高速公路黃土路塹邊坡變形演化規律研究

侯志峰，孫志杰

（1.山西交通控股集團有限公司 臨汾南高速公路分公司，山西 臨汾 042100；2.山西省交通科學研究院 巖土與地下工程山西省重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

路塹邊坡的穩定是邊坡安全施工和運營的基本保證，對邊坡的穩定性進行合理分析為后期邊坡設計施工提供重要的理論依據，對變形進行長期監測可對邊坡設計效果進行反饋和評價。當前對邊坡穩定性分析的研究[1]分為確定性分析和不確定性分析，確定性分析又分為定量分析和定性分析。定量分析方法[2-4]有極限平衡法、塑性極限分析法和數值分析法；定性分析[5-6]有自認歷史成因法、工程類比法、圖解法。不確定性分析[7-8]有可靠度分析、模糊綜合判斷、灰色系統分析、人工智能、突變理論、自組織理論等方法。

在工程實踐中，邊坡土體的變形監測信息能夠直觀反映邊坡的動態穩定性[9-12]，因此，對邊坡進行穩定性分析和研究，同時對邊坡實體工程進行現場監測，對公路邊坡的設計、施工和運營維護具有非常重要的理論和實踐意義。

本文依托吉河高速公路某典型黃土路塹邊坡，采用有限元分析軟件，對邊坡斷面進行非線性數值分析，對邊坡施工運營過程進行長期監測，揭示高速公路黃土路塹邊坡的長期演化規律。

1 工程概況

吉縣至河津高速公路起于臨汾市吉縣，設吉縣樞紐互通建立交，與臨汾至吉縣高速公路相交；止于運城河津市，與河津至運城高速公路相接，全線縱跨臨汾、運城兩市，途經吉縣、鄉寧、稷山、河津四縣（市），全長53.278 km。

研究區段K7+000—K7+580段地層由第四系中更新統沖洪積（Q2al+pl）黃土（低液限黏土）組成及第四系上更新統風積（Q3eol）濕陷性黃土（低液限黏土）。黃土（低液限黏土）棕黃色，土質較勻，含少量鈣質結核及礫石，小孔隙及垂直節理發育，呈硬塑狀態，無濕陷性；濕陷性黃土（低液限黏土）淺黃色，土質均勻，結構疏松，大孔隙及蟲穴發育，具垂直節理，呈堅硬狀態，具Ⅱ級自重濕陷性。研究區段邊坡如圖1所示。

圖1 開挖完成后的邊坡

2 邊坡穩定性數值分析

2.1 數值模型建立

根據邊坡工程的水文地質情況，取斷面K7+380處作為分析斷面進行數值模擬，邊坡計算模型如圖2所示。模型高75 m，寬為200 m，其中開挖邊坡右側高25 m，5級平臺。圖2為邊坡二維有限元網格劃分圖。

圖2 模型網格劃分

模型材料參數取自吉河高速公路地質勘查報告土工試驗結果，見表1。

表1 材料參數表

約束條件：模型左右兩側為水平位移約束邊界，底部為固定邊界條件，表面為自由邊界。在靜力計算平衡后，為了減小邊界反射波對模型動力響應的干擾，將四周法向約束替換為自由場邊界，并將底部邊界替換為靜邊界。

2.2 開挖前后邊坡穩定性分析

邊坡的穩定性是施工安全進行的關鍵，原始邊坡經過長期地質作用和地質構造，逐漸趨于穩定。但由于開挖擾動，打破了邊坡原始的穩定狀態，開挖后的邊坡穩定性如何，需要借助別的手段進行分析。本文采用有限元方法對邊坡開挖前、后的坡體進行對比分析，位移對比云圖如圖3所示。由于模型尺寸較大，后續分析結果僅展示邊坡開挖影響范圍內土體的變形和應力分布。

開挖前后邊坡最大位移均發生于同一部位，即下邊坡坡腳處。開挖后，除下邊坡坡腳外，上邊坡坡腳處也發生了較大的變形，可見邊坡開挖對原始邊坡坡體穩定性造成了一定影響，但開挖后邊坡穩定性主要由邊坡整體穩定性決定，而非上邊坡。

邊坡開挖前后等效塑性應變對比云圖如圖4所示。

邊坡開挖前后的等效塑性應變云圖反應了和邊坡位移云圖相同的規律，即邊坡穩定性由開挖后下邊坡坡體穩定性，上邊坡基本處于穩定狀態。從塑性區分布可看出，開挖前邊坡塑性區集中于下邊坡坡腳，并向上發展；開挖后，下邊坡塑性區基本貫通，下邊坡穩定性較小，上邊坡基本無塑性區分布。

圖3 邊坡位移對比云圖

圖4 等效塑性應變

3 邊坡變形監測系統

為清理黃土邊坡在施工-工后沉降-運營的整個全壽命周期的變形規律，項目對吉河高速黃土邊坡進行了系統調研，選取吉河高速公路K6+000—K8+000段作為監測路段，并在K7+380斷面布設監測傳感器，對邊坡變形進行了為期一年的監測。

3.1 監測內容

根據吉河高速公路黃土路基的特殊地質環境條件，選取路基沉降和邊坡側向變形作為主要監測參數。由于水的入滲和浸泡使得路基土體的黏聚力和內摩擦角值顯著降低，從而使路基土體的抗剪強度大大降低，導致路基發生沉降變形。因此對路基沉降的監測能直觀反映路基邊坡穩定性。

從2.2節數值分析結果可看出，下邊坡坡腳變形較大，因為本次監測對下邊坡坡腳的側向水平位移進行監測。

3.2 監測儀器埋設

3.2.1 單點沉降計

路基沉降采用單點位移計進行監測，單點沉降計由位移計、錨頭、法蘭沉降盤、測桿等部件組成。適用于測量錨頭與沉降盤之間土體的變形位移，可進行長期監測和自動化測量。單點沉降計的錨頭設置在相對不動點（一般是設置在基巖處），法蘭沉降盤則設置在需要監測高程處。當地基下沉時，沉降盤與地基同步下沉，使傳感器的活動導磁體在其磁通感應線圈內發生相對滑移，通過讀數儀測出位移量，實現沉降觀測目的。本次監測采用長沙金碼生產的JMDL-4740A型單點位移計，量程為40 cm，精度為0.1 mm。

3.2.2 測斜管

邊坡側向變形采用測斜管進行監測。測斜管通常安裝在穿過不穩定土層至下部穩定地層的垂直鉆孔內。使用數字垂直活動測斜儀探頭，控制電纜，滑輪裝置和讀數儀來觀測測斜管的變形。第一次觀測可以建立起測斜管位移的初始斷面。其后的觀測會顯示當地面發生運動時斷面位移的變化。觀測時，探頭從測斜管底部向頂部移動，在半米間距處暫停并進行測量傾斜工作，探頭的傾斜度。本次監測采用長沙金碼儀器廠生產的JMQJ-7140Y型測斜探頭，量程±30°，精度0.1%，配套JMQJ-7000型綜合測斜儀。圖5為側向位移現場采集。

圖5 邊坡側向變形數據采集

4 邊坡變形演化規律

4.1 路基沉降

K7+380斷面路基沉降時程曲線如圖6所示。

監測斷面于2014年11月5日布設，從整體趨勢看，不同位置處路基沉降規律相同，即：在傳感器埋設初期（前16 d），由于路基各結構層的鋪設，路基沉降量顯著增加；第16天～第32天，沉降又有增大；第32天～第55天，沉降有小幅減小；第55天以后，路基由于土體固結等因素，緩慢增大。

圖6 K7+380斷面路基沉降曲線

4.2 邊坡側向變形

K7+380斷面邊坡坡腳側向變形曲線如圖7所示。

圖7 K7+380斷面邊坡側向變形曲線

從圖7可看出，側向變形整體趨勢為從邊坡坡表到深部，側向變形逐漸減小；在距坡腳5～10 m以及15～25 m范圍內的部分側向變形曲線均出現了一個由大減小的變化過程，分析是由于黃土的直立性導致測斜管與孔壁接觸不充分導致的。

5 結論

通過對路塹邊坡開挖前后的穩定性進行數值分析和對路基邊坡的變形長期監測，得到邊坡變形長期演化規律，研究表明：

a）采用數值分析結合現場監測相結合的手段，可以很好地指導施工，優化設計參數，保證邊坡施工安全。

b）邊坡在坡體中部進行開挖時，開挖后邊坡穩定性由下邊坡穩定性決定，上邊坡基本趨于穩定。

c）在路基鋪設的初始20～30 d，由于路基結構荷載作用所產生的路基沉降占總沉降量的約40%，而后路基沉降變形速率趨于穩定，但在將近一年時間內，路基基本處于沉降狀態，直至275 d以后，路基沉降趨于穩定。