基于IBIS-L的某黃土高填方邊坡支護結構變形特征

魏愷泓，裴向軍，張世殊，冉從彥，崔中濤，李青春，李進元

1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，成都 610072 2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059

0 引言

在黃土地區開展工程建設通常需要采用“挖山填溝”的方式，從而達到最大程度的空間利用[1]。然而，在大型填方工程中，邊坡的穩定直接關系著工程的安全。不少學者[2-4]認為，填方邊坡穩定性影響因素主要為邊坡工程地質條件、填料工程特性、降雨入滲以及填筑工藝等。若這些因素在勘察、設計、施工過程中被忽略或不加以控制，極可能誘發不均勻沉降、崩塌、滑坡等地質災害[5]，同時給人民的生命財產帶來巨大損失。為了加固穩定填方坡體，支擋結構一般采用重力式擋墻、樁板墻(錨索樁板墻)、加筋土擋墻以及聯合支護等方式[6-7]，但由于設計、施工中存在的風險因素很有可能導致支護失效；因此實時掌握坡體穩定以及支護結構功效需采取有效的監測方法，以保障工程施工期、運營期的安全。

相比全站儀、水準儀等常規測量儀[8-10]，地形微變監測儀(IBIS-L)監測系統具有空間連續覆蓋、精度高等特點，其不僅可對滑坡[11-13]等地表變形進行靜態監測，也可對建筑物、橋梁、大壩等設施進行動態監測。其精度可達到亞毫米級[14-16]。本文將IBIS-L應用于黃土填方邊坡支護結構監測，并結合大體積混凝土溫度響應特征，分析其變形規律及特征，以期為預防坡體失穩、災害發生提供技術支撐。

1 工程概況

研究區位于河南省，原始地形較復雜，為黃土丘陵地貌，細溝、淺溝、切溝均較為發育，地貌上形成天然的Ⅰ溝、Ⅱ溝，原始坡度為50°～70°，高程為408～446 m。填方區域原始邊坡呈南北走向，地層巖性為全新統沖洪積物(Q4al+pl)，地基土具有輕微濕陷性，填料為未經工程改良的重塑馬蘭黃土(Q3eol)。

在實際工程中，采用先支擋后填土的施工順序進行，主要分為填筑和加載2個階段：1)填筑階段將408～430 m高程范圍內的溝壑填平，施工時間為2014-03—2014-06；2)加載階段是將高程為430～446 m的填土壓實，該部分支擋結構采用加筋擋土墻，部分填土作為進山公路路基，時間為2014-12-16—2015-01-02。

該工程填方總量達5.12×104m3，最大填方高度約40 m。填方形成長約180 m、平均寬度30 m、坡率為7%的進山公路。邊坡采用加筋土擋墻(上部)和錨拉樁板墻(下部)直立護坡形式，平面呈“弧形”分布，抗滑樁共計55根(編號24#—78#)(圖1)，設計尺寸為1.5 m×2.0 m～1.6 m×2.4 m，懸臂段20 m，嵌固深度10 m，樁身混凝土強度等級為C30，樁間距3.5 m。錨索采用7 s(1 s錨索長度=15.2 m)，共6道，豎向間距3 m，錨固段長5.0～11.5 m。

2 支護結構變形現狀及規律

據現場調查，填方邊坡支護結構表征的變形現象為樁基沉降、樁體彎曲、樁板墻開裂(表1)。

初步分析，樁基沉降原因主要為躍進渠溝壁錯裂流水滲入對樁基周土產生軟化作用，土體遇水后軟化，承載力降低，導致樁體冠梁產生明顯下撓現象，最大沉降量約20 cm。樁體彎曲是由于墻背土壓力以及剩余下滑力對樁體產生剪切作用[17]，在不同樁截面產生彎矩，剪力和彎矩的共同作用造成懸臂段發育“危險截面”。同樣，當荷載強度達到設計的抗彎強度時，樁板墻會產生簡支梁“鼓脹變形”，背土側表面為受拉面，拉應力過大導致張拉裂縫逐漸形成，裂縫呈張開度“外大內小”的形態，尤其當填土加載時(平均加載速率為0.86 m/d)變形表現得尤為劇烈。根據現場跟蹤統計的加載階段59#—60#段樁間板裂縫發育過程，分析認為樁板墻裂縫發育數量及延伸高度均與填土高度呈線性關系(圖2)。

圖1 填方邊坡工程地質平面示意圖Fig.1 Sketch map of geological plane of slope embankment

變形現象變形強烈區裂縫類型裂縫發育特征典型照片樁基沉降37#—43#段張拉裂縫頂部冠梁發育兩類裂縫。Ⅰ類:平行于坡體走向,共35處,最大縫寬約8 mm;Ⅱ類:順坡向,共24處,最大縫寬約15 mm樁體彎曲34#—60#段剪切裂縫裂縫形成高度為0.6～5.0 m,一般縫寬≤1 mm。Ⅰ類:始于樁體兩側向外表面延伸,發育部位距離嵌固點較低,貫通率較高;Ⅱ類:始于外表面向兩側延伸,發育部位距離嵌固點較高樁板墻開裂23#—46#段47#—66#段張拉裂縫填方高度為20 m時出現裂縫,總數達1 090條。集中分布于0～6 m,12 m以上不發育,其中:0～3 m頻率為33%,3～6 m頻率為41%,6～9 m頻率為21%,9～12 m頻率為5%

注：a.樁基沉降；b.樁體彎曲；c.樁板墻開裂。

圖2 樁板墻裂縫發育演化與填土高度相關性Fig.2 Correlation between fracture evolution and filling height of pile-slab wall

3 基于IBIS-L的支護結構變形監測及數據分析

3.1 IBIS-L系統介紹

IBIS-L是一種基于微波干涉技術的創新雷達，特點在于集合了步進頻率連續波技術(SF-CW)、合成孔徑雷達技術(SAR)和差分干涉測量技術，通過SAR獲取監測區域的二維影像，通過干涉技術提取目標點的相位變化量[18]。該系統組成分為軟件和硬件兩部分，硬件由傳感器、線性掃描、記錄和處理、能量供應4個單元(圖3)構成，軟件“IBIS Data Viewer”使得后期數據處理非常簡便。

3.2 參數設置

為了達到良好的監測效果，監測基站與對象之間需要具備視野通透、距離適宜、保持通電、基座穩定等條件，因此將基站設置于距離對象直線距離145 m、方向角258°的農舍屋頂。監測時間為2015-01-03T19:00—2015-02-14T0:00，按照操作手冊，利用PC機中的“IBIS controller”項目設置監測參數(表2)。

3.3 監測數據分析

3.3.1 影像數據質量分析

獲取高質量的影像數據是IBIS-L有效監測的前提，而評價監測效果的主要有3個參數指標，即熱信噪比(圖4a)、估計信噪比(圖4b)和相關性(圖4c)，三者反映了電磁波的反射強度，強度越高，說明數據越準確。圖4測出監測對象熱信噪比值達到了30.0 dB以上，估計信噪比值為16.0～23.0 dB，相關性值接近1.0，電磁波的強度達到了較高值，保證了監測數據的準確性。

圖3 IBIS-L硬件單元Fig.3 IBIS-L hardware unit

設置項目參數IBIS-L主機離地高度/m5.00天線傾角/(°)5雷達波主覆蓋角度(6 dB)/(°)52.2采樣頻率/(次/h)1距離向分辨率/m0.75角度向分辨率/mrad4.38最遠監測距離/m400

a.熱信噪比；b.估計信噪比；c.相關性。圖4 監測數據可靠性分析Fig.4 Reliability analysis of monitoring data

3.3.2 數據校正

一般情況下，氣溫、濕度等環境變化會影響電磁波的傳播，對監測結果產生一定影響。因此采用控制點(ground control point, GCP)校正扇形監測區域內點的變形-時間曲線，以確保數據的準確性。GCP的選取原則為不受監測對象影響，靜態穩定且位移波動范圍基本保持在接近0 m的參考點。本次監測選取了位于填方邊坡范圍以外北西側的1個點，其相對坐標為x:-11.5 m、y:53.7 m，全過程顯示其位移波動范圍為-0.68～0.55 mm，因此GCP點的選擇是可靠的。

3.3.3 對象點面數據分析

基于目前對象的變形現狀以及監測獲取的點面位移量，有助于分析其變形過程與發展趨勢。IBIS-L系統方向規定：以線性軌道的中心為原點，線性軌道方向為x軸，垂直線性軌道方向為y軸；監測區域位移符號規定背離儀器方向為正，靠近儀器方面為負。

1)對象整體變形

位移云圖直觀反映出監測整體的變形狀況，當監測歷時t=306 h時，對象最大變形量值近27 mm(圖5)。隨監測時間的增長，云圖具有明顯的區域特征，變形量隨時間逐漸增大。其中54#—67#段變形尤為顯著，該段分布于“弧形”凸出部位，抗滑樁與樁間板的裂縫也極為發育，與現場調查現狀相吻合。

2)監測點位移

系統可分析扇形掃描范圍內任一點變形數據。因此，結合變形現狀與位移云圖，在柵格中選取典型監測點進行分析(表3)。

圖6統計出10個監測點歷時約15 d的監測數據，根據變形-時間曲線(s-t曲線)可以看出：總體上，Pix1—Pix10位移量隨時間不斷增長，且無收斂趨勢；截至2015-02-14T0:00(監測歷時約15 d)，Pix1—Pix10的位移累計量分別達到-10.6、-14.7、-17.2、-23.4、-26.6、-21.8、-19.3、-14.8、-11.6、-24.7 mm。

位移累積量對比得出：sPix5>sPix10>sPix4>sPix6>sPix7>sPix3>sPix2>sPix8>sPix9>sPix1。目前，位移最大的4個點為Pix5、Pix10、Pix4、Pix6(屬于54#—67#段)，其次為Pix7(屬于68#—78#段)；點位移變化符合云圖中顏色區分出的對象區域特征(圖5)。此外，在變形量相當的區域，樁板墻墻體下部的變形程度大于墻體上部，監測數據與變形表現出的裂縫發育程度相對應。

圖5 監測區域位移云圖Fig.5 Displacement variation of monitoring area

監測點代表部位Pix143#抗滑樁上部Pix247#抗滑樁上部Pix352#抗滑樁中上部Pix456#抗滑樁中上部Pix559#—60#樁板墻下部Pix665#—66#樁板墻上部Pix769#抗滑樁上部Pix875#抗滑樁上部Pix945#抗滑樁上部Pix1063#抗滑樁上部

不難看出，各點位移增長規律基本相同，曲線呈“波浪形”。以24 h為時間間隔，15 d內的變形速率差值小于1.3 mm/d，說明總體上呈線性增長，但在24 h內s-t曲線表現出“起伏”現象。

通過監測結果可定性判斷，填方邊坡支護結構體的變形量存在繼續增大的趨勢，對于剛性結構體來說，連續無收斂的變形現象大大降低了自身穩定性?？够瑯杜c錨索為彈性連接體，抗滑樁的變形同時也側面反映了錨索的錨拉效應，樁體的位移增量一旦超過極限值，也可能導致錨索失效，最終將導致整個混凝土剛性支護結構體的屈服破壞。此外，變形-時間曲線可為臨災預警判據的研究提供基礎數據，并可與抗滑樁、擋土墻微變特征、預應力錨索失效過程、填土體沉降值等相結合，建立有效的高填方邊坡變形失穩預警模型。

4 大體積混凝土溫度-變形響應特征

監測曲線呈“波浪形”增長，說明支護結構的變形并非靜荷載作用下的單因素變形。研究[19]表明，大體積混凝土的總應變包含2部分：一是外力和內部約束力引起的應變，稱為應力應變；二是自由體積變形引起的應變，稱為非應力應變或自由體積變形。為了研究大體積混凝土具有溫度-變形響應這一特征，通過溫度監測配合IBIS-L監測。

溫度監測過程中2支傳感器分別用于測量填方坡體內溫度和大氣溫度，再利用數據采集儀進行數據的采集和存儲，采集頻率與IBIS-L系統同步。

4.1 溫度場條件下的變形“滯后效應”

提取2015-02-11T0：00—2015-02-13T0:00共計48 h的位移、溫度數據進行分析，結果見圖7。由圖7可知：

1)坡體內溫度幾乎恒定，基本不受大氣溫度影響，48 h內最大溫差僅0.7 ℃。

2)混凝土變形與大氣溫度場具有相關性，表現為正相關的“滯后效應”。即在變形增加階段(9:00—15:00)數值上呈線性增加，最終達到峰值，而溫度峰值出現在12:00，比變形峰值提前了3 h；當變形降低時，最小變形量較溫度最小值也遲滯了3 h。

圖6 監測點點s-t曲線Fig.6 Curve of s-tof monitoring points

其原因在于，自然氣候環境條件下，混凝土內側溫度響應與環境溫度的變化在時間和數值上均存在滯后性，一般滯后1～3 h[20]。因此結構內外側的溫度差形成了溫度應力場，產生了熱脹冷縮現象。

圖7 點位移、溫度-時間曲線Fig.7 Point displacement and temperature time curve

4.2 定量分析升溫滯后變形量

抗滑樁懸臂段目前的變形屬于彈性變形階段，應力與應變關系符合胡克定律；因此采用考慮溫度變化時靜定結構位移計算方法[21]，研究溫度場條件下懸臂端任意一點K的水平位移Δks(圖8)。

由于混凝土內側溫度的滯后響應，在數值上混凝土內側溫度等效為大氣3 h前溫度(T內側=T大氣3h前)。因此由圖8可得，結構外側溫度為T1，結構內側溫度為T2。在變形增加階段(9:00～15:00)，可以將T1、T2等效為12:00和18:00的大氣溫度，由溫度監測結果，11日、12日變形增加階段，結構兩側平均溫度差(ΔT=T1-T2)分別為5.5 ℃和6.9 ℃。

考慮溫度變化時K點的水平位移計算公式為

(1)

dφT=(αT2ds-αT1ds)/h=αΔTds/h。

(2)

實際情況下，抗滑樁為等截面桿件，則有

(3)

x. K點與嵌固點O的距離，m；h.截面厚度，h1、h2.軸線距離兩端點距離(h取1.6 m)；FK=1，為虛擬狀態中的單位荷載；α.材料線膨脹系數；圖的面積。圖8 靜定結構溫度變化時的位移與虛擬彎矩示意圖Fig.8 Displacement and virtual bending moment diagram of statically indeterminate structure with temperature variation

根據式(3)可以求解樁任意一點K的變形量：

Δks=10-5ΔTx2/3.2。

(4)

由式(4)計算當ΔT=5.5 、6.9 ℃，x取值為0～20 m時的樁身變形量(水平位移)，結果見表3。

表3 樁截面在溫度場下的變形量

對于靜定結構，除荷載外，其他任何外因均不引起內力，只有在溫度發生變化時，材料會熱脹冷縮，使結構產生變形和位移。IBIS-L系統位移監測數據顯示：第11、12天變形增加階段監測點變量范圍為3.89～6.18 mm，其中Pix8(即75#抗滑樁上部)變形量(膨脹量)分別5.42、6.18 mm(投影到水平方向分別為5.39、6.15 mm)，因此考慮溫度變化時位移理論計算結果與實際監測結果相吻合，定量揭示了樁體白天變形量急增以及s-t曲線呈“波浪形”增長的現象。

5 結論及建議

基于IBIS-L的某黃土高填方邊坡支護結構變形特征與溫度場響應的研究，得出以下結論：

1)通過開展某黃土高填方邊坡支護結構的現場跟蹤調查，得出其變形特征主要表現為樁基沉降、樁體彎曲、樁板墻開裂；經過分析統計，構建了樁板墻裂縫延伸高度、數量分別與墻背填土高度呈線性“概化模型”。

2)通過影像數據質量分析、GCP點數據校正，保證了IBIS-L監測數據的真實性。截至2015-02-14T0:00，對象最大變形量近27 mm；邊坡支護結構變形具有明顯的區域差異性，其中54#—67#段(“弧形”凸出部位)變形尤為顯著；而在同一垂直方向，樁板墻墻體下部的變形程度大于墻體上部。

3)監測點位移增長規律基本相同，s-t曲線呈間隔24 h“波浪形”增長，且表現出“無收斂”的增長趨勢，說明支護結構穩定現狀較差。而對于剛性結構體來說，連續無收斂的變形現象極有可能導致邊坡整體失穩破壞。

4)將溫度監測與IBIS-L監測同步進行，采用考慮溫度場的靜定結構位移計算原理，定量計算出在升溫條件下樁體的滯后膨脹量(變形量)，其值與監測結果相吻合，從而揭示了大體積混凝土具有溫度-變形響應特征。

針對邊坡支護結構目前的變形現狀，建議采取適宜的工程措施進行防范，為防止雨季強降雨對填方邊坡穩定性的影響，應及早封閉地表水下滲；若發現上部加筋土擋墻段出現較大尺寸變形，應及時削方減載；適量減少填方體上部荷載，減少較大施工器械碾壓或振動作用；增加監測手段，做到全方位監測，建立有效的災害預報預警機制，確保工程安全。