基于支護結構應力監測的邊坡穩定性分析

詹偉

摘 要：通過對某高速公路邊坡防護結構開展實時應力監測，根據監測數據分析判斷邊坡施工過程中的穩定狀態以及應力損失情況，結合數值分析模型模擬應力損失后的土體受力和位移情況，分析結果表明，監測邊坡處于穩定狀態。

關鍵詞：應力；監測；邊坡；穩定性

中圖分類號：U416 文獻標志碼：A 文章編號：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

某山區高速公路沿線部分邊坡開挖高度高，多采用錨固防護形式，而支護結構的工作應力是影響防護結構安全的重要因素。如果支護結構的工作應力過高，可能使防護設施發生突然破壞，成為工程中的“定時炸彈”；反之，如果工作應力衰減過大，則起不到主動加固巖土體的作用。因此，有必要開展基于支護結構應力監測的邊坡穩定性分析技術研究，評估邊坡穩定性和安全防護有效性，保證錨固結構安全和邊坡穩定性。

1 工程概況

本項目選擇位于浙江省某山區高速公路LP02合同段一路塹高邊坡作為監測研究對象。該邊坡最大開挖高度54.5m，分八級開挖支護，各級防護措施分別為：第一級設擋墻防護，第二、三級設錨桿框格防護，第四、五級設錨索框格植被防護，第六級骨架植草防護，第七、八級邊坡高次團粒防護。錨索錨固段全部進入中風化巖層。邊坡地質情況如下：坡表分布厚度不等的殘破積粉質黏土層，局部為含碎石粉質黏土層，褐黃色，可塑，碎石含量在25%左右，風化強烈，厚約1.0～4.8m，屬普通土（Ⅱ）；下伏基巖為片麻巖：全風化，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）；強風化，變晶結構，片麻狀結構，裂隙發育，巖芯呈碎塊狀及碎屑狀，屬軟石（Ⅳ）；中風化，變晶結構，片麻狀結構，節理裂隙較發育，裂隙間由方解石脈充填，屬次堅石（Ⅴ）。

2 監測點布設

針對試驗監測邊坡的防護工程情況，在邊坡第四、五級預應力錨索框格防護工程中選擇兩個監測斷面，每個監測斷面設置4個測點，開展應力監測。該邊坡錨索設計長度為27m～36m，錨固段長度設計值均為12m，錨固力設計值為780kN。監測原理是采用彈性波錨頭激振方法實時監測預應力變化，具體監測方法是選擇典型錨索埋設壓力環進行長期預應力監測，并對無損檢測技術提供驗證；采用錨頭激振技術對預應力錨索的工作應力進行無損檢測，對邊坡預應力錨索工作應力的整體情況進行評估。

測力計在安裝前可以根據工程實際情況進行現場率定。為了保證錨索測力計能夠真實反映受力狀況，需要在測力計兩個端面放置承載墊板，使加載荷載呈均勻分布。同時，承載墊板在加工時應格外小心，表面應平整，如果墊板表面有焊渣等異物，可能導致加載過程中出現讀數誤差。在正式加壓前，應先預壓二次，預壓時應緩慢施壓，并在最大壓力處保持一分鐘以上。預壓結束，測力計應靜止10分鐘后才能進行正式率定。

根據邊坡防護設計要求，測力計安裝在錨固端。安裝時鋼絞線或錨索從錨索計中心穿過，測力計處于鋼板和工作錨之間。錨索測力計典型安裝示意圖見圖1所示。

測力計安裝完成后，各模塊與數據采集儀之間通過電纜連接組成一套完成的應力監測系統，為了方便野外長期監測，為整套監測系統安裝了太陽能供電系統，保證監測系統的長期穩定工作。監測系統現場布設圖見圖2。

3 監測數據分析

應力監測設備安裝完成后，采用BSIL-MICRO-MCU測量系統對應力開展實時監測，通過對前期監測數據整理，得到各監測點應力監測數據曲線圖，其中一個監測點的監測數據見圖3。從監測數據曲線圖來看，該邊坡錨索預應力趨于穩定，說明該邊坡施工過程中處于穩定狀態。從監測數據分析可以看出，當錨索鎖定后，隨著時間的推移，會發生荷載損失，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 穩定性分析

根據監測點邊坡斷面截面尺寸及錨索布置情況，采用FLAC 3D數值分析軟件建立邊坡模型開展邊坡穩定性分析，如圖4所示。模型建立時的假設條件包括：不考慮Y方向不平衡力對邊坡穩定性的影響。邊坡側面采用法向約束，底面采用固定約束。模型建立的過程：先采用彈性模型生成初始地應力場，再降土體定義為摩爾庫倫模型，最后添加錨索構件，開始計算分析。

模型分析計算中采用的方法是強度折減法。該方法將邊坡剛好達到臨界破壞狀態時巖土體的抗剪強度進行折減的程度定義為邊坡安全系數，也就是巖土體實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后剪切強度的比值。在分析計算結果時，當安全系數大于1時，邊坡處于相對穩定狀態；當安全系數小于1時，邊坡處于不穩定狀態，需要加固措施。

在開展計算分析前，先計算開挖后未采取防護措施時的邊坡安全系數，計算結果：安全系數0.92，小于1，說明此時邊坡處于不穩定狀態。邊坡剪切計算云圖中可以發現，出現了塑性貫通區，見圖5，即出現了潛在滑動面，邊坡可能發生失穩破壞。

正式開展計算時，在邊坡分析模型中施加防護措施，再次計算邊坡的安全系數，結果為1.39，大于1.0，說明邊坡在加固后已處于穩定狀態。模擬開挖施加防護工程后的邊坡剪切應變云圖見圖6所示，說明錨索加固措施有效阻斷了潛在滑動面的發展，邊坡防護工程取得了較好的效果，邊坡達到穩定狀態。

實際工程中，錨索的錨固效果取決于預應力引起的附加應力，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，產生預應力損失，使錨固效果產生影響。從現場監測數據來看，該邊坡的預應力損失在10%～20%左右，本研究采用數值分析模型模擬錨索預應力損失后的土體受力和位移情況，從穩定性分析結果來看，邊坡仍處于穩定狀態，說明邊坡錨索預應力設計時，已考慮了足夠的安全冗余，在長期預應力損失達到20%左右時，仍能保證邊坡的安全穩定。

從計算模型分析中可以發現，在錨索發生預應力損失后，土體中產生的附加應力場發生了改變，防護結構對邊坡的主動防護效果有所下降。實際工程中，提高預應力設計值可以增強加固效果，但是施工時要求更高的施工工藝、更好的錨索材料以及更高的砂漿強度等，成本大量增加，工程防護的經濟性有所降低。因此，應根據邊坡實際情況合理設計防護結構，并考慮預應力長期損失后，使剩余應力能夠滿足邊坡穩定的要求。

5 結束語

通過對邊坡防護結構開展實時應力監測，根據監測數據分析判斷邊坡施工過程中處于穩定狀態。結合數值分析模型模擬加固前后以及錨索預應力損失后的土體受力和位移情況，從穩定性分析結果來看，邊坡仍處于穩定狀態，說明邊坡錨索預應力設計時，已考慮了足夠的安全冗余，在長期預應力損失達到10%～20%時，仍能保證該邊坡的穩定性。

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