基于水平應(yīng)變監(jiān)測(cè)信息的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)研究

唐勝傳，黃詩淵，周泳峰

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 山區(qū)道路工程與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400067; 2. 重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大量的基礎(chǔ)建設(shè)工程建設(shè)于西部山區(qū)，由于山區(qū)的特殊性，許多基礎(chǔ)工程需坐落于邊坡上。在邊坡上建立地基可能被認(rèn)為是一種邊坡穩(wěn)定性或承載力問題[1-2]，其破壞模式受到巖體體類型[3-6]，邊坡幾何[7-8]，地基類型，地基位置[9-10]，基礎(chǔ)寬度及荷載大小[11]的影響。由于邊坡與地基的相互作用，邊坡在附加荷載作用下的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)成為地質(zhì)工程師的一項(xiàng)重要任務(wù) 。

目前，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是防治邊坡失穩(wěn)破壞的一個(gè)主要手段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠給邊坡的安全穩(wěn)定評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)支持，是工程預(yù)警的重要支撐。 由于影響邊坡安全的因素較為復(fù)雜，邊坡巖土體的力學(xué)參數(shù)和安全狀態(tài)難以確定，需要設(shè)置各種監(jiān)測(cè)儀器對(duì)邊坡的巖土體進(jìn)行精細(xì)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡安全狀態(tài)發(fā)展變化的監(jiān)測(cè)。

傳統(tǒng)的邊坡監(jiān)測(cè)方法主要是對(duì)地表位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但對(duì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)充滿了不確定性[12-13]。近年來，隨著分布式光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，一種新的監(jiān)測(cè)方法逐漸在各種工程邊坡和滑坡中得到應(yīng)用，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)邊坡的應(yīng)變分布信息進(jìn)而對(duì)邊坡實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[14]。相對(duì)位移而言，應(yīng)力、應(yīng)變的累積更能夠表征邊坡劣化過程，根據(jù)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果，就有可能重構(gòu)邊坡內(nèi)部應(yīng)變場(chǎng)，就有望對(duì)坡體內(nèi)部滑動(dòng)面的進(jìn)行預(yù)測(cè)并實(shí)現(xiàn)邊坡失穩(wěn)過程的評(píng)價(jià)。

學(xué)者們[14-15]對(duì)一均質(zhì)土坡條形荷載作用下的應(yīng)變分布進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性系數(shù)與不同高程的最大水平應(yīng)變之間的關(guān)系可用冪函數(shù)表示，為邊坡的早期預(yù)警和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了新的思路。然而，其僅討論了基礎(chǔ)坡頂距為0 m時(shí)的情況，需要進(jìn)一步的深入探討。

基于此，建立了幾種不同情況下的邊坡，研究了邊坡在條形荷載作用下失穩(wěn)過程中水平應(yīng)變的分布情況，對(duì)穩(wěn)定性系數(shù)與水平應(yīng)變之間的關(guān)系進(jìn)行了討論分析，并對(duì)分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)布置位置進(jìn)行了建議。

1 數(shù)值模型

采用有限元軟件MIDAS-GTS NX，建立了3種均質(zhì)邊坡模型，其中，邊坡高度H=15 m，坡角β=45°，條形基礎(chǔ)寬度B=6 m，僅改變條形基礎(chǔ)的坡頂距D，分別為0、4、14 m，數(shù)值模型如圖1。

圖1 數(shù)值模型

模型網(wǎng)格的大小設(shè)置為0.2 m，底部約束水平和豎直位移，兩側(cè)約束水平位移。土體材料參數(shù)見表1，采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則。在數(shù)值計(jì)算中，條形基礎(chǔ)的均布荷載按線性增加，直至計(jì)算不收斂，此時(shí)可認(rèn)為已發(fā)生破壞。同時(shí)，用規(guī)范常用的Bishop法計(jì)算了邊坡在不同荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

為了監(jiān)測(cè)在破壞過程中邊坡的實(shí)時(shí)信息，于不同高程建立了6條水平應(yīng)變監(jiān)測(cè)線，標(biāo)記為H1～H6。同時(shí)，為模擬傳統(tǒng)測(cè)斜儀，建立了垂直位移監(jiān)測(cè)線設(shè)置為獲得位移數(shù)據(jù)，標(biāo)記為V1。

2 結(jié)果與分析

2.1 加載過程中的水平應(yīng)變分布

對(duì)坡頂距D=0 m的邊坡模型進(jìn)行分析，得到了邊坡內(nèi)部水平應(yīng)變的分布，如圖2。由圖2可知：在加載剛開始時(shí)，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)于坡腳處，而基礎(chǔ)與邊坡接觸區(qū)域承受壓應(yīng)變，在基礎(chǔ)下部較深區(qū)域，水平應(yīng)變主要體現(xiàn)為拉應(yīng)變。隨著堆載的增加，坡腳處的應(yīng)變集中逐漸向內(nèi)發(fā)展，地基下的應(yīng)變集中區(qū)逐漸發(fā)展成倒三角形。當(dāng)荷載達(dá)到80 kPa時(shí)(此時(shí)地基已發(fā)生破壞)，水平拉應(yīng)變集中區(qū)與和邊坡潛在滑移面相交，如圖2(c)。

圖2 加載過程中水平應(yīng)變?cè)茍D(拉為正，壓為負(fù))

2.2 不同高度下的水平應(yīng)變分布

為了研究邊坡在加載過程中的應(yīng)變狀態(tài)，得到了各高程的水平應(yīng)變分布，如圖3。

由圖3可見：對(duì)于H6測(cè)線，基礎(chǔ)位置處的的水平應(yīng)變主要體現(xiàn)為壓應(yīng)變，當(dāng)荷載達(dá)到80 kPa時(shí)，基礎(chǔ)左側(cè)主要體現(xiàn)為拉應(yīng)變，最大拉應(yīng)變出現(xiàn)于基礎(chǔ)的左端，符合地基的破壞的一般模式。在實(shí)際工程中，該拉應(yīng)變突變可預(yù)測(cè)坡頂拉裂縫的形成。而對(duì)于H5～H1測(cè)線，基礎(chǔ)以下的水平應(yīng)變主要體現(xiàn)為拉應(yīng)變，當(dāng)荷載較小時(shí)，最大水平應(yīng)變隨荷載增加呈線性增加，而當(dāng)荷載大于60 kPa后，最大水平應(yīng)變隨荷載增加呈非線性增加。

圖3 加載過程中邊坡不同高程處水平應(yīng)變分布

通過對(duì)6條監(jiān)測(cè)線中的水平應(yīng)變分布進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)隨著高度的降低，最大水平應(yīng)變出現(xiàn)位置逐漸向右移動(dòng)，最大水平應(yīng)變值出現(xiàn)于測(cè)線H2中。采用Bishop法計(jì)算得到的潛在滑動(dòng)面與各測(cè)線的交點(diǎn)處的水平應(yīng)變并不是該測(cè)線上的最大水平應(yīng)變，說明在條形基礎(chǔ)荷載作用下，水平測(cè)線監(jiān)測(cè)到的最大水平應(yīng)變出現(xiàn)的位置并不能準(zhǔn)確獲取潛在滑動(dòng)面位置，不過，應(yīng)變分布可以反映實(shí)際土體的局部應(yīng)力狀態(tài)。

為了比較位移，V1監(jiān)測(cè)線中水平位移的分布如圖4。研究發(fā)現(xiàn)：隨著基礎(chǔ)荷載的增加，最大水平位移呈非線性增長(zhǎng)，而且最大水平位移出現(xiàn)的位置逐漸上移。最終，當(dāng)?shù)鼗l(fā)生破壞時(shí)，最大水平位移約為15 mm。此外，垂直測(cè)線V1 上的水平位移最大值并不能預(yù)測(cè)滑動(dòng)面位置，滑面上方土體質(zhì)點(diǎn)的水平位移一般都比滑面上質(zhì)點(diǎn)的水平位移更大。

圖4 加載過程中不同高程的水平位移分布

2.3 水平應(yīng)變和穩(wěn)定性系數(shù)關(guān)系曲線

文獻(xiàn)[15]的物理試驗(yàn)結(jié)果表明，水平應(yīng)變與穩(wěn)定性系數(shù)之間有很好的擬合關(guān)系，其可以用對(duì)數(shù)曲線擬合，如式(1)：

F=mln(ε)+n

(1)

式中：F為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)，是各監(jiān)測(cè)線的最大水平應(yīng)變；m和n為擬合公式的常數(shù)無量綱參數(shù)；ε為各測(cè)線的水平應(yīng)變最大值。

根據(jù)式(1)將邊坡模型(D=0)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖5，可見所有相關(guān)系數(shù)均大于0.9，其中H1監(jiān)測(cè)線的應(yīng)變參數(shù)具有最佳的擬合效果。因此說明，在實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中利用應(yīng)變參數(shù)評(píng)價(jià)這種穩(wěn)定性是可行的。

圖5 水平應(yīng)變與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

2.4 基于水平應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性

在工程實(shí)踐中，由于經(jīng)濟(jì)問題，光纖傳感器并不可能安裝在邊坡內(nèi)部的各個(gè)部位，它應(yīng)安裝在邊坡在最關(guān)鍵的位置(通常在邊坡內(nèi)部區(qū)域)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在邊坡數(shù)值分析中，土體的塑性區(qū)通常以增量的形式表示，因此，將各測(cè)線最大水平應(yīng)變換成增量的形式，作出其與邊坡穩(wěn)定系數(shù)之間的關(guān)系，見圖6。

圖6 水平應(yīng)變?cè)隽颗c邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系曲線

由圖6可見，在荷載逐步增加的過程中，邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低，應(yīng)變?cè)隽恐鸩皆鲩L(zhǎng)，當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)降低到一定水平時(shí)(F=1.125)時(shí)，測(cè)線最大應(yīng)變?cè)隽堪l(fā)生突變，如圖6的灰色區(qū)域。因此，利用各水平測(cè)線的應(yīng)變信息對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè)是可能的，當(dāng)水平應(yīng)變?cè)隽吭鏊佥^大時(shí)，標(biāo)志著邊坡有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

3 討 論

以上分析結(jié)果說明式(1)的擬合關(guān)系適用于條形基礎(chǔ)下均質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。但文獻(xiàn)[15]和前文僅僅對(duì)坡頂距D=0時(shí)的邊坡進(jìn)行了分析，為了驗(yàn)證該關(guān)系是否適用于其它情況，構(gòu)建了另外2個(gè)模型，其坡頂距D分別為4、14 m，土體參數(shù)保持一致。首先，按照式(1)對(duì)以上兩種坡頂距的模型進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖7。對(duì)于D=4 m時(shí)的邊坡模型，各測(cè)線的最大水平位移與穩(wěn)定性系數(shù)對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)均在0.89以上，然而，對(duì)于D=14 m時(shí)的邊坡模型，各測(cè)線的最大水平位移與穩(wěn)定性系數(shù)的對(duì)數(shù)函數(shù)擬合關(guān)系較差，最大相關(guān)系數(shù)僅僅為0.485。因此，可以說明，當(dāng)坡頂距較大時(shí)，對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系不再適用。

圖7 穩(wěn)定性系數(shù)與水平應(yīng)變的對(duì)數(shù)關(guān)系

圖7中顯示的關(guān)系可以用線性擬合表示，如式(2)：

F=aε+b

(2)

式中：F為邊坡模型的穩(wěn)定因子，是各監(jiān)測(cè)線的最大水平應(yīng)變；a和b為擬合公式的常數(shù)無量綱參數(shù)。

如圖8，所有的相關(guān)系數(shù)均在0.76以上，對(duì)比而言，測(cè)線高程越大，其擬合關(guān)系越好。

條形基礎(chǔ)下均質(zhì)邊坡的破壞機(jī)理強(qiáng)烈地依賴于荷載的大小和地基的位置[1-2]。當(dāng)位置發(fā)生改變，失效機(jī)制發(fā)生變化，導(dǎo)致最大應(yīng)變與穩(wěn)定因子之間的關(guān)系發(fā)生變化。當(dāng)條形基礎(chǔ)靠近坡肩時(shí)，冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)能夠較好地?cái)M合，然而，當(dāng)條形基礎(chǔ)遠(yuǎn)離坡頂時(shí)，線性函數(shù)能夠較好地?cái)M合。

綜合比較以上3種模型中不同測(cè)線最大水平應(yīng)變與穩(wěn)定性系數(shù)的相關(guān)系數(shù)，如圖9。明顯地，測(cè)線H4和H5相對(duì)于其余測(cè)線具有更好匹配程度，表明這些區(qū)域更適合于邊坡應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此，建議在邊坡的中上部進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖8 水平應(yīng)變與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的線性關(guān)系(D=14 m)

圖9 不同測(cè)線處水平應(yīng)變與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)擬合曲線相關(guān)系數(shù)比較

5 結(jié) 論

筆者通過建立3種不同坡頂?shù)倪吰聰?shù)值模型，進(jìn)一步的討論了基于應(yīng)變的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。得到以下結(jié)論：

1)隨著基礎(chǔ)荷載的逐漸增加，土體的水平應(yīng)變也逐漸增加，但最大水平應(yīng)變和最大水平位移出現(xiàn)位置并非出現(xiàn)于滑動(dòng)面上，不過，通過水平應(yīng)變分布可以觀察土體的局部應(yīng)力狀態(tài)；

2)建立了邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與測(cè)線最大水平應(yīng)變之間的擬合關(guān)系，同時(shí)，根據(jù)水平應(yīng)變?cè)隽孔兓厔?shì)可對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定性評(píng)價(jià)；

2)條形基礎(chǔ)下均質(zhì)邊坡的破壞機(jī)理強(qiáng)烈地依賴于荷載的大小和地基的位置。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，失效機(jī)制發(fā)生變化，導(dǎo)致最大應(yīng)變與穩(wěn)定因子之間的關(guān)系發(fā)生變化。當(dāng)條形基礎(chǔ)靠近坡肩時(shí)，冪函數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)能夠較好地?cái)M合，然而，當(dāng)條形基礎(chǔ)遠(yuǎn)離坡頂時(shí)，線性函數(shù)能夠較好地?cái)M合；

3)綜合比較不同坡頂距的邊坡模型中不同測(cè)線最大水平應(yīng)變與穩(wěn)定性系數(shù)的相關(guān)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)最佳監(jiān)測(cè)區(qū)域在邊坡的中上部，此外，安裝于坡頂?shù)墓饫w傳感器也是必要的，有利于監(jiān)測(cè)坡頂?shù)膹埨芽p。