高陡邊坡變形監測及數值模擬分析

虞巍巍 常曉麗

(1.中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000; 2.中交一公局土木工程建筑研究院有限公司，北京 100024)

1 概述

文章參考近年來諸多巖土工作者[1-5]對邊坡監測及穩定性分析的研究成果，以國道G105線連平內莞段內高陡邊坡為研究對象，采用有限元分析軟件MIDAS GTS建立二維有限元數值模型，結合工程監測數據，總結了該邊坡的變形規律，對該邊坡滑移范圍及潛在滑動面深度位置進行了判別，確定了邊坡監控量測的重點觀測區域以及深層水平位移合理監測深度，為工程前期監控量測方案設計及修正提供可靠依據。高陡邊坡監測與有限元數值模擬分析相結合，可作為高陡邊坡穩定性分析的有效方法，為今后類似邊坡工程提供參考。

2 工程概況

國道G105線連平內莞邊坡修復工程(K2330+000～K2330+250)位于連平縣內莞鎮東北約3 km處。邊坡為山地地貌，呈現一“V”形峽谷地貌，山頂最大高程465.56 m，河谷處高程約為260 m，高差約205 m，地形坡度約30°～40°。K2330+080～K2330+200范圍為主要滑坡端，滑坡區下陡上緩，坡度約為30°～45°，邊坡坡頂高程364 m～405 m。邊坡等級為十二級，綜合坡率1∶1～1∶1.5。為了保證行車及行人的生命財產安全，急需對此邊坡進行重點監測。計劃施工監測工期32個月。

3 施工監測方案

根據設計文件要求，結合有限元穩定性分析成果，該高陡邊坡的監控量測主要項目包括：人工巡視監測、坡頂位移沉降監測、坡面位移沉降監測、深層水平位移(測斜)監測等。高邊坡具體監測項目及布置圖見表1和圖1。

表1 主要監測項目

4 數值模擬分析

4.1 單元和本構

在邊坡數值模擬中，選擇合適的模型至關重要。本文基于有限元分析軟件MIDAS GTS建立二維邊坡數值模型，巖土本構模型關系采用理想的彈塑性模型，屈服準則采用Mohr-Coulomb屈服準則。地層結構采用平面單元模擬。該邊坡設置了地表水及地下水排水工程措施，邊坡穩定分析時未考慮地下水影響，適當降低抗剪強度計算參數。根據現場地勘報告以及試驗結果，結合以往工程經驗綜合確定計算參數，二維有限元模型采用的巖土結構物理力學參數如表2所示。

表2 巖土結構物理力學參數表

4.2 幾何模型及工況

該模型擬建地層范圍長320 m，高220 m，邊坡長270 m，高170 m，邊坡綜合坡率1∶1～1∶1.5，地層厚度及分層按實際勘察結果布置。有限元計算分析工況設定為邊坡穩定性分析；邊界條件為：左右邊界采用水平約束，下邊界采用水平與豎向約束；定義荷載為自重。

4.3 數值模擬結果與分析

對于既有邊坡穩定性的判別和分析，在地質勘查資料與類似工程經驗相對缺乏的情況下，采用數值模擬分析方法是指導設計和邊坡監控的重要手段。以下分析為安全系數為1.237 5時的計算結果。

圖2為邊坡穩定性分析水平位移DX云圖，圖3為邊坡穩定性分析豎向位移DZ云圖。由圖2和圖3可以看出，水平方向位移向右，豎向位移向下，均向邊坡底部方向發展，從而形成了邊坡滑移趨勢，滑移水平區域主要為邊坡中部地域，距坡頂距離約120 m～160 m，深度區域為粉質粘土地層范圍，深度約8 m～10 m。水平位移最大值為1.436 m，豎向位移最大值為0.973 m。根據邊坡位移變化量可知，如若不采取支護措施，可能會發生局部滑坡等災害。

圖4為邊坡穩定性分析剪切應變分布云圖。結合圖2可以看出邊坡的潛在滑動面的位置，這一區域已經出現較為明顯的滑動。該邊坡最大剪切應變為0.796，最不利范圍與邊坡水平位移基本一致。

根據位移云圖以及剪切應變分布顯示，粉質粘土地層為滑坡風險區域，因此邊坡坡面水平位移及沉降監測、邊坡深層水平位移監測為該邊坡的重點監測項目，通過合理的監測手段可為邊坡穩定提供指導，降低邊坡安全風險。同時，數值模擬分析還可以為邊坡監測布點位置提供參考。坡面水平位移及沉降監測應重點觀測距坡頂120 m～160 m位置，深層水平位移監測點應重點布設在出現剪切應變較大范圍內，且測斜管深度應大于潛在滑動面深度位置，即測斜管布置深度大于8 m～10 m。以上分析成果可為監測方案設計及優化提供可靠依據。

5 監測結果分析

由于數值模擬計算為理想狀態，且監測開始時，邊坡已處于基本自穩狀態，無法采集前期邊坡穩定過程中各參數變化值，因此，監測數據分析僅與數值模擬規律進行對比分析。

5.1 坡面水平位移監測

圖5為坡面水平位移測點DX01～DX06監測時程曲線，圖6為坡面水平位移各測點不同月份水平位移對比曲線，測點布置見圖1。廣東區域每年5月～8月為雨季，降雨量較大，受雨量影響，邊坡自穩能力較差，坡面水平位移在5月～8月變化明顯。由圖5和圖6可以看出，測點DX03、測點DX04、測點DX05水平位移值相對較大，其中測點DX05位移最大值達55.31 mm，測點DX05附近為邊坡坡面水平位移變化最大位置，沿邊坡上下方向呈遞減規律，坡頂與坡底水平位移相對變化較小，測點DX03～DX05區間段水平位移變化明顯，為重點觀測區間，與數值模擬計算變形規律相似。

5.2 坡面沉降監測

圖7為坡面沉降測點DZ01～DZ06監測時程曲線，圖8為坡面沉降各測點不同月份沉降對比曲線，測點布置與坡面水平位移相同。由圖7與圖8可以看出，測點DZ03附近為邊坡坡面沉降變化最大位置，達45.18 mm。沿邊坡上下方向呈遞減規律，坡頂與坡底沉降值相對變化較小，測點DZ02～DZ05區間段沉降變化明顯，尤其在5月～6月期間，變化速率較快，進入7月后明顯有減緩趨勢，8月～11月數據變化基本穩定。坡面沉降監測以測點DZ03，DZ04為重點觀測區間，與數值模擬計算最大沉降值位置基本相符。

5.3 邊坡深層水平位移監測

由圖9可以看出，測點CX01累計最大位移發生位置為深度8.5 m處，最大值為31.0 mm；測點CX02累計最大位移發生位置為深度8 m處，最大值為52.1 mm；測點CX03累計最大位移發生位置為深度6.5 m處，最大值為41.5 mm；測點CX04累計最大位移發生位置為深度5.5 m處，最大值為34.2 mm。測點CX01與CX02粉質粘土覆蓋層厚度約10 m，測點CX03約8 m，測點CX04約6.5 m，由變化規律可見，該邊坡各深層水平位移測點最大位移深度隨粉質粘土層變化而變化，呈線性增長規律。與數值模擬剪切應變變化較大區域相符合，通過相互驗證，進而準確的判斷出滑移層可能出現的位置，同時為深層水平位移測點位置及測斜管合理布置深度提供了可靠的依據。

6 結論與建議

文章依托于國道G105線連平內莞高陡邊坡工程實例，通過分析，得出如下結論與建議：

1)通過有限元計算，可提前判斷邊坡滑移范圍及潛在滑動面深度位置，進而確定坡面監測重點觀測區域，以及深層水平位移測點位置及測斜管合理布置深度，為工程前期監控量測方案設計及修正提供可靠依據。

2)高陡邊坡監測與有限元數值模擬分析方法相結合，能夠有效分析邊坡動態情況，得出邊坡變形趨勢，可作為邊坡穩定性分析的有效方法。

3)該工程實例由于監測開始時，邊坡已處于基本自穩狀態，未能采集前期邊坡穩定過程中各位移參數變化值，無法通過實際監測數據與數值模擬計算值進行對比分析，僅對邊坡變形發展規律進行了分析驗證，研究成果具有局限性。