錨桿支護(hù)邊坡預(yù)警閾值研究及智能監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

王桂萱,黃 平,趙 杰

(大連大學(xué)土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心,遼寧 大連 116622)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模日漸龐大,錨桿在復(fù)雜環(huán)境下的邊坡支護(hù)工程中得到了廣泛運用。錨桿以自身的高抗拉性能以及注漿體與土層粘結(jié)作用,充分提高巖土邊坡整體強度,從而提升邊坡的安全穩(wěn)定性,避免滑坡導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害,造成不同程度的人員傷亡、經(jīng)濟損失及環(huán)境破壞,因此在邊坡工程防護(hù)中具有不可替代的作用[1]。然而在錨桿投入運營后,受到外界因素影響,仍然有很大可能引起邊坡失穩(wěn),造成滑坡事故,所以有效的監(jiān)測預(yù)警必不可少。坡體變形破壞大多符合漸進(jìn)破壞特征[2]和三級法[3-5]特點,整個變形失穩(wěn)過程從初始變形到最終破壞,經(jīng)歷了局部應(yīng)力集中、局部塑性區(qū)出現(xiàn)、塑性區(qū)貫通幾個階段。除了傳統(tǒng)的極限平衡法外,強度折減法[6]在地質(zhì)邊坡研究與實踐中得到了廣泛運用。其中不乏開創(chuàng)性的成果:陳國慶[7]、劉海政[8]將整體強度折減法和動態(tài)強度折減法相結(jié)合,克服傳統(tǒng)算法導(dǎo)致的缺陷,更好地判斷邊坡穩(wěn)定性;晏長根等[9]進(jìn)一步完善邊坡安全評價體系,在監(jiān)測預(yù)警工作方面提供一定參考。目前多數(shù)研究都停留在支護(hù)邊坡的受力變形特征分析[10-11],對深入的預(yù)警研究還是稍有不足,有部分原因是監(jiān)測對象多樣性,沒有深入研究某種監(jiān)測對象的監(jiān)測結(jié)果與邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系。筆者對于在支護(hù)結(jié)構(gòu)中得到大量應(yīng)用的錨桿進(jìn)行了相關(guān)研究。LabVIEW軟件對于系統(tǒng)開發(fā)有著難以超越的簡便性與高效性[12-13]。

基于上述分析,筆者運用巖土數(shù)值分析軟件PLAXIS分析邊坡錨桿應(yīng)變與安全穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)聯(lián)性,利用強度折減法的原理,對錨桿的受力變形分析,尋找到邊坡臨界失穩(wěn)破壞的錨桿應(yīng)變閾值,判定最終的預(yù)警閾值,將其導(dǎo)入LabVIEW所編譯的監(jiān)測系統(tǒng)中,優(yōu)化監(jiān)測方法,達(dá)到智能監(jiān)測預(yù)警的目的。

1 計算方法及預(yù)警分級

1.1 強度折減法

強度折減法即在進(jìn)行彈塑性有限元分析的過程中將巖土體的抗剪強度參數(shù)減至其臨界破壞狀態(tài),有限元軟件可依據(jù)內(nèi)置算法及相關(guān)命令進(jìn)行計算,最終得到邊坡安全穩(wěn)定系數(shù),同時也可以得出坡體的破壞滑動面。

強度折減計算主要對土體的兩個抗剪強度參數(shù)內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c進(jìn)行比例折減。安全性分析中計算階段的土體強度參數(shù)通過總乘子∑Msf定義,即

(1)

式中:帶下標(biāo)“input”的強度參數(shù)是在材料初始輸入的值;帶下標(biāo)“reduced”的強度參數(shù)是在分析中采用的折減值。在PLAXIS中開始進(jìn)行安全性計算時,所有材料強度參數(shù)取輸入值,即∑Msf為1.0;利用式(1)來調(diào)整土體的強度指標(biāo)對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析,通過不斷增加折減系數(shù),反復(fù)計算,達(dá)到模型破壞狀態(tài)為止,此時的總乘子即為安全穩(wěn)定性系數(shù)Fs。

1.2 預(yù)警分級劃分

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2017)對于邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)的劃分給出了標(biāo)準(zhǔn),依據(jù)文獻(xiàn)[8],將錨桿支護(hù)的邊坡進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警分級分為綠色安全、黃色異常、橙色警告和紅色危險。為了避免延遲預(yù)警造成惡劣突發(fā)事件的發(fā)生,提高規(guī)范中的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù),在規(guī)范基礎(chǔ)上增加0.05,如表1所示。

表1 錨桿監(jiān)測的邊坡預(yù)警分級

2 系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計

筆者基于圖標(biāo)型程序編譯平臺LabVIEW進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)。LabVIEW是一個優(yōu)秀的虛擬機軟件,不僅可以進(jìn)行程序編寫工作,還可以根據(jù)需求設(shè)計運行環(huán)境及系統(tǒng)編譯。

整個程序的目標(biāo)實現(xiàn)主要依靠條件語句來限定程序的邏輯順序,即啟動程序→啟動儀器→連接目標(biāo)→保存數(shù)據(jù)、實時顯示、預(yù)警→關(guān)閉引擎→退出,邏輯順序示意圖如圖1所示。

圖1 邏輯順序示意圖

此邏輯架構(gòu)主要利用將初始字符串?dāng)?shù)組在移位寄存器中進(jìn)行寄存上一次循環(huán)值,然后再傳遞到下一次循環(huán)中,進(jìn)而利用對數(shù)組的操作操控條件結(jié)構(gòu),最終使條件結(jié)構(gòu)根據(jù)指令作出相應(yīng)判斷和分支執(zhí)行。

示意架構(gòu)圖主要實現(xiàn)過程首先初始數(shù)組值只有一個字符串,即“開始”。此時啟動進(jìn)入While循環(huán)結(jié)構(gòu),刪除數(shù)組函數(shù)將第一個(0)信號值刪去,并將第一個信號值(開始)接入條件結(jié)構(gòu)觸發(fā)“開始”分支執(zhí)行,在執(zhí)行過程中創(chuàng)建新字符串?dāng)?shù)組并添加“退出”,傳遞條件結(jié)構(gòu)并寄存在移位寄存器中;同理,再依次激活“下一步”和“退出”分支,最終由刪除信號值與“退出”等價觸發(fā)While循環(huán)結(jié)束信號。

3 算例分析

3.1 模型及參數(shù)

當(dāng)進(jìn)行邊坡安全穩(wěn)定性分析時,若使用高級巖土本構(gòu)模型,如土體硬化模型和小應(yīng)變土體硬化模型,這些本構(gòu)模型實際上會退化為標(biāo)準(zhǔn)的Mohr-Coulomb模型,這是由于PLAXIS2D安全性計算時不考慮剛度的應(yīng)力相關(guān)性以及土體硬化效應(yīng),剛度在計算階段開始時基于初始應(yīng)力進(jìn)行計算,此后一直保持為常量至計算階段結(jié)束。因此可以直接選擇Mohr-Coulomb模型進(jìn)行安全穩(wěn)定性分析。

Embedded beam row單元是PLAXIS軟件中的一種特殊結(jié)構(gòu)單元,考慮樁周土體的三維應(yīng)力狀態(tài)和變形特征,能夠?qū)ψ{錨桿進(jìn)行有效的簡化模擬。

某邊坡工程,邊坡比例1∶0.5,邊坡高度為10 m,邊坡剖面如圖2所示。采用3排無護(hù)表構(gòu)件錨桿進(jìn)行支護(hù),錨桿鋼筋長度為9 m,直徑為0.028 m,錨固角為15°(不考慮施工因素的影響)。

圖2 邊坡算例剖面圖

邊坡的有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。邊坡側(cè)面約束對應(yīng)的法向位移,底面部位約束所有方向的位移。土體參數(shù)如表2所示,錨桿彈性模量E為29 GPa,鉆孔半徑為0.05 m。

圖3 有限元模型

表2 土體參數(shù)表

3.2 計算分析

邊坡在經(jīng)過錨桿支護(hù)加固后,其穩(wěn)定性得到了一定提高。初始邊坡安全系數(shù)為1.549,進(jìn)行加固后變?yōu)?.151。進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計算時產(chǎn)生的增量位移與邊坡實際的位移并無太大關(guān)系,可從增量位移變化云圖中看出滑動面位置。圖4和圖5分別為加固前后的增量位移云圖及圖例,加固之后的滑移面較天然邊坡后移,邊坡穩(wěn)定性明顯提高。在錨桿施工完成后工作中,假設(shè)邊坡其他條件保持不變,對土層的抗剪強度系數(shù)K進(jìn)行折減接近邊坡極限狀態(tài),其取值序列為1.10,1.20,1.30,1.40,1.50,1.60,1.70,1.80,1.90,2.00,2.10?；贛ohr-Coulomb強度準(zhǔn)則,通過動態(tài)折減序列折減邊坡強度參數(shù)后,再通過整體強度折減法計算整個邊坡的安全穩(wěn)定性系數(shù)。

圖4 天然邊坡增量位移云圖

圖5 錨固邊坡增量位移云圖

將動態(tài)折減序列的強度參數(shù)輸入模型,利用整體強度折減法進(jìn)行計算,獲得了邊坡漸進(jìn)失穩(wěn)的演化過程,在不斷的折減過程中觀測到塑性區(qū)延展趨勢,圖6所示為部分折減模擬結(jié)果及塑性點區(qū)域。隨著折減系數(shù)的增大,整個邊坡的塑性區(qū)不斷擴大,邊坡響應(yīng)也更加強烈,基于抗剪強度參數(shù)的動態(tài)序列折減方法對于研究邊坡穩(wěn)定性及破壞機理有一定的實用性。

圖6 折減模擬結(jié)果

3.3 動態(tài)穩(wěn)定性系數(shù)

土體的抗剪強度參數(shù)每經(jīng)歷一次折減后,再利用整體強度折減法計算,可算出折減系數(shù)K對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)Fs值。表3為折減系數(shù)K動態(tài)序列變化對應(yīng)的動態(tài)安全系數(shù)。

表3 動態(tài)折減系數(shù)與安全系數(shù)

隨著折減系數(shù)的增大,抗剪強度參數(shù)逐漸減小,安全系數(shù)也隨之降低;錨固邊坡的初始安全系數(shù)為2.151,開始進(jìn)行折減時,安全系數(shù)下降速率較快,當(dāng)折減系數(shù)逐漸接近2.151時,安全系數(shù)下降的速率會逐漸降低;當(dāng)達(dá)到初始安全系數(shù)的臨界值時,邊坡發(fā)生失穩(wěn),開始倒塌。當(dāng)邊坡除抗剪強度參數(shù)外其他條件保持不變時,初始折減序列與折減后邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)成反比。

根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330 —2017)要求,邊坡錨桿監(jiān)測預(yù)警分級中Fst取1.35(規(guī)定值再加0.05)。當(dāng)Fs分別為1.05,1.10,1.35時,對應(yīng)折減系數(shù)K為2.049,1.957,1.593。

3.4 數(shù)據(jù)處理

無護(hù)表構(gòu)件錨桿工作時,現(xiàn)場利用埋設(shè)在錨桿鋼筋內(nèi)的應(yīng)變傳感器可以測得不同截面除的軸向應(yīng)變值,錨桿某截面的軸力值可利用彈性力學(xué)公式計算出。因此,根據(jù)彈性力學(xué)公式,錨桿應(yīng)變的計算方法如下:

ε=Ns/EmA.

(2)

式中:ε為錨桿的應(yīng)變;Ns為錨桿某處的軸力;Em為錨桿的彈性模量;A為錨桿截面積。提取折減系數(shù)為2.049、1.957及1.593的三種工況模型中對應(yīng)的錨桿最大軸力,計算對應(yīng)的應(yīng)變值作為預(yù)警閾值,計算結(jié)果見表4。

表4 預(yù)警分級及預(yù)警閾值

當(dāng)錨桿監(jiān)測應(yīng)變值小于195.12 ×10-6時,邊坡安全系數(shù)大于1.35,處于穩(wěn)定狀態(tài),前面板顯示圖標(biāo)為綠色安全;當(dāng)監(jiān)測應(yīng)變值處于195.1×10-6～1212.15×10-6時,邊坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)監(jiān)測應(yīng)變值處于1212.15×10-6～1 236.92×10-6時,邊坡處于橙色警告階段,此時邊坡安穩(wěn)定系數(shù)已經(jīng)下降至(1.05,1.10]區(qū)間,此時應(yīng)采取相關(guān)措施,對監(jiān)測對象進(jìn)行健康診斷;當(dāng)監(jiān)測應(yīng)變值大于1 236.92×10-6時,此時邊坡處于一個相當(dāng)危險的階段,監(jiān)測工作人員應(yīng)立即采取措施加固坡體,必要時疏散周圍人群,避免造成巨大損失。當(dāng)邊坡安全系數(shù)越小時,錨桿應(yīng)變監(jiān)測值越大,應(yīng)變值變化越快,此時邊坡處在警告危險狀態(tài),發(fā)生突然失穩(wěn)破壞的概率越大;當(dāng)邊坡安全系數(shù)越大,錨桿應(yīng)變值基本較小,基本為錨桿注漿體硬化及邊坡初始應(yīng)力場產(chǎn)生的應(yīng)變監(jiān)測值,此時邊坡處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)

依據(jù)數(shù)值分析的最終結(jié)果,其可行性及預(yù)警閥值為系統(tǒng)開發(fā)提供了前提條件。成套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括了傳感器、解調(diào)設(shè)備、數(shù)據(jù)采集卡、計算機以及測量采集軟件,如圖7所示。

圖7 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及預(yù)警系統(tǒng)示意圖

4.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測預(yù)警

數(shù)據(jù)從下位機(信號解調(diào)儀)解調(diào)出上傳到上位機(監(jiān)測程序),再從虛擬機的前面板傳遞到程序面板,結(jié)果程序處理后,最終將數(shù)據(jù)傳導(dǎo)回前面板顯示或者存儲等。

預(yù)警程序結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中閾值區(qū)為簇,內(nèi)部包含三個數(shù)值輸入控件。由采集來的數(shù)據(jù)信號簇執(zhí)行進(jìn)入“Update Display”分支,用按名稱解除捆綁函數(shù)自由選擇需要的單獨元素信號,達(dá)到實時預(yù)警。并通過執(zhí)行主體功能分支的前分支狀態(tài),將通道值賦予對應(yīng)的配置信號,再通過前面板選取通道來執(zhí)行“Update Display”分支,完成數(shù)據(jù)顯示。

圖8 預(yù)警程序結(jié)構(gòu)

預(yù)警程序邏輯主要是利用數(shù)組函數(shù)選出信號組中的最大值與第一個閾值比較大小,若大于等于則執(zhí)行最外圍條件結(jié)構(gòu)的“是”分支,否則執(zhí)行“否”分支并結(jié)束返回重新實時取值。依次類推,直到遇到需要執(zhí)行“否”分支就終止并點亮相應(yīng)的信號燈及熄滅其他無關(guān)信號燈。具體的邏輯流程圖如圖9所示。

圖9 預(yù)警邏輯流程圖

4.2 數(shù)據(jù)實時顯示

數(shù)據(jù)實時顯示主要是通過選定通道,讀取配置信號數(shù)組并配置進(jìn)曲圖中,從而實現(xiàn)解調(diào)的應(yīng)變數(shù)據(jù)實時顯示。程序示意框圖如圖10所示,時程圖子vi共設(shè)置了4個接線端,分別為對接通道接入口(Channel List)、解調(diào)配置接入口(DLUT_SHM_Cluster)、前一循環(huán)波形vi服務(wù)器引用接入口、波形導(dǎo)出接入口。該程序主要運用了調(diào)用對象屬性節(jié)點和vi服務(wù)器引用。調(diào)用對象屬性節(jié)點可以有效地抽取出其屬性值;vi服務(wù)器引用在默認(rèn)情況下,返回當(dāng)前vi的靜態(tài)vi引用,此處的vi特指波形圖。由于通道為列表框類型,所以利用調(diào)用列表框的屬性節(jié)點來有效的抽取出其屬性值,同時為了將數(shù)據(jù)實時加入進(jìn)波形圖中,將波形圖的服務(wù)器引用由前到后的不斷循環(huán)。

圖10 應(yīng)變實時顯示程序示意框圖

4.3 監(jiān)測預(yù)警測試

在整體系統(tǒng)完備后,需要對軟件系統(tǒng)實用性進(jìn)行調(diào)試,讓其可以應(yīng)用到實驗或?qū)嶋H工程中,起到智能監(jiān)測及實時預(yù)警的作用。采用預(yù)警級別劃分計算出來的閾值,所以在閾值區(qū)從小到大分別導(dǎo)入閾值1、閾值2、閾值3作為解調(diào)閾值。系統(tǒng)啟動后,選中解調(diào)配置過的通道即可實時顯示與監(jiān)測預(yù)警。

調(diào)試過程:選中兩個對應(yīng)通道,在波形圖中分別為藍(lán)色與紅色線條,拉動應(yīng)變傳感器,以傳遞實時應(yīng)變量。當(dāng)通道內(nèi)最大應(yīng)變大于50×10-6時,系統(tǒng)此時是危險的信號燈亮起。

5 實例分析

大連大學(xué)舊停車場,緊靠某東西走向加筋擋土墻,后由于規(guī)劃重新使用,因此采用錨桿對舊擋土墻進(jìn)行加固。擋土墻高3.4 m,墻后為填土,坡頂有一道路。該擋土墻為直立式擋土墻,墻厚0.3 m,有6層加筋,根據(jù)相關(guān)工程規(guī)范,選用4.2 m長錨桿進(jìn)行擋土墻的加固。錨桿采用鋼筋直徑為0.025 m,彈性模量為210 GPa。錨桿鉆孔孔徑為0.15 m,錨桿間隔為2 m。注漿體采用標(biāo)號為42.5的硅酸鹽水泥拌和砂漿,砂漿抗壓強度為14.6 MPa,現(xiàn)場如圖11所示。

圖11 擋土墻錨桿支護(hù)

利用有限元軟件PLAXIS建立數(shù)值分析模型。填土采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬,具體參數(shù)見表5。加筋擋土墻用Plate單元以及Geogrid單元進(jìn)行模擬,兩者之間為剛性連接。Plate單元與土體接觸,因此需建立界面單元模擬與土的相互作用,同時其重力密度需減去土的重力密度,取值為8 kN/m3,Plate單元彈性模量為30 000 MPa,泊松比0.2。Geogrid單元模擬的土工格柵為細(xì)長結(jié)構(gòu),只能受拉,彈性模量為2 600 MPa。錨桿使用Embedded beam row單元進(jìn)行模擬,在距離地面1.1 m進(jìn)行鉆孔,錨固角為25°。坡頂?shù)缆犯郊右惠v均布荷載5 kN/m2的模擬車輛通行荷載。加筋擋土墻簡化模型如圖12所示。

表5 土體參數(shù)表

圖12 加筋擋土墻模型

原加筋擋土墻土坡整體安全系數(shù)為1.277,鉆孔機打入錨桿進(jìn)行加固后安全系數(shù)為1.544。根據(jù)前文計算方法,最終計算出的預(yù)警應(yīng)變閾值如表6所示。

表6 預(yù)警分級及預(yù)警閾值

錨桿注漿體硬化進(jìn)入工作狀態(tài)后開始進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測工作,四根錨桿監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖13。

圖13 錨桿應(yīng)變監(jiān)測

初始階段注漿體硬化,FBG傳感器受其自身靈敏度及應(yīng)變傳遞系數(shù)的影響,監(jiān)測的初始應(yīng)變值各有高低。錨桿鋼筋在土體自重荷載以及原擋土墻結(jié)構(gòu)的相互作用下應(yīng)變監(jiān)測值逐漸增長,監(jiān)測期間該停車場還未完全投入使用,停車場車流量還在較小階段,監(jiān)測值達(dá)到最大值附近后沒有太大的波動。初步加固后安全穩(wěn)定系數(shù)得到了一定提高,四根錨桿監(jiān)測應(yīng)變值消除初始客觀因素影響后,其應(yīng)變值為18.51×10-6、23.94×10-6、21.42×10-6、22.39×10-6,略大于預(yù)警分級綠色安全閾值。在安全系數(shù)較高時,理論上應(yīng)變值隨邊坡穩(wěn)定性變化較小,此時應(yīng)變值也比較小,可能受到擾動后產(chǎn)生變化,但是邊坡的安全穩(wěn)定系數(shù)并不會發(fā)生大的變化,因此現(xiàn)場錨桿監(jiān)測的數(shù)據(jù)有一定的可靠性。

6 結(jié) 論

(1)錨桿支護(hù)邊坡預(yù)警分級按照邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)分為綠色安全、黃色異常、橙色警告和紅色危險四個等級,并針對預(yù)警分級給出對應(yīng)的錨桿應(yīng)變監(jiān)測閾值。

(2)隨著錨桿支護(hù)邊坡安全系數(shù)減小,邊坡穩(wěn)定性變差,錨桿內(nèi)力逐漸增大,錨桿應(yīng)變監(jiān)測值隨之增加,應(yīng)變變化速率加快,邊坡進(jìn)入危險狀態(tài),在降雨、開挖、爆破等外界因素影響下易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

(3)基于預(yù)警分級下的錨桿應(yīng)變閾值,在LabVIEW中實現(xiàn)了邊坡智能監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā),并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試試驗,驗證了智能預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的實用性與可行性,對監(jiān)測方法優(yōu)化提供新的思路。