開挖邊坡變形監測及穩定性分析

孫 元，田維強，林德洪，楊晴雯，楊 崢

(1. 貴州省地質礦產勘察開發局 第二工程勘察院，貴州 遵義 563000； 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，四川 成都 610059； 3. 西昌學院 土木與水利工程學院，四川 西昌 615000)

開挖作為常見的人類工程活動，廣泛應用于水電工程、路基工程、基建工程等領域。但由于開挖削方破壞了原始坡體地形地貌和應力狀態，會引起坡體形變破壞，給工程活動構成威脅，甚至造成損失[1-2]。

對開挖邊坡防護主要包括監測和支擋兩方面[3-4]。開挖過程中，通過變形監測可預測開挖邊坡變形趨勢、指導施工、反饋設計[5]；開挖邊坡支檔防護后進行監測，可了解支擋結構物變形、內力變化，對支擋結構物受力情況進行判別，而可對變形發展趨勢做出預測，判斷邊坡穩定狀態以及結構物工作狀況[6]。對于某些復雜地質條件下的開挖邊坡，甚至需要邊開挖邊支檔，實時監測邊坡動態。因此，邊坡支護監測對于邊坡穩定性評價和支擋效果評價具有十分重要意義[7-9]。

筆者以貴州西北某開挖邊坡為例，通過近2年來的變形監測數據，分析了該支檔邊坡變形特征和趨勢，進一步揭示了邊坡變形影響因素，從而檢驗了邊坡支擋設計與施工效果，并對邊坡長期穩定性進行了評價。

1 邊坡基本特征

研究區位于貴州省西北部，因城區改造，進行邊坡開挖。該開挖邊坡由呈南北延伸的1、2號邊坡組成。1號邊坡長191 m，高差7.4～14.9 m，位于研究區中部；2號邊坡長45 m，高6 m，位于研究區東部(圖1)。

垂直于1、2號邊坡布設3條勘探線(剖面1-1、2-2、3-3)，平行于1號邊坡布置一條勘探線(剖面4-4)(圖1)。沿4條剖面線共計布設20個鉆孔(圖2)。

根據鉆探揭露，研究區地層從上而下由3部分組成：① 上部土層主要為0.5～4 m的人工填土，包括建筑垃圾，毛石混凝土地基基礎及回填灰巖碎石、塊石、黃磚等，結構松散，透水性強；② 中部為5.4～15 m的淺黃色、灰黃色碎石粉質黏土層，碎石主要為砂質泥巖、泥巖風化產物，1～10 cm粒徑占80%，最大粒徑達20 cm；土體結構松散，透水性強，該層是邊坡結構主要物質組成部分；③ 下部為二疊系上統龍潭組(P3l)泥巖、砂質，巖層產狀為73°∠11°，連續性好，結構較為完整。中部土層土體塑性指數為16.8，土體飽和密度為20 kg/cm3，天然密度為19.4 kg/cm3，飽和狀態下黏聚力為30 kPa，內摩擦角為13.8°。干燥狀態下下部砂巖單軸抗壓強度為43 MPa，飽和時為29 MPa；泥巖天然單軸抗壓強度為10 MPa，飽和時為8.9 MPa。

大氣降水是城內地下水主要補給來源，雨季主要集中在每年4～9月，旱季集中在1、2、12月(圖3)。鉆孔揭示，邊坡地下水埋深5～8 m，鉆孔地下水平均水位4～7.0 m，涌水量300～400 m3/d，滲透系數為1.37～6.77 m/d。

2 邊坡支護概況

1號邊坡以土質邊坡為主，上部土層最大厚度為12 m，若不支護可能產生土層內圓弧型滑動破壞，或沿基覆界面滑動；2號邊在開挖前雖有漿砌石擋土墻支擋，但擋土墻基礎埋深較淺(0.8～1.2 m)，加之施工場地距離該邊坡底部較近，且由于工程平場需0.5～1.0 m開挖，若不支護，施工擾動可能導致該邊坡支擋措施變形。

1號邊坡在監測前采用削方減載+抗滑樁+連接梁+止水帷幕的支護方案進行支護(圖4)。抗滑樁樁身為C30混凝土澆注，樁頂設連接梁，與樁主筋連接，梁身為C30混凝土澆注。1號邊坡的A-B-C段，分A、B兩類樁，A1～A14為直徑1.5 m的圓形樁，樁心距為3.0 m，樁長22 m，嵌固段為11 m；A15～A26樁長20 m，嵌固段為10 m。B類樁為直徑1.5 m的圓形樁，樁心距為3.0 m，樁長20 m，嵌固段為10 m，共計25根，如圖4。

圖4 1號邊坡支護工程Fig. 4 Supporting project of 1# slope

2號邊坡支護目的是保護現有擋土墻基礎及對墻身加固(圖5)，采用的支護方案是抗滑樁+承臺+擋土墻+墻后回填。抗滑樁為直徑0.9 m的圓形樁，樁心距為4.0 m，樁長為3.1 m；承臺為鋼筋混凝土，采用C30混凝土澆筑；承臺頂部采用鋼筋混凝土擋土墻對2號邊坡原有擋土墻進行加固，擋墻斷面呈梯形，墻背直立，擋墻采用C20進行澆筑。所有支護結構施工于2015年5月完成。

圖5 2號邊坡支護工程Fig. 5 Supporting project of 2# slope

3 監測布置

為獲得支護后邊坡變形特征，并對變形發展趨勢做出預測，筆者對邊坡變形及地下水進行了長期監測。監測內容包括深部位移監測和地下水動態監測。監測平面布置見圖6。

圖6 監測布置平面Fig. 6 Plane of monitoring arrangement

測斜儀測試工作原理是測定探頭以鉛垂線為基準的弧角變化[10]。測斜儀安裝于鉆孔內(ZK15、ZK11、ZK7、ZK1)，定名為J1～J4監測點。同時在測斜孔底部安裝滲壓計。最終獲得邊坡巖土體深部位移與地下水位變化關系曲線。

監測工程始建于2015年5月，2015年6月—2015年10月期間監測沿鉆孔深度的變形，獲得變形與鉆孔深度的對應關系。監測包括平行邊坡走向方向和垂直邊坡走向方向；2015年12月—2017年6月期間則在J1、J3監測點鉆孔的上、中、下這3個位置(距離孔頂位置分別為4.5、10、14m)安裝固定測斜儀，進行長期監測，并分析固定位置位移隨時間變化。

4 邊坡監測結果及分析

4.1 位移基本特征

圖7為2015年6月—2015年10月位移監測結果。圖7分為垂直邊坡和平行邊坡兩組方向，前者負值代表坡面向外方向，后者負值代表沿坡走向向北方向。

圖7 2015年6月—2015年10月監測結果Fig. 7 Monitoring results from June to October 2015

由J1監測點結果顯示：垂直邊坡走向方向〔圖7(a)〕，6—8月的變形基本為正值，9、10月的變形基本為正值；這說明此監測位置初期以向坡內變形為主，隨著時間推移而產生向坡外的變形，且隨著時間增加，向坡內變形量逐漸減小，向坡外變形量逐漸增大。平行邊坡走向方向〔圖7(b)〕，6—9月的深度6～8 m以上位移為正值，向下變形為負值；這表明此監測點深部有向北的變形，隨著時間推移向北方向變形量逐漸增大。向坡外及與沿剖面走向向北方向最大變形量分別為3.1、6.9 mm。在深度為14 m附近，曲線隨著時間變化發生分離，暗示潛在破壞面可能在該深度產生。由剖面圖可看出(圖2)：此深度對應的是覆蓋層厚度，說明J1監測變形是由于覆蓋層變形引起的，潛在滑動面可能位于基覆界面。

由J2監測點可看出：無論垂直還是平行邊坡產向方向，隨時間增加變形量逐漸增大；各監測曲線均在12 m處產生向坡外和沿坡走向向北的位移。12 m深度以下位移基本為0，向上位移逐漸增大；到約10 m時，其位移增幅達到最大；10 m以上位移基本不變，表明該位置潛在破壞面位于12 m深度處。在垂直剖面方向〔圖7(c)〕，變形最大值達25 mm；沿坡走向向北方向〔圖7(d)〕，位移最大值達9 mm。由剖面圖可看出(圖2)：12 m基本對應覆蓋層厚度，表明J2位置仍為覆蓋層變形。

J3、J4這兩處監測點位移-孔深變化規律與J2基本相同，兩處位移突變位置均發生在約13 m孔深處〔圖7(e)～(h)〕，表明潛在破壞深度為13 m。J3監測點坡外變形最大值達33.5 mm，沿坡走向向北變形量達22 mm〔圖7(e)、(f)〕；J4監測點坡外變形最大值達26.3 mm，沿坡走向向北變形量達24.5 mm〔圖7(g)、(h)〕。

從變形曲線上可看出(表1)：除J1點曲線相對不規則，其余點變形曲線均可明顯確定潛在破壞面位置，且各點潛在破壞面以上不同深度變形量變化不大，表明沿潛在破壞面以上土層發生了整體滑動變形。這4個監測點確定的潛在破壞面深度基本一致，為12～13 m。通過對比可看出：J3、J4變形量大于J1、J2，J1變形量明顯小于其余3點，J2～J4點垂直邊坡走向變形均大于平行走向。

表1 位移監測結果統計Table 1 Statistic results of deformation monitoring

圖8為2015年12月—2017年6月的長期位移監測結果。由J1監測結果可看出：中部和上部位移有增大趨勢，但位移增量均很小；至2017年6月，上、中、下這3個位置位移收斂。J3測點的3個位置位移值均較小，但從2016年6月開始，中部位移快速增加，最大值達18 mm，至2016年11月增長停止，而后收斂，基本無變形產生；上部位移從2016年9月開始增長，最大值約4 mm，至2016年11月增長停止，而后逐漸收斂。位于14 m深度的下部位移無明顯變化。

圖8 2015年12月—2017年6月監測結果Fig. 8 Monitoring results from December 2015 to June 2017

4.2 地下水位基本特征

由研究區2015年12月—2016年11月的雨量監測表明：區內雨量4—9月較多，尤其以6月降雨量最大，最大日最大降雨量達64.5 mm(2016年6月15日)，6月約占全年降雨的40%(圖3)。

由2015年5月—2015年10月地下水埋深曲線可看出〔圖9(a)〕：J2、J3測點地下水位較J4埋深大，這3個測點5—8月地下水埋深明顯比8—10月淺。由2015年12月—2017年3月地下水埋深曲線可看出〔圖9(b)〕：地下水位埋深在2016年的4—8月有明顯減小，說明水位發生了顯著抬升，J3監測點尤為明顯；這是因為每年集中降雨導致了地下水位升高，隨著降雨量減少，地下水位埋深逐漸增加。綜合分析表明：研究區地下水位明顯受大氣降雨影響，則由降雨引起的地下水位抬升可能是邊坡變形加劇的直接原因。

圖9 地下水位埋深Fig. 9 Groundwater level depth

4.3 邊坡變形影響因素及趨勢分析

由監測數據分析：邊坡在2015年6月—2015年10月之間存在顯著向坡外和向沿坡走向以北方向的變形，且向坡外變形大于沿坡走向以北方向變形，潛在破壞位置發生在12～13 m深度處。從邊坡坡體結構看，基巖產狀為73°∠11°，巖層傾向坡內，由于邊坡屬于反傾邊坡，沒有產生沿巖層順層滑動破壞條件；支護初期，由于結構支擋邊坡變形量較小，但隨著時間推移，土體由于自重產生了向臨空方向變形，上覆層與基巖接觸面是薄弱界面，成為邊坡破壞的潛在滑動面，這一過程中將逐漸與支護結構間達到新的力和位置平衡。在沿坡走向以北的方向屬于順傾邊坡，在上覆蓋層重力作用下更易產生順巖層傾向的滑動變形〔圖2(d)〕。在開挖作用下，由開挖邊坡走向、巖層傾向因素決定了邊坡變形特征。

由圖10可看出：在地下水位上升(埋深減小)初期，邊坡變形量級很小，隨時間增加，邊坡變形速率增大，等地下水埋深增加后，邊坡變形逐漸減小，直到位移收斂。這是由于地下水位上升，使得土體含水率增加甚至達到飽和。在土體濕化過程中，土體抗剪強度可用莫爾庫侖準則進行理論分析，如式(1)：

τ=c+ (σ-u)tanφ

(1)

式中：τ為試樣抗剪強度；c為內摩擦角；σ為總應力(上覆土層自重)；u為孔隙水壓力；φ為內聚力。

若總應力不變，孔隙水壓力增加，那么有效應力將減小；故孔隙水壓力越高，抗剪強度越低，從而使得邊坡加速變形，變形隨著地下水位下降而逐漸收斂。同時可看出：邊坡變形初始時間滯后于地下水位上升初始時間，同時晚于地下水位下降時間，表明由大氣降雨控制的地下水位增加對邊坡土體強度的劣化作用具有滯后效應。

圖10 J3測點邊坡變形與地下水位關系Fig. 10 Relationship of J3 between deformation and water level

圖11為各監測點最大變形量與時間關系。可圖11看出：邊坡支護初期(2015年6—8月)變形逐漸加劇發展，2015年8月后變形速率逐漸減小；這表明總體上支護結構對邊坡穩定性產生了顯著影響。期間(2016年6—11月)，由于地下水位上漲導致邊坡上部局部地區出現一定位移，但2016年11月后位移收斂，一直到2017年4月未發生顯著變形，表明支護邊坡處于穩定狀態。

圖11 2015年6—10月變形發展趨勢Fig. 11 Deformation from June to October 2015

5 結 論

1)筆者通過某支護邊坡2a變形監測數據分析表明：邊坡支檔初期變形較為顯著，但隨著時間增加，變形速率開始減小，表明支擋措施對邊坡穩定性發揮了顯著效果。

2)研究區地下水位明顯受大氣降雨影響，在邊坡支護第一個雨、旱季交替期間地下水位變化對邊坡變形有顯著影響；但是隨著水位穩定，邊坡變形逐漸收斂，支護邊坡盡管在水位上升期間局部變形加劇，但仍處于穩定狀態。

3)不同監測點表現出不同的變化特征，說明邊坡走向、巖層傾向影響邊坡變形特征。值得說明的是，筆者僅分析邊坡支護后2a變形監測數據，后期需進一步結合邊坡支護前后長期監測數據，尤其是多年地下水位變動期間邊坡變形的規律，同時應考慮不同支護結構類型，對支護邊坡變形特征及趨勢進行深入分析。