粉砂巖路塹高邊坡施工監(jiān)測與動態(tài)設(shè)計

汪益敏，王兆陽，李奇，陶子渝

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粉砂巖路塹高邊坡施工監(jiān)測與動態(tài)設(shè)計

汪益敏，王兆陽，李奇，陶子渝

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州，510640)

結(jié)合高速公路路塹高邊坡工程實(shí)例，利用施工監(jiān)測聯(lián)合邊坡穩(wěn)定有限元數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡動態(tài)設(shè)計。研究結(jié)果表明：通過監(jiān)測邊坡施工現(xiàn)場深部位移可以及早發(fā)現(xiàn)邊坡滑動趨勢，準(zhǔn)確推測邊坡潛在滑動面位置；粉砂巖路塹高邊坡開挖后在自然狀態(tài)下基本穩(wěn)定，但是在降雨飽水條件下邊坡塑性變形區(qū)范圍增大，邊坡安全系數(shù)顯著降低，邊坡由局部破壞發(fā)展為整體滑動破壞，模擬分析結(jié)果與施工監(jiān)測結(jié)果具有較好的一致性；利用邊坡穩(wěn)定分析有限元強(qiáng)度折減法計算得到的邊坡變形擬合實(shí)測變形和滑動面，可以確定坡體當(dāng)前狀態(tài)的等效力學(xué)參數(shù)；采用有限元數(shù)值模擬方法優(yōu)化設(shè)計邊坡加固方案，可以確定邊坡最終形態(tài)以及錨索加固位置、加固長度、加固密度和設(shè)計預(yù)應(yīng)力；邊坡優(yōu)化設(shè)計后，在自然與降雨飽水2種工況下邊坡塑性應(yīng)變區(qū)域及位移形變量均較小，邊坡安全系數(shù)滿足設(shè)計規(guī)范的安全要求；施工完成后，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，說明基于現(xiàn)場監(jiān)測聯(lián)合有限元分析方法確定的邊坡加固方案是可靠的。

粉砂巖；路塹邊坡；錨固；施工監(jiān)測；數(shù)值模擬；動態(tài)設(shè)計

在高速公路建設(shè)過程中，常常會遇到大量不良地質(zhì)巖土體邊坡，其穩(wěn)定性評價和安全防治工作已經(jīng)成為我國高速公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和營運(yùn)的關(guān)鍵問題。大量工程實(shí)踐表明，在高速公路建設(shè)過程中，有必要對不良地質(zhì)區(qū)域的邊坡進(jìn)行施工動態(tài)監(jiān)測與分析[1?4]。賀可強(qiáng)等[5]研究報道了蠕滑型邊坡的實(shí)時監(jiān)測體系及動態(tài)設(shè)計方法；沈強(qiáng)等[6?7]采用初步設(shè)計—監(jiān)測反饋—動態(tài)設(shè)計的體系對邊坡進(jìn)行動態(tài)設(shè)計；王在泉等[8]結(jié)合巖石力學(xué)應(yīng)力釋放與轉(zhuǎn)移原理、塊體穩(wěn)定理論，提出針對復(fù)雜邊坡的施工監(jiān)測系統(tǒng)及動態(tài)設(shè)計方法。但是，由于邊坡地質(zhì)條件具有復(fù)雜性與多樣性，加上施工過程中尚存在較多不確定因素，如何建立有針對性的邊坡動態(tài)設(shè)計體系目前仍未形成統(tǒng)一的規(guī)范，因此，需結(jié)合施工監(jiān)測及勘察內(nèi)容進(jìn)行具體分析。在華南潮濕多雨地區(qū)，粉砂巖路塹高邊坡由于受巖體破碎、結(jié)構(gòu)面發(fā)育、遇水易軟化等不良因素影響，開挖后容易誘發(fā)坡體滑塌等災(zāi)害，因此，有必要在施工過程中進(jìn)行安全監(jiān)測及動態(tài)設(shè)計。本文作者結(jié)合廣東省仁博高速公路K443+260~K443+585右側(cè)路塹高邊坡工程實(shí)踐，利用施工現(xiàn)場監(jiān)測資料聯(lián)合有限元數(shù)值模型對粉砂巖路塹高邊坡動態(tài)設(shè)計加以分析。在邊坡施工期間布設(shè)監(jiān)測系統(tǒng)，連續(xù)監(jiān)測邊坡變形并計算分析穩(wěn)定狀況，利用邊坡穩(wěn)定分析有限元強(qiáng)度折減法計算得到的邊坡變形擬合邊坡施工現(xiàn)場實(shí)測變形和滑動面，反饋分析確定坡體當(dāng)前狀態(tài)的等效力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步利用有限元數(shù)值模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析和加固方案優(yōu)化設(shè)計，確定邊坡最終形態(tài)以及錨索加固位置、加固長度、加固密度和設(shè)計預(yù)應(yīng)力；通過工后邊坡穩(wěn)定狀態(tài)安全監(jiān)測，證明基于現(xiàn)場監(jiān)測聯(lián)合有限元分析方法確定的邊坡加固方案是可靠的。

1 工程概況

1.1 邊坡工程地質(zhì)條件

廣東省仁化至博羅高速公路地處粵北丘陵地帶，沿線地形起伏較大。根據(jù)巖土工程勘察報告[9]，K443+260~K443+585路塹邊坡地層巖性主要為第四系坡殘積粉質(zhì)黏土和石炭系、泥盆系粉砂巖及其風(fēng)化層。邊坡巖土層工程性狀及其分布詳見文獻(xiàn)[10]。

巖層層面傾向為110°~120°，傾角為38°~45°，路塹邊坡開挖面傾向約122°，與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系為傾向相同的順層坡。粉砂巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。

仁化至博羅高速公路沿線地區(qū)氣候溫和，雨量充沛。該區(qū)域2016年年平均氣溫為22 ℃，年降雨量達(dá)2 638 mm，邊坡地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水。

1.2 邊坡設(shè)計概況

K443+260~K443+585邊坡長度為325.0 m，施工圖設(shè)計最大高度為62.0 m，分6級坡，其中：1~2級邊坡坡率為1.00:0.75，3~5級邊坡坡率為1.00:1.00，第6級邊坡坡率為1.00:1.25。各級邊坡之間設(shè)2.0 m寬的平臺，邊坡頂部有一座電網(wǎng)輸電電塔[10]。第1級坡采用4排長度為8.0 m的錨桿框梁加固，設(shè)計抗拔力為60 kN；第2~4級坡分別采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框架梁進(jìn)行加固，錨索長度分別為20.0，22.0和24.0 m，錨固段長度為10.0 m，設(shè)計預(yù)應(yīng)力400 kN；第5~6級邊坡設(shè)計放坡后采用混凝土框梁植草防護(hù)。

2 邊坡施工監(jiān)測

2.1 監(jiān)測內(nèi)容及布置

邊坡從2016?09開始開挖施工，結(jié)合邊坡的工程地質(zhì)條件和加固設(shè)計方案，在樁號K443+400處布設(shè)邊坡施工安全監(jiān)測斷面，監(jiān)測內(nèi)容包括地表位移、深部水平位移和錨索應(yīng)力。當(dāng)施工開挖至第4~5級邊坡時，邊坡出現(xiàn)局部塌落失穩(wěn)，考慮到邊坡以及電塔的安全，于2016?12增設(shè)K443+420邊坡監(jiān)測斷面，邊坡現(xiàn)場監(jiān)測測點(diǎn)布置如圖1所示。其中WY-1~WY-8為地表位移樁，分別布設(shè)在第3~5級平臺及塹頂；CX-1~CX-4為深部位移測斜管，分別埋設(shè)在第4級邊坡和第5級邊坡坡頂平臺，測斜管的深度分別為28.0和26.0 m，CL-1~CL4為錨索測力計，分別安裝在K443+400斷面的第4級與第5級邊坡各錨索錨頭。

2.2 施工過程及監(jiān)測結(jié)果分析

邊坡按自上而下順序開挖，施工過程大致可以分為5個階段，各階段主要施工內(nèi)容以及邊坡穩(wěn)定狀況匯總?cè)绫?所示。

表1 K443+260~K443+585右側(cè)路塹邊坡施工時程表

邊坡地表位移監(jiān)測于2016?10開始，監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。深部位移測斜于2017?01開始，在第5級平臺布設(shè)CX-1和CX-3這2個深部測斜孔。K443+400及K443+420斷面深部位移隨時間的變化分別如圖3和圖4所示。施工初期由于開挖速度較快，并未及時采取加固措施，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示邊坡地表位移速率呈加速上升趨勢(見圖2(a)階段Ⅱ)。11月下旬連續(xù)3 d降雨后，第4~5級坡面出現(xiàn)局部塌落失穩(wěn)。邊坡監(jiān)測及時預(yù)警，施工單位采取如下應(yīng)急搶險措施：1) 停止開挖并反壓第4級坡腳；2) 對塌落部位巖體主要裂隙結(jié)構(gòu)面采用水泥砂漿勾縫處理，并在邊坡平臺處遮蓋防水布，防止雨水入滲；3) 變更邊坡加固設(shè)計，將第5~6級邊坡分別改為錨索框梁(26.0 m)、錨桿框梁(8.0 m)加固。由于搶險及時，邊坡險情得到控制。

圖1 邊坡現(xiàn)場監(jiān)測布置

(a) K443+400斷面地表位移?時間曲線；(b) K443+420斷面地表位移?時間曲線

邊坡施工階段Ⅲ(2017?01—2017?04)主要進(jìn)行第5~6級邊坡的錨桿與錨索加固工程，之后開挖第3~4級邊坡，并在第4級邊坡平臺布設(shè)深部測斜孔CX-2和CX-4。2017?03中旬至2017?04上旬，當(dāng)邊坡小樁號部位開挖至第3級坡時，邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)多處異常。邊坡地表位移量及位移速率呈加速上升趨勢，第4~5級邊坡的地表位移變化尤其明顯，最大累計位移達(dá)118 mm。深部測斜孔CX-1孔深19 m處出現(xiàn)位移突變，累計側(cè)向位移達(dá)66 mm，該測孔于2017?04?02在深部位移突變點(diǎn)深度附近發(fā)生剪斷破壞(見圖3(a))，無法繼續(xù)觀測；此后，測點(diǎn)CX-2孔深16.0 m處再次出現(xiàn)較大的側(cè)向位移，累計側(cè)向位移量達(dá)21 mm(見圖3(b))，同期CX-3和CX-4也出現(xiàn)較大深部側(cè)向位移(見圖4)。坡面巡查發(fā)現(xiàn)原5級坡塌落體附近出現(xiàn)縱向開裂，裂縫延伸至6級坡頂；輸電電塔北西側(cè)原自然坡面出現(xiàn)大范圍開裂，第3級坡腳出現(xiàn)橫向裂縫。邊坡位移速率超過報警標(biāo)準(zhǔn)(2 mm/d)，監(jiān)測單位及時發(fā)出報警通知。

(a) 第5級平臺(CX-1)深部位移監(jiān)測曲線圖；(b) 第4級平臺(CX-2)深部位移監(jiān)測曲線圖

(a) 第5級平臺(CX-3)深部位移監(jiān)測曲線圖；(b) 第4級平臺(CX-4)深部位移監(jiān)測曲線圖

當(dāng)邊坡第2次出現(xiàn)險情時，建設(shè)單位及時采取下述應(yīng)急措施：1) 對已施工的第4~5級邊坡錨索立即張拉鎖定，對未做框梁的錨索采取加墊槽鋼的方式立即張拉，預(yù)張拉力需達(dá)設(shè)計要求的50%~80%；2) 對已開挖的第3級邊坡進(jìn)行反壓回填處理，反壓至第4級坡腳，反壓土體頂寬為10.0 m，坡率為1.00:1.25。應(yīng)急措施采取后，邊坡險情暫時得到控制。

K443+400斷面的4個錨索測力計CL-1，CL-2，CL-3和CL-4于錨索張拉后(2017?03?24)開始監(jiān)測工作，監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：2017?04?03各錨索測點(diǎn)張拉力出現(xiàn)異常增大，其中測點(diǎn)CL-4的錨索張拉力增幅最大，由426 kN增至472 kN，該錨索對應(yīng)位置與CX1測斜管被剪斷位置接近，說明預(yù)應(yīng)力錨索承受較大的坡體下滑力。采取反壓回填等應(yīng)急搶險措施后，錨索張拉力增幅減緩，張拉力趨于穩(wěn)定。

1—CL-4；2—CL-3；3—CL-2；4—CL-1。

邊坡施工階段Ⅳ(2017?05—2017?08)進(jìn)行第3級坡錨索框梁施工，邊坡兩側(cè)開挖至第1級坡，在2017?07施工期間持續(xù)降雨，邊坡錨索應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果顯示測點(diǎn)CL-3與CL-4的張拉應(yīng)力出現(xiàn)較大幅度增長(見圖5)，同期邊坡地表位移與深部測斜監(jiān)測結(jié)果也出現(xiàn)增大趨勢，邊坡出現(xiàn)第3次險情。

從上述邊坡施工階段Ⅰ~Ⅳ的安全監(jiān)測結(jié)果以及現(xiàn)場勘察情況來看，粉砂巖路塹高邊坡開挖過程中遇到降雨對邊坡安全影響十分顯著，原施工圖設(shè)計的邊坡加固措施不足以保證邊坡穩(wěn)定，因此，需結(jié)合邊坡施工揭露的地質(zhì)信息和安全狀況，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行重新評價，并對邊坡加固方案進(jìn)行動態(tài)設(shè)計和優(yōu)化調(diào)整。

3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

3.1 數(shù)值計算模型建立

利用有限元分析軟件ABAQUS對K443+400邊坡設(shè)計斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立數(shù)值分析模型，如圖6所示。模型單元主要以四面體CPE4單元和三角形CPE3單元為主，錨桿與錨索采用T2D2單元模擬，采用EMBEED功能嵌入坡體[11]。計算模型包含3 877個單元數(shù)，3 347個節(jié)點(diǎn)。邊界條件采用下部固定，左右兩側(cè)水平約束，上部為自由邊界的方式。土體初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，以計算邊坡特征點(diǎn)位移速率突變作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值計算分析[12?13]。邊坡加固措施的錨桿和錨索計算參數(shù)如表2所示[9]。

數(shù)據(jù)單位：m

粉砂巖巖土材料的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬，土體強(qiáng)度參數(shù)通過監(jiān)測位移反演分析確定[14?15]。選取施工階段Ⅱ和Ⅲ這2個工況，以3個地表位移監(jiān)測點(diǎn)和2個深部位移監(jiān)測點(diǎn)作為特征點(diǎn)，以巖土工程勘察資料提供的強(qiáng)度參數(shù)作為初始計算參數(shù)，模擬計算各特征點(diǎn)的位移，通過不斷調(diào)整計算參數(shù)使計算位移與實(shí)測位移逼近擬合，反演得到邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。反演分析特征點(diǎn)位置及其監(jiān)測位移和計算位移如表3所示。

粉砂巖浸水后強(qiáng)度顯著降低是導(dǎo)致邊坡在持續(xù)降雨環(huán)境下易于滑塌破壞的重要原因。周翠英等[16?17]的研究表明：飽水條件下粉砂巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角僅相當(dāng)于自然狀態(tài)下的35%~55%和75%~82%，因此，本文數(shù)值分析中飽水條件下巖土層的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別按照反演參數(shù)的46%和79%進(jìn)行折減，各巖土層具體計算參數(shù)見表4。

3.2 邊坡穩(wěn)定性分析

采用上述數(shù)值模型對K443+400邊坡在自然和降雨飽水2種工況條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，得到邊坡塑性應(yīng)變分布，如圖7所示。在自然條件下，邊坡開挖完成后其安全系數(shù)s為1.25，降雨后邊坡塑性應(yīng)變區(qū)范圍明顯增大，最大應(yīng)變增長超過4倍，邊坡安全系數(shù)s降低至1.08，邊坡處于危險狀態(tài)。原施工圖設(shè)計的邊坡加固錨索與錨桿長度未能穿過坡體潛在的最危險滑動面，無法有效遏制邊坡的下滑趨勢，故需重新進(jìn)行邊坡加固設(shè)計。

3.3 邊坡設(shè)計方案優(yōu)化

基于邊坡施工階段現(xiàn)場監(jiān)測以及穩(wěn)定性分析結(jié)果，重新設(shè)計邊坡開挖及加固方案：1) 遷移坡頂輸電電塔，將坡口線向塹頂后緣延伸，使邊坡跨越原地表坡頂形成反坡，降低降雨對邊坡的影響；2) 減緩邊坡整體坡率，將原方案的開挖6級邊坡變更為7級邊坡，并在第2級坡頂設(shè)置8.0 m寬平臺，第4級坡頂設(shè)置14.0 m寬平臺；3) 突出“固腳強(qiáng)腰”的加固設(shè)計理念，對第1，3和5級坡分別設(shè)計采用3排預(yù)應(yīng)力錨索框梁進(jìn)行加固，錨索長度分別為18.0，22.0和22.0 m，錨固段長度為10.0 m，設(shè)計預(yù)應(yīng)力為400 kN，第2級坡采用4排長度為11.5 m的錨桿框梁加固，設(shè)計抗拔力為120 kN，其余坡面采用框架植草防護(hù)。邊坡加固方案變更前后對比如圖8所示。對變更方案建立數(shù)值分析模型，計算分析邊坡在自然和降雨2種工況下的塑性應(yīng)變分布，如圖9所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 2 Parameters of supporting structures of the slope

表3 反演分析特征點(diǎn)監(jiān)測位移與計算位移

表4 不同巖土層參數(shù)對比

圖7 不同條件下邊坡塑性應(yīng)變分布

圖8 邊坡設(shè)計方案變更前后對比

圖9 方案優(yōu)化后邊坡塑性應(yīng)變分布

日期：1—2017?11?08；2—2017?11?21；3—2017?12?08；4—2017?12?23；5—2018?01?09。

由圖9可知：自然與降雨飽水2種工況條件下邊坡塑性應(yīng)變區(qū)域及位移變形均處于較小的水平，錨索加固長度穿過潛在危險滑動區(qū)域一定深度，邊坡安全系數(shù)s分別達(dá)到1.43和1.21，滿足設(shè)計規(guī)范的安全要求[18]。目前該邊坡已按變更設(shè)計方案完成施工(即表2中施工階段Ⅴ)，施工期間在邊坡K443+400斷面第3和4級坡頂平臺重新布設(shè)2個深部位移監(jiān)測孔，設(shè)計優(yōu)化后邊坡深部位移隨時間的變化如圖10所示。由圖10可知：該邊坡深部側(cè)向位移較小，累計側(cè)向位移小于6 mm，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

1) 對于錨索(桿)加固邊坡，現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)當(dāng)包括地表位移、深部水平位移、錨索張拉力以及現(xiàn)場巡查等。其中，測斜管監(jiān)測邊坡深部位移對邊坡的穩(wěn)定動態(tài)非常敏感，可以及時發(fā)現(xiàn)邊坡滑動趨勢，較準(zhǔn)確反映邊坡潛在滑動面位置。

2) 粉砂巖遇水易于軟化，粉砂巖邊坡在降雨飽水條件下安全系數(shù)顯著降低，邊坡加固方案設(shè)計中應(yīng)充分考慮降雨因素的影響，邊坡施工過程中應(yīng)及時做好加固防護(hù)，做到邊坡開挖1級支護(hù)1級。當(dāng)邊坡開挖過程中出現(xiàn)崩滑等險情，應(yīng)立即停止開挖并反壓坡腳，在坡面遮蓋防水布，防止雨水進(jìn)一步入滲坡體。

3) 以邊坡穩(wěn)定分析有限元強(qiáng)度折減法計算得到的邊坡變形擬合實(shí)測變形和滑動面，可以反饋分析確定坡體當(dāng)前狀態(tài)的等效力學(xué)參數(shù)；根據(jù)反饋分析得到的坡體等效力學(xué)參數(shù)，采用有限元數(shù)值模擬進(jìn)一步進(jìn)行邊坡加固方案優(yōu)化設(shè)計，可以確定邊坡最終形態(tài)以及錨索加固位置、加固長度、加固密度和設(shè)計預(yù)應(yīng)力；邊坡工后安全監(jiān)測結(jié)果表明邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，基于現(xiàn)場監(jiān)測聯(lián)合有限元分析方法確定的邊坡加固方案是可靠的。

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Construction monitoring and dynamic design of siltstone cutting high slope

WANG Yimin, WANG Zhaoyang, LI Qi, TAO Ziyu

(Institute of Civil and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Using expressway cutting high slope as an engineering example, the method of slope dynamic design was used by combining construction monitoring with finite element numerical simulation of slope stability. The results show that the trend of slope sliding can be found early according to the monitored deep displacement of the slope construction site, and the potential slip surface position of the slope can be accurately estimated. Siltstone cutting high slope is basically stable under natural condition, but the range of slope plastic deformation zone is enlarged. Slope safety coefficient decreases significantly and the local slope failure develops to whole sliding failure under the condition of saturation of rainfall. The simulation analysis result and construction monitoring result have good consistency. The equivalent mechanical parameters of the current state of the slope can be determined by fitting the measured deformation and sliding surface of slope with the deformation calculated by slope stability analysis with finite element strength reduction method. The slope reinforcement scheme is further optimized by finite element numerical simulation, which determines the final shape of the slope and the location of reinforcement, length of reinforcement, density of reinforcement and design of prestress. After optimization, the plastic strain area and displacement of the slope are both at a relatively small level under natural working condition and rainfall saturated condition. Additionally, the safety factor of the slope meets the safety requirement of the design specification. The slope is in a stable state till the end of construction, which indicates that the reinforcement scheme based on field monitoring and finite element analysis is reliable.

siltstone; cutting slope; anchorage; construction monitoring; numerical simulation; dynamic design

10.11817/j.issn.1672?7207.2019.02.020

U415.1

A

1672?7207(2019)02?0400?09

2018?03?07；

2018?05?07

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0802500)；廣東省交通科技項目(2014)(Project(2016YFC0802500) supported by National Key Research and Development Program of China; Project(2014) supported by the Traffic Science and Technology Program of Guangdong Province)

汪益敏，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事路基與邊坡工程研究；E-mail：ctymwang@scut.edu.cn

(編輯 伍錦花)