基于支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的邊坡穩(wěn)定性分析

詹偉

摘 要：通過(guò)對(duì)某高速公路邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析判斷邊坡施工過(guò)程中的穩(wěn)定狀態(tài)以及應(yīng)力損失情況，結(jié)合數(shù)值分析模型模擬應(yīng)力損失后的土體受力和位移情況，分析結(jié)果表明，監(jiān)測(cè)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力；監(jiān)測(cè)；邊坡；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）17-0008-03

Abstract： Through the real-time stress monitoring of the slope protection structure of a certain expressway， the stable state and the stress loss of the slope during the construction process are analyzed and judged according to the monitoring data. Based on the numerical analysis model to simulate the stress loss of soil force and displacement， the analysis results show that the monitoring slope is in a stable state.

Keywords： stress； monitoring； slope； stability

某山區(qū)高速公路沿線(xiàn)部分邊坡開(kāi)挖高度高，多采用錨固防護(hù)形式，而支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力是影響防護(hù)結(jié)構(gòu)安全的重要因素。如果支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)力過(guò)高，可能使防護(hù)設(shè)施發(fā)生突然破壞，成為工程中的“定時(shí)炸彈”；反之，如果工作應(yīng)力衰減過(guò)大，則起不到主動(dòng)加固巖土體的作用。因此，有必要開(kāi)展基于支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的邊坡穩(wěn)定性分析技術(shù)研究，評(píng)估邊坡穩(wěn)定性和安全防護(hù)有效性，保證錨固結(jié)構(gòu)安全和邊坡穩(wěn)定性。

1 工程概況

本項(xiàng)目選擇位于浙江省某山區(qū)高速公路LP02合同段一路塹高邊坡作為監(jiān)測(cè)研究對(duì)象。該邊坡最大開(kāi)挖高度54.5m，分八級(jí)開(kāi)挖支護(hù)，各級(jí)防護(hù)措施分別為：第一級(jí)設(shè)擋墻防護(hù)，第二、三級(jí)設(shè)錨桿框格防護(hù)，第四、五級(jí)設(shè)錨索框格植被防護(hù)，第六級(jí)骨架植草防護(hù)，第七、八級(jí)邊坡高次團(tuán)粒防護(hù)。錨索錨固段全部進(jìn)入中風(fēng)化巖層。邊坡地質(zhì)情況如下：坡表分布厚度不等的殘破積粉質(zhì)黏土層，局部為含碎石粉質(zhì)黏土層，褐黃色，可塑，碎石含量在25%左右，風(fēng)化強(qiáng)烈，厚約1.0～4.8m，屬普通土（Ⅱ）；下伏基巖為片麻巖：全風(fēng)化，淺黃色、淺灰褐色，砂土狀，具有可塑性，厚約10.7～26m，屬普通土（Ⅱ）；強(qiáng)風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊狀及碎屑狀，屬軟石（Ⅳ）；中風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙間由方解石脈充填，屬次堅(jiān)石（Ⅴ）。

2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

針對(duì)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)邊坡的防護(hù)工程情況，在邊坡第四、五級(jí)預(yù)應(yīng)力錨索框格防護(hù)工程中選擇兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，開(kāi)展應(yīng)力監(jiān)測(cè)。該邊坡錨索設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為27m～36m，錨固段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值均為12m，錨固力設(shè)計(jì)值為780kN。監(jiān)測(cè)原理是采用彈性波錨頭激振方法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力變化，具體監(jiān)測(cè)方法是選擇典型錨索埋設(shè)壓力環(huán)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并對(duì)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)提供驗(yàn)證；采用錨頭激振技術(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的工作應(yīng)力進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，對(duì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨索工作應(yīng)力的整體情況進(jìn)行評(píng)估。

測(cè)力計(jì)在安裝前可以根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)率定。為了保證錨索測(cè)力計(jì)能夠真實(shí)反映受力狀況，需要在測(cè)力計(jì)兩個(gè)端面放置承載墊板，使加載荷載呈均勻分布。同時(shí)，承載墊板在加工時(shí)應(yīng)格外小心，表面應(yīng)平整，如果墊板表面有焊渣等異物，可能導(dǎo)致加載過(guò)程中出現(xiàn)讀數(shù)誤差。在正式加壓前，應(yīng)先預(yù)壓二次，預(yù)壓時(shí)應(yīng)緩慢施壓，并在最大壓力處保持一分鐘以上。預(yù)壓結(jié)束，測(cè)力計(jì)應(yīng)靜止10分鐘后才能進(jìn)行正式率定。

根據(jù)邊坡防護(hù)設(shè)計(jì)要求，測(cè)力計(jì)安裝在錨固端。安裝時(shí)鋼絞線(xiàn)或錨索從錨索計(jì)中心穿過(guò)，測(cè)力計(jì)處于鋼板和工作錨之間。錨索測(cè)力計(jì)典型安裝示意圖見(jiàn)圖1所示。

測(cè)力計(jì)安裝完成后，各模塊與數(shù)據(jù)采集儀之間通過(guò)電纜連接組成一套完成的應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為了方便野外長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，為整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)圖見(jiàn)圖2。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

應(yīng)力監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完成后，采用BSIL-MICRO-MCU測(cè)量系統(tǒng)對(duì)應(yīng)力開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖，其中一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)圖來(lái)看，該邊坡錨索預(yù)應(yīng)力趨于穩(wěn)定，說(shuō)明該邊坡施工過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出，當(dāng)錨索鎖定后，隨著時(shí)間的推移，會(huì)發(fā)生荷載損失，損失率大約在10%～20%。這主要是由于巖土體的壓縮、錨索材料的變形松弛等原因造成的。

4 穩(wěn)定性分析

根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)邊坡斷面截面尺寸及錨索布置情況，采用FLAC 3D數(shù)值分析軟件建立邊坡模型開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性分析，如圖4所示。模型建立時(shí)的假設(shè)條件包括：不考慮Y方向不平衡力對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。邊坡側(cè)面采用法向約束，底面采用固定約束。模型建立的過(guò)程：先采用彈性模型生成初始地應(yīng)力場(chǎng)，再降土體定義為摩爾庫(kù)倫模型，最后添加錨索構(gòu)件，開(kāi)始計(jì)算分析。

模型分析計(jì)算中采用的方法是強(qiáng)度折減法。該方法將邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度定義為邊坡安全系數(shù)，也就是巖土體實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)的折減后剪切強(qiáng)度的比值。在分析計(jì)算結(jié)果時(shí)，當(dāng)安全系數(shù)大于1時(shí)，邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)安全系數(shù)小于1時(shí)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要加固措施。

在開(kāi)展計(jì)算分析前，先計(jì)算開(kāi)挖后未采取防護(hù)措施時(shí)的邊坡安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果：安全系數(shù)0.92，小于1，說(shuō)明此時(shí)邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。邊坡剪切計(jì)算云圖中可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了塑性貫通區(qū)，見(jiàn)圖5，即出現(xiàn)了潛在滑動(dòng)面，邊坡可能發(fā)生失穩(wěn)破壞。

正式開(kāi)展計(jì)算時(shí)，在邊坡分析模型中施加防護(hù)措施，再次計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果為1.39，大于1.0，說(shuō)明邊坡在加固后已處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬開(kāi)挖施加防護(hù)工程后的邊坡剪切應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖6所示，說(shuō)明錨索加固措施有效阻斷了潛在滑動(dòng)面的發(fā)展，邊坡防護(hù)工程取得了較好的效果，邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

實(shí)際工程中，錨索的錨固效果取決于預(yù)應(yīng)力引起的附加應(yīng)力，而錨索受到巖土體的壓縮、錨索材料的變形松弛等諸多因素的影響后，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力損失，使錨固效果產(chǎn)生影響。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，該邊坡的預(yù)應(yīng)力損失在10%～20%左右，本研究采用數(shù)值分析模型模擬錨索預(yù)應(yīng)力損失后的土體受力和位移情況，從穩(wěn)定性分析結(jié)果來(lái)看，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明邊坡錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮了足夠的安全冗余，在長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到20%左右時(shí)，仍能保證邊坡的安全穩(wěn)定。

從計(jì)算模型分析中可以發(fā)現(xiàn)，在錨索發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失后，土體中產(chǎn)生的附加應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了改變，防護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)邊坡的主動(dòng)防護(hù)效果有所下降。實(shí)際工程中，提高預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)值可以增強(qiáng)加固效果，但是施工時(shí)要求更高的施工工藝、更好的錨索材料以及更高的砂漿強(qiáng)度等，成本大量增加，工程防護(hù)的經(jīng)濟(jì)性有所降低。因此，應(yīng)根據(jù)邊坡實(shí)際情況合理設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)，并考慮預(yù)應(yīng)力長(zhǎng)期損失后，使剩余應(yīng)力能夠滿(mǎn)足邊坡穩(wěn)定的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)展實(shí)時(shí)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析判斷邊坡施工過(guò)程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合數(shù)值分析模型模擬加固前后以及錨索預(yù)應(yīng)力損失后的土體受力和位移情況，從穩(wěn)定性分析結(jié)果來(lái)看，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明邊坡錨索預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，已考慮了足夠的安全冗余，在長(zhǎng)期預(yù)應(yīng)力損失達(dá)到10%～20%時(shí)，仍能保證該邊坡的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]金愛(ài)兵，高永濤，蔡美峰，等.擋土墻加固工程錨索預(yù)應(yīng)力損失與補(bǔ)償[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（3）：199-202.

[2]張發(fā)明，趙維柄，劉寧，等.預(yù)應(yīng)力錨索錨固荷載的變化規(guī)律及預(yù)測(cè)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23（1）：39～43.

[3]李厚恩，秦四清，孫強(qiáng).基坑支護(hù)錨索預(yù)應(yīng)力損失探討及預(yù)測(cè)分析[J].工程勘察，2007（4）：7-10.

[4]張曉忠，張勝民，李世民.土層錨索預(yù)應(yīng)力損失原因分析與補(bǔ)償對(duì)策研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2009（5）：99-101.

[5]韓銳.巖土預(yù)應(yīng)力錨內(nèi)錨固段長(zhǎng)期受力破壞性能研究[D].山東建筑大學(xué)，2010.

[6]李強(qiáng).道路邊坡穩(wěn)定性影響因素及防治分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（18）：151.

[7]陳琴.巖土邊坡穩(wěn)定性的影響因素及分析方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（35）：250.