于3 0 0 万m 3 ) ；按滑坡体厚度大小分类， 可分为浅层滑坡( 滑坡体厚度小于6 m ) 、中层滑坡( 滑坡体厚度为6 2 0 m ) 、 深层滑坡( 滑坡体厚度大于2 0 m ) 。 第二节滑坡产生的条件 根据土力学原理，土基边坡的滑坍是由于土体内部某一方向上的剪应 力超过其抗剪强度而产生的剪切破坏。因此，凡是使土体剪应力增加或抗 剪强度降低的因素，都会降低边坡的稳定性。这些因素主要有以下几方面 【2 8 1 ( 1 ) 边坡的土质 土抗剪强度首先决定于土的性质，如颗粒形状和大小、密实程度和结 第二章易滑坡的山体 构等。 ( 2 ) 岩性 滑坡常发生在易于亲水软化的土层和一些软质岩层中。在坚硬岩层中 或岩体内存在着有利于滑动的软弱结构面时，在适当的条件下，就可能形 成滑坡。 ( 3 ) 构造 滑坡和构造的关系主要有两个方面：一是软弱结构面，二是上部为透 水层，下部有不透水层( 隔水层) 的单斜构造地段。由于地下水的作用使 其两个层面间的磨擦阻力减小，就有可能失去平衡而发生滑坡。 ( 4 ) 边坡的几何形状。 边坡的高度、坡度等都会直接对边坡的稳定性产生影响。 ( 5 ) 水 水是滑坡产生的重要条件，绝大多数滑坡都是沿饱含地下水的岩体软 弱面产生的。边坡的破坏也多发生于长期降雨之后。土体内部含水量的增 加，既降低了土的抗剪强度，又增大了土体内部的剪应力。 ( 6 ) 地震 强震也是导致滑坡发生的诱发因素，尤其在山区最为普遍。 ( 7 ) 人为因素 在工程活动中，不合理地开挖高陡边坡，在斜坡上方或坡顶任意堆填 土石方、盖房等加大坡顶荷载，破坏斜坡上方植被，阻碍地表水下渗及排 水，增大坡体内含水量，不适当地大爆破旆工震松山体结构，蓄水后水库 坡脚淘空使斜坡土体失去支撑，等等，都是诱发滑坡产生的人为因素。 第三节土基边坡稳定性分析 在分析土基边坡稳定性时，需要考虑三个方面的问题： ( 1 ) 土基内部的应力分布。将土基按平面问题处理，根据微分平衡方 1 7 北京交通大学硕士毕业论文 程组及边坡的几何形状找出土体内部应力的一般表达式。 ( 2 ) 土基边坡稳定的条件。根据土力学原理，考虑土的抗剪强度得出 土基边坡稳定时应满足的条件。 ( 3 ) 土基边坡稳定条件的应用及计算参数的选取。 2 3 1 土基内部的应力分布 在分析土基内部应力时，对土基性状作如下假设考虑； ( 1 ) 土基内部的土质是均匀的 ( 2 ) 边坡表面无荷载作用，即仅考虑土的自重应力。 ( 3 ) 坡面为光滑的曲面。 在土基横断面上取一微分单元体，其受力情况见图2 1 。 图2 1土基横断面上的微分单元体 设叹= q ( x ，_ ) ，) ，q = q ( x ，) ，) ，= ( x ，y ) 1 8 第二章易滑坡的山体 则有： ( 2 1 ) 式中：y 土的容重。 由( 2 1 ) 式知，存在函数一，4 _ ) ) ，曰一口o ，) ，) ，使下式成立， a aa b q 。面q 一7 y + i a ，4a b k 一面一万 式中的函数a 、b 需满足具体的边界条件。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 设边坡的线型形式为y ；，( x ) ，y i ，。= d 。在图2 中以点q 一，h ) 】、 口：【屯，( ) 】、吗一，( 而) 所围成的图形为单元体，分析其静力平衡情况， 可得： j ：岛l ，( 。，出- j 恶q l 。d y ；o j ：q i ， 。) 出- j 篇岛l 。咖= ( 2 4 ) rk 2 m ) 如一鹏) ( 而) 】 将( 2 2 ) 、( 2 3 ) 代入( 2 4 ) 得。 据( 2 5 ) 式得 1 9 ( 2 5 ) 却 妒 竖砂盟却 堡缸竖船 、t，j 出z r o 懂 = = q u 吃 ， ， t 爿 b 一 一 n u u 屯 屯，厂 也 也 4 口 北京交通大学硕上毕业论文 x 图2 - 2 土基边坡的线型形式 一。酗o ，_ ) 弘 曰2 玎m 皿+ 善岛o ，y p ( 2 6 ) 式中f = ，0 ) 一) ， ( 2 6 ) 式给出了函数a 、b 的一般形式。式中函数n ；、岛与整个边界条件及 土体的变形状态有关。考虑。上的分布情况，在坡面水平且无限延伸时的弹 性状态下， o x = 砖t 其中亭为侧压力系数( 亭c 1 ) 。与此比较，假定q 随深度f 呈直线变化，考 虑边界条件q i ，；。= o ，取 q y n f ( a 为常数) ( 2 7 ) 将( 2 7 ) 式代入( 2 2 ) 式，得 n 第二章易滑坡的山体 面。7 甜 即 爿o ，) ，) y 耐2 + c l ( x ) 将( 2 8 ) 式代入( 2 3 ) 式，得 罢：罢叫。以+ 掣 a x却 。 出 即 毗加三+ 掣y + c 2 ( 工) 式中：；掌 敷 将( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 式与( 2 6 ) 式比较，得 c 1 ( z ) = o ，c z ( x ) 2yj ，扛皿 讹y ) 一扣t 2 曰o ，y ) 2 r 丢正n t 2 + j _ 厂( 石皿 将泓。) 式代入垂2 ) 、垂3 ) 式，取：窘一。，得 。二= y 甜 q 2 y 1 + 伽卜 t 。= y | m ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 1 ) 式反映了一般状态下直线式或折线式边坡的土体内的应力分布 情况。 假设边坡所构成的平面区域为s 并且已知s 内土体的应力分布，土体的 2 1 北京交通大学硕士毕业论文 抗剪强度采用库仑公式计算，即 百，= 吒t a n 妒+ c ( 2 1 2 ) 式中吼为曲线上点土体的法向应力，妒是土体的应力内摩擦角，c 是 粘滞力。令z 为s 内的任意一条曲线，用y = ， ) 表示，f 以上土体沿曲线 的抗滑稳定安全系数芷定义为 k 2 j ：( 吼t 蛐妒+ c 印删 ( 2 - 1 3 ) 式中f 为沿曲线f 的切向应力， z ，= 吒t a n 妒+ c 为沿曲线z 的抗剪强 度。 边坡滑动稳定性分析问题就可以表述为：在已知的应力场内寻找曲线f 使安全系数k 达到最小。这是一个数学规划问题，其中k 为目标函数，约 束条件是曲线f 在区域s 内。因为待确定的变量是一条曲线，具有无穷多自 由度，所以可以视为是带有约束条件的广义数学规划问题。为求解方便， 将应力场拓广到整个空间，可以消除约束条件。 根据岩土材料的强度屈服准则，坡体内某点的失稳破坏即为该点的应 力状态达到屈服状态，即满足屈服条件方程，而坡体的失稳破坏面就是处 于屈服状态的点的集合。也就是说，坡体的稳定性是由坡体的应力状态和 强度屈服准则决定的。 2 3 2 安全系数的物理意义 为了说明安全系数的物理意义，考察图2 3 所示的沿任意一柱状曲面取 自土坡的脱离体a b c a ：如果土坡的应力分布为( 石，y ) ，相应曲面上的土 体分布内力为仉和r ，那么巴和r 的合力与脱离体所受的所有外力相平衡， 即吒和r 的分布反映了a b c a 上全部外力在a b 面上的作用效果。 第二章易滑坡的山体 l ，力 图2 3 脱爵体的平衡 边坡失稳时，土体的滑裂一般是渐进的，土体的破坏区域通常从一点 开始逐步扩展，土体的内力不断调整，直到沿滑裂面整体失稳。假设当土 体的抗剪强度折减k 倍时边坡沿某一柱状曲面( 线) 滑裂，沿曲线各点土 体均趋于极限平衡状态，即对于曲线上每一点均有 f = f ，置 ( 2 1 4 ) 式中f 是沿曲线方向的剪应力，f ，是该点的抗剪强度，k 是抗剪强度折 减系数，r ，k 称为土体的折减抗剪强度。当土体在曲线上一点f 处处于极 限平衡状态时，在该点沿曲线切线方向取微元长度向量m 并令7 i = t 越和 r 一m 则必有 7 ：+ 咫= o ( 2 1 5 ) 式中l 为在微元长度上剪应力对应的内力，称为滑动力；r 为与滑动力相 平衡的折减抗剪强度对应的阻滑力。若为该点曲线的方向向量( 单位向 量) ，则由上式有 北京交通大学颅十毕业论文 卜专越卜 协 亦必须 碱一m = o ( 2 1 7 ) 州删与r 世) 的代数和等于零，其中越是微元曲线的长度。于是 对整个曲面有 t 她一越；o ( 2 1 8 ) 当式中的第二项不等于零时，总存在霞使 警；毕 那么结合式有 霞= 越t m ( 2 2 0 ) o ”o 进一步可以写成 k = j ：o 讲l 硎 ( 2 2 1 ) 表明k 为沿潜在滑动面各点均达到极限平衡时土体的平均强度折减系数。 采用库仑抗剪强度公式时即为安全系数的定义式( 2 1 3 ) 当土体的内力采用条分法【2 9 】，如简单条分法计算时，式( 2 2 d 可以写 成 小逆铲 沼2 z ， 式中雕为土条的重量，口，为滑弧上土条各中心点对应的方向角，缱为土条 第二章易滑坡的山体 对应的滑弧长度。 公式( 2 1 3 ) 与简单条分法中用阻滑力矩与滑动力矩之比定义的安全系数表 达式完全相同。这也意味着该式定义的安全系数与传统条分法的安全系数 具有相同的物理意义，因而具有可比性。换句话说，式( 2 1 3 ) 定义的安全 系数与条分法中的安全系数是一致的，两者的区别只是内力计算方法不同。 事实上，可以证明对于区域内任意一条凸曲线，当且仅当式成立时，曲线 上各点滑动力和阻滑力的矢量和以及滑动力和阻滑力对曲线外任意一点力 矩的矢量和等于零。将条分法的安全系数理解为沿潜在滑动面各点均达到 极限平衡时的土体抗剪强度折减系数，可以很容易将条分法的安全系数定 义推广到非圆弧任意形状的滑动曲面。 第四节滑坡的典型防治措施 灾害治理工程没有统一的模式，只有充分运用调查和监测技术，为防 治工程设计提供依据，才能达到经济、合理、有效的目的。 2 4 1 防治原则 ( 1 ) 由于大型滑坡的整治工程量很大，技术上也很复杂，因此，在测 设时应尽可能采用绕避方案，若建成后路基不稳，是治是绕还得周密分析 其经济和安全两方面的得失。 ( 2 ) 对中、小型滑坡的地段，一般情况下不必绕避，但应注意调整路 线平面位置，以求得工程量小、施工方便，经济合理的路线方案。 ( 3 ) 路线通过滑坡地区，要慎重对待，应对滑体的结构性质、规模、 成因等作详细勘察，对发展中的滑坡要进行整治，对古滑坡要防止其复活， 对可能发生滑坡的地段要防止其发生和发展。 ( 4 ) 整治滑坡一般应先做好临时排水工程，然后再针对滑坡形成的主 要因素，采取相应措施。 北京交通大学硕士毕业论文 2 4 2 防治措施 ( 1 ) 排水 地表排水：设置截水沟与排水沟。在容易发生滑坡或已发生滑坡的 边缘上方修建截水沟，把滑坡体以外的地面水，从截水沟引向桥涵或排水 沟排出。还要在坡面上设树枝状排水沟来排除滑坡体范围内的地面水。对 路基边坡上的裂缝，或截水沟漏水形成的大裂缝，必须及时予以夯实，以 防止地面水向下渗透。 地下排水：对地下水一般以疏导为主，不应采取堵塞的方法，通常 设置盲沟来排水。 ( 2 ) 抗滑支挡 修建支挡建筑物，改善滑坡体的力学平衡条件，提高滑体的抗滑力， 这类工程措施主要是在滑体的下部修筑支挡建筑物，如抗滑挡土墙、抗滑 片石垛、抗滑桩等措施。靠近河岸地段的滑坡，为了防止河水对滑体下方 的冲刷、掏蚀，通常修筑防护( 浪) 堤，或称防波堤，或“丁坝”。 ( 3 ) 减重 是在滑体上方“滑动部分”上方减重，减小下滑力。对于圆弧面滑床上的滑 体，应根据其力学平衡的原理，在其“滑动部分”的上部减重，可减小“滑动 力矩”的数值，就可加大稳定系数。如果将刷方转到随动部分”，则起到填 方加压的作用，更能促使滑坡体趋于稳定。 ( 4 ) 加固滑体 是使滑体固定或胶结在滑床上，以增大抗滑阻力。对于较大的滑坡体，我 们可应用钢筋混凝土浇灌而成的锚固桩。对于单斜构造的岩层滑坡可采用 锚杆锚固，还可以采用焙烧( 大于8 0 0 ) 滑面土体使之胶结，裂隙土和大 空隙土可用水泥浇灌或沥青胶结。 此外，在滑坡地区要种植草皮或灌木林覆盖。因为植物能吸收土壤中 2 6 第二章易滑坡的山体 大量水分，使其干燥，且根系深入土中，能起到固结土壤、防止水土流失， 稳定坡体的作用。 北京交通大学硕士毕业论文 第三章o t d r 传感器 分布式光纤传感技术是在2 0 世纪7 0 年代术提出的，是随着光时域反 射技术的出现而发展起来的，在光纤工程中应用十分广泛，目前已成为一 项最具前途的光纤传感技术。 第一节分布式光纤传感原理 功能式分布式光纤传感器以光纤作传感元件，是由光源、光纤、光监 测器和附加装置组成的一类传感器。 光纤为能导光的细( 一般直径为1 0 0 1 5 叫m ) 纤维，柔软、可弯曲， 常见材料为石英玻璃，少数使用聚合物。光纤分芯区和包层两部分，石英 玻璃光纤的芯区通常是由高纯度石英玻璃中掺少量锗、硼、磷等制成的细 长圆柱体，包层是包敷