基于局部应变与连续振动信息分析的边坡深部土层稳定性监测研究学术报告

作者及机构
本研究的通讯作者为大连理工大学土木工程学院的何建平（Jianping He），第一作者戴伟（Wei Dai）及其他合作者来自中铁二院工程集团有限责任公司（Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd）。研究成果发表于期刊《Optical Fiber Technology》2025年第94卷，文章标题为《Stability monitoring of deep soil in slope based on local strain and continuous vibration information analysis》。

学术背景

研究领域与动机
边坡稳定性是保障铁路、公路等基础设施安全运营的关键问题。传统监测技术（如表面位移测量、测斜管）存在局限性：无法直接反映深部土层变形，且难以捕捉环境振动（如列车运行、降雨）引发的应力重分布。本研究结合光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）局部应变传感与分布式光纤振动传感（Distributed Vibration Sensor, DVS）技术，提出一种集成监测方法，旨在实现边坡深部土层变形与振动信号的同步高精度监测，为滑坡灾害预警提供科学依据。

理论基础
1. FBG传感原理：FBG通过反射波长变化（Δλ）响应应变（ε）与温度（T），其灵敏度系数分别为1.2 pm/με和10.8 pm/°C。
2. DVS技术：基于相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR），通过监测后向瑞利散射光的相位变化（δφ）检测振动信号，空间分辨率达10米。

研究流程与方法

1. FBG-DVS传感器的开发与性能测试

传感器设计
- 封装材料：采用玻璃纤维增强塑料（GFRP）封装FBG与分布式光纤，提升抗剪强度（105 MPa）与弹性模量（46 GPa）。
- 结构参数：直径5 mm，长度1500 mm，内置6个FBG测点，间距3 m（图2、图3）。

性能实验
- 拉伸测试（图4）：施加阶梯应变（0–7000 με），测得平均应变灵敏度系数为1.24 pm/με，与裸FBG一致（图4b）。
- 振动测试（图5）：通过5 kg重物自由落体（高度300–1000 mm）模拟振动，信号强度与落体高度正相关。
- 弯曲测试（图6）：弯曲半径35–101 cm范围内，波长偏移与曲率呈线性关系（灵敏度2.07 pm/cm）。

2. 工程边坡监测应用

现场部署
- 工程背景：某高速铁路边坡（长85 m，坡度32°），因降雨导致地表裂缝（图7、图8）。
- 传感器安装（图9）：钻孔（直径110 mm）后，将FBG-DVS传感器绑缚于PVC管（直径75 mm）并插入钻孔，空隙灌注水泥砂浆以确保与土体协同变形。

数据采集与分析
- 变形监测（图12）：FBG-DVS23传感器监测到距地表2 m处土层位移达6 mm，后因抗滑桩设置趋于稳定。
- 振动信号（图13）：在位移扩展阶段捕获6次振动事件，信号强度与裂缝扩展速率相关，但振动强度与变形幅度无直接对应关系。

主要结果与结论

1. 传感器性能验证：FBG-DVS兼具高机械强度（抗剪105 MPa）与传感精度（应变1.24 pm/με，弯曲2.07 pm/cm），适用于复杂地质环境。
   
2. 边坡监测成果：成功识别土层裂缝扩展（位移6 mm）及伴随振动信号，证实振动可引发应力重分布，需结合应变与振动数据综合评估稳定性。
   
3. 技术优势：
   
   • 集成性：单传感器同步实现局部应变与连续振动监测。
     
   • 抗干扰性：GFRP封装保护光纤，适用于埋入式部署。
     

研究价值与创新

科学价值
- 提出“应变-振动”耦合监测理论，揭示振动载荷对边坡应力场的动态影响机制。
- 验证FBG与DVS技术在深部土层监测中的协同可行性。

应用价值
- 为铁路、公路边坡提供实时灾害预警（如滑坡、崩塌），支撑工程安全管理。
- 技术可扩展至管道、堤坝等基础设施健康监测。

研究亮点

1. 原创传感器设计：全球首次报道GFRP封装FBG-DVS复合传感器，解决裸光纤易损问题。
   
2. 多参数融合分析：通过应变与振动信号关联，提升滑坡预警准确性。
   
3. 工程实证：在高速铁路边坡实现从实验室到现场的技术转化，数据公开可复现（Data Availability）。
   

资助与致谢
研究受“高能级大高度落石柔性拦截系统研究（KSNQ233027）”项目支持，并获大连博瑞鑫科技有限公司提供FBG与DVS设备。