路塹邊坡鋼絞線加固的危巖體破解監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)研究

方 波

(蘇交科集團(tuán)廣東檢測(cè)認(rèn)證有限公司 廣州市 510460)

我國(guó)華南地區(qū)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始，公路與市政道路等工程得到了迅猛地發(fā)展。其中，大量的公路及市政道路工程的快速建設(shè)，產(chǎn)生了大量的路塹邊坡與路堤邊坡，一些邊坡屬于土石混合的二元邊坡，因此開(kāi)挖施工過(guò)程中，邊坡坡面會(huì)產(chǎn)生大量的危巖體孤石，尤其對(duì)于一些高度大于20m的陡邊坡在施工過(guò)程中由于爆破或者破解等工況影響，使得一些孤石危巖體底部基礎(chǔ)產(chǎn)生松動(dòng)，易產(chǎn)生崩塌與落石等安全隱患。國(guó)內(nèi)對(duì)于高陡路塹邊坡的孤石危巖體通常采用鋼絞線進(jìn)行加固，目前鋼絞線加固土石二元混合邊坡的危巖體起到了很大的作用效果，此外鋼絞線結(jié)構(gòu)在邊坡病害整治工程中也發(fā)揮了主體作用[1-3]。

采用預(yù)應(yīng)力錨固措施加固土石二元混合邊坡的危巖體孤石，其原理是通過(guò)鋼絞線對(duì)邊坡坡面危巖體孤石的位移進(jìn)行約束，增加了坡面危巖體孤石的抗滑阻力，限制孤石危巖體崩落[4-6]。依托廣東省某高速公路土石二元混合路塹邊坡崩塌防治工程，對(duì)該邊坡的孤石危巖體在逐級(jí)破除過(guò)程中的鋼絞線應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以鋼絞線加固路塹邊坡坡面危巖孤石體為監(jiān)測(cè)、計(jì)算與分析的對(duì)象，根據(jù)鋼絞線的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算分析及時(shí)評(píng)價(jià)坡面危巖體孤石的安全穩(wěn)定性，為坡面危巖體孤石破除施工提供了安全保障，也為邊坡危巖破解下巖石的受力情況提供有效的評(píng)估手段和技術(shù)參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

該危巖體路塹邊坡高約32～42m，寬約85～95m，坡向北東31°，坡度總體為25°～35°，個(gè)別位置有陡坎。該土石二元混合路塹邊坡坡面累計(jì)有28個(gè)危巖體孤石，分別編號(hào)為1#～28#，體積約8310m3以上，最大危巖體體積超過(guò)1700m3，坡面的28個(gè)孤石危巖體四周還有大小不一未編號(hào)的孤石，整個(gè)孤石體數(shù)量多，相互堆疊，關(guān)系復(fù)雜。路塹邊坡施工場(chǎng)地屬丘陵地貌，邊坡地勢(shì)呈南高北低，山體山脊位于工作區(qū)南側(cè)，山頂海拔約220m，山腳正對(duì)高速公路路面，地面標(biāo)高一般22m。危巖體孤石所處最高點(diǎn)高程約為66m，最低點(diǎn)高程約35m，最大高差約為31m。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)野外調(diào)查及探槽揭露，場(chǎng)地巖土層主要為粘土層、殘積層(Qdel)、邊坡北端全風(fēng)化石碳系下統(tǒng)測(cè)水組頁(yè)巖夾砂巖(南端為全風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r)、北端強(qiáng)風(fēng)化石碳系下統(tǒng)測(cè)水組頁(yè)巖夾砂巖(南端為強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r)、弱風(fēng)化灰?guī)r。

(1)地質(zhì)構(gòu)造

該邊坡南端發(fā)育一斷層，由于斷層作用，巖層破碎，節(jié)理發(fā)育，主要巖性為頁(yè)巖夾砂巖，白云質(zhì)灰?guī)r。

(2)地層巖性

邊坡內(nèi)地表多被第四系殘積層覆蓋，北段為全～強(qiáng)風(fēng)化石碳系下統(tǒng)測(cè)水組頁(yè)巖夾砂巖，南段為全～強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r及弱風(fēng)化灰?guī)r。粘土及全～強(qiáng)風(fēng)化層，為高液限土，具弱膨脹性。

(3)滑坡地質(zhì)條件

邊坡有倒轉(zhuǎn)向斜西翼，出露地層自小里程順序?yàn)镃1dz灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖，邊坡南端以后為C2+3ht白云質(zhì)灰?guī)r。受NE～SW向斷裂影響，巖層破碎，在頁(yè)巖中見(jiàn)有光滑的鏡面(結(jié)構(gòu)面)，在下部灰?guī)r中見(jiàn)有斷層角礫巖。滑體巖性全風(fēng)化泥巖、頁(yè)巖，含水量大，局部土體呈流塑狀。

(4)水文地質(zhì)條件

第四系地層中含少量孔隙水，由于節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化層厚，地下水主要為基巖風(fēng)化裂隙水，據(jù)鉆探，整個(gè)邊坡地下水位高于路面設(shè)計(jì)標(biāo)高0～7m。

圖1 典型危石體孤石狀況圖

2 鋼絞線作用原理及監(jiān)測(cè)方法

2.1 鋼絞線作用原理

鋼絞線加固高陡邊坡坡面危巖體孤石，一般是一端固定于坡體穩(wěn)固的構(gòu)筑物，另一端根據(jù)孤石體積大小和方位角分別錨固在坡面危巖體孤石上，提高邊坡危巖體孤石的安全穩(wěn)定性，從根本上改善了坡面危巖體的受力性能，有效地控制坡面危巖體孤石的位移、崩塌與掉落，促使其穩(wěn)定，達(dá)到整治危巖、危石的目的[7-9]。在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，待危巖體孤石上鋼絞線處于松弛與繃緊臨界點(diǎn)時(shí)，分別采集鋼絞線的初始應(yīng)力與不同時(shí)間對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值。鋼絞線松弛期間其監(jiān)測(cè)出來(lái)的位移值或者應(yīng)力值可能不是來(lái)自鋼絞線自身真正受力時(shí)的應(yīng)力值。此時(shí)的變形量很小，具體如圖2所示，根據(jù)圖2得知，第一段受力段當(dāng)鋼絞線受力逐漸增大至預(yù)定張拉力時(shí)，以及受到的張拉力達(dá)到或大于設(shè)計(jì)值時(shí)，鋼絞線隨時(shí)間變化產(chǎn)生位移量，此時(shí)鋼絞線的張拉力會(huì)傳達(dá)錨固體內(nèi)部，鋼絞線的位移與應(yīng)力監(jiān)測(cè)隨時(shí)間變化緩慢出現(xiàn)。圖2的N0代表拐點(diǎn)值；當(dāng)鋼絞線的拉力超過(guò)預(yù)設(shè)值，產(chǎn)生鋼絞線受力曲線，若曲線為一次函數(shù)時(shí)，拉住孤石危巖體的鋼絞線沒(méi)有產(chǎn)生塑性破壞，鋼絞線呈現(xiàn)彈性，此時(shí)的鋼絞線在邊坡坡面開(kāi)挖或者危巖體破解時(shí)，危巖孤石體是安全穩(wěn)定的。如果出現(xiàn)曲線的變化形式，即危巖孤石體存在安全隱患，具體見(jiàn)圖2第二段直線段變化；或鋼絞線受力持續(xù)增大，直到鋼絞線個(gè)別出現(xiàn)斷裂或者破壞，此時(shí)鋼絞線受力變形圖將會(huì)呈現(xiàn)曲線的變化形式，不再是一次函數(shù)曲線，具體可見(jiàn)圖2最后一段線段；因此，通過(guò)鋼絞線受力監(jiān)測(cè)原理分析可以得知目前該邊坡的坡面危巖體孤石安全穩(wěn)定性。

圖2 鋼絞線作用原理圖

2.2 監(jiān)測(cè)方法

首先將鋼絞線表層雜質(zhì)或者銹蝕物打磨清洗干凈，然后用吹風(fēng)裝置風(fēng)干打磨清洗位置，待鋼絞線表面清潔干凈后，將應(yīng)力應(yīng)變傳感器用大力膠固定在邊坡危巖體孤石沿著拉伸的方向上，接上MRS-YB型應(yīng)力應(yīng)變傳感器，用MHY-25460型靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變綜合測(cè)試儀測(cè)試不同時(shí)間段內(nèi)的應(yīng)變值，然后根據(jù)鋼絞線的彈性模量與鋼絞線的截面積計(jì)算出鋼絞線沿徑向的應(yīng)力值，根據(jù)鋼絞線的徑向應(yīng)變、應(yīng)力值隨時(shí)間變化監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)危巖體的安全穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)調(diào)整施工，從而保證破解高陡邊坡坡面危巖體孤石施工過(guò)程中的安全。

(1)監(jiān)測(cè)布置

現(xiàn)場(chǎng)邊坡坡面危巖體孤石鋼絞線布置見(jiàn)圖3，每個(gè)危巖體孤石沿不同方位角布設(shè)兩個(gè)應(yīng)變傳感器，具體部位和傳感器數(shù)量可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際動(dòng)態(tài)調(diào)整。應(yīng)變傳感器在布置前應(yīng)進(jìn)行有無(wú)破損觀測(cè)、粘貼牢固性和防潮檢驗(yàn)。由于應(yīng)變傳感器屬于精密原件，數(shù)量級(jí)在微應(yīng)變級(jí)別，在坡面危巖體孤石布置應(yīng)變傳感器時(shí)，應(yīng)緩慢順勢(shì)沿鋼絞線徑向黏貼布設(shè)，不可敲擊、擾動(dòng)和錘擊，以免損壞應(yīng)變傳感器。

圖3 鋼絞線應(yīng)變傳感器布置

(2)監(jiān)測(cè)頻率

因?yàn)檫吰缕旅嫖r體孤石破解時(shí)間不同，每束鋼絞線應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)間各有長(zhǎng)短，連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)間最長(zhǎng)30d，最短時(shí)間7d，每一小時(shí)監(jiān)測(cè)一次，一天監(jiān)測(cè)8次。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)分析處理

有針對(duì)性選取四個(gè)典型的危巖孤石體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)分析、計(jì)算及數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下：

(1)采用MHY-25460型靜態(tài)應(yīng)力應(yīng)變綜合測(cè)試儀對(duì)布設(shè)在鋼絞線徑向方位的應(yīng)力應(yīng)變傳感器逐一連接線路，并監(jiān)測(cè)采集應(yīng)變數(shù)據(jù)。

(2)鋼絞線(徑向方位應(yīng)力)計(jì)算：連續(xù)測(cè)出平均應(yīng)變值后，可用下述公式計(jì)算鋼絞線徑向方位拉力P：

σ=ε·E

(1)

P=σ·A

(2)

將(1)式帶入(2)式，得：

P=Aε·E

(3)

式中，ε為監(jiān)測(cè)應(yīng)變值；E為鋼絞線彈性模量；A為鋼絞線截面積；σ為鋼絞線徑向方位應(yīng)力；P為鋼絞線徑向方位拉力。

邊坡坡面危巖體孤石在進(jìn)行破解施工過(guò)程中，及時(shí)并連續(xù)采集現(xiàn)場(chǎng)鋼絞線徑向方位應(yīng)變?cè)紨?shù)據(jù)并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，得出坡面危巖體孤石鋼絞線徑向方位最大軸向拉力隨不同時(shí)間變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)邊坡坡面危巖體孤石鋼絞線徑向方位最大軸向拉力隨不同時(shí)間變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)邊坡坡面危巖體鋼絞線的受力狀態(tài)。在進(jìn)行原始數(shù)據(jù)分析過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理對(duì)一些異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，并及時(shí)進(jìn)行復(fù)測(cè)校正。當(dāng)坡面危巖體孤石鋼絞線徑向方位軸向拉力—時(shí)間曲線趨于收斂時(shí)，邊坡危巖體孤石受鋼絞線徑向方位拉力即趨于安全穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 鋼絞線徑向方位軸力時(shí)程曲線

3.2 20號(hào)危巖體孤石監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)邊坡坡面危巖體孤石加固用鋼絞線20號(hào)危石所受到的最大軸向拉力隨不同時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖5，根據(jù)圖5得知2018年7月26日～2018年8月17日應(yīng)變監(jiān)測(cè)期間，20號(hào)加固用鋼絞線所受到的最大軸向拉力在第5～9d有較大起伏，其他時(shí)段

圖5 坡面危巖體加固用鋼絞線20號(hào)危石最大軸向拉力與時(shí)間關(guān)系曲線

的危巖體孤石加固用鋼絞線拉力隨時(shí)間變化小，整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)最大軸向拉力值不超過(guò)80N，鋼絞線受到拉力較小。根據(jù)鋼絞線作用原理評(píng)價(jià)得知，20號(hào)危巖體孤石施工破解過(guò)程中是安全穩(wěn)定的。

3.3 25號(hào)危巖體孤石監(jiān)測(cè)結(jié)果

25號(hào)危巖的監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2018年8月22日～2018年9月3日，選取鋼絞線所受力最大的一天進(jìn)行分析。根據(jù)邊坡坡面危巖體孤石加固用鋼絞線25號(hào)危巖孤石所受到的最大軸向拉力隨不同時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖6，根據(jù)圖6得知，鋼絞線所受到的軸向拉力隨時(shí)間變化小，拉力隨時(shí)間變化處于收斂狀態(tài)，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的鋼絞線所受到的最大軸向拉力值不超過(guò)100N，連續(xù)兩次監(jiān)測(cè)的受力值變化率不超過(guò)5%，受到拉力小。根據(jù)鋼絞線作用原理評(píng)價(jià)得知，25號(hào)危巖體孤石施工破解過(guò)程中是安全穩(wěn)定的。

圖6 坡面危巖體加固用鋼絞線25號(hào)危石最大軸向拉力與時(shí)間關(guān)系曲線

3.4 26號(hào)危巖體孤石監(jiān)測(cè)結(jié)果

26號(hào)危巖體孤石監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2018年7月16日至2018年7月21日，選取鋼絞線所受力最大的一天進(jìn)行分析。根據(jù)邊坡坡面危巖體孤石加固用鋼絞線26號(hào)危巖孤石所受到的軸向拉力隨不同時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖7，根據(jù)圖7得知， 鋼絞線所受到的軸向拉力隨時(shí)間變化處于收斂狀態(tài)，監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)的鋼絞線所受到的最大軸向拉力值不超過(guò)100N，受到拉力較小。根據(jù)鋼絞線作用原理評(píng)價(jià)得知，26號(hào)危巖體孤石施工破解過(guò)程中是安全穩(wěn)定的。

圖7 坡面危巖體加固用鋼絞線26號(hào)危石最大軸向拉力與時(shí)間關(guān)系曲線

3.5 27號(hào)危巖體孤石監(jiān)測(cè)結(jié)果

27號(hào)危巖體孤石監(jiān)測(cè)時(shí)間段為2018年9月27日～2018年10月4日，選取鋼絞線所受力最大的一天進(jìn)行分析。根據(jù)邊坡坡面危巖體孤石加固用鋼絞線27號(hào)危巖孤石所受到的軸向拉力隨不同時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖8，根據(jù)圖8得知，鋼絞線所受到的軸向拉力隨時(shí)間變化處于收斂狀態(tài)，監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的鋼絞線所受到的最大軸向拉力值不超過(guò)90N，連續(xù)兩次監(jiān)測(cè)的受力值變化率不超過(guò)10%，受到拉力小。根據(jù)鋼絞線作用原理評(píng)價(jià)得知，27號(hào)危巖體孤石施工破解過(guò)程中是安全穩(wěn)定的。

圖8 坡面危巖體加固用鋼絞線27號(hào)危石最大軸向拉力與時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)論與建議

(1)根據(jù)路塹邊坡坡面危巖體加固用鋼絞線監(jiān)測(cè)結(jié)果得知，四個(gè)典型危石體孤石的加固用鋼絞線所受最大軸向拉力均不超過(guò)100N，坡面危巖體破解施工過(guò)程中加固用鋼絞線所受拉力小，且所受拉力隨時(shí)間均處于收斂狀態(tài)，根據(jù)鋼絞線作用原理評(píng)價(jià)得知，四個(gè)典型危石體孤石在依次破解施工過(guò)程中始終處于安全穩(wěn)定的，不存在危巖體孤石崩塌掉落等施工安全穩(wěn)定隱患。

(2)由于路塹邊坡危巖體的破解施工會(huì)影響坡面危巖體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致危巖體崩塌落石以及邊坡巖土體的擾動(dòng)，因此即使坡面危巖體孤石破解施工完畢后，仍然要對(duì)整個(gè)邊坡定期進(jìn)行位移和內(nèi)力監(jiān)測(cè)，確保運(yùn)營(yíng)后邊坡安全穩(wěn)定無(wú)患。

(3)本文的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法研究工作對(duì)類(lèi)似的工程具有較大的技術(shù)指導(dǎo)和參考借鑒價(jià)值。